霍尔传感器(讲稿)李江全石河子大学机电学院电气工程教研室
霍 尔 传 感 器 (讲 稿) 李江全 石河子大学机电学院电气工程教研室
目录一、霍尔效应二、霍尔元件1、材料2、组成3、符号4、电磁特性三、霍尔传感器1、组成2、特点3、应用补充问题1、半导体材料有哪些敏感特性？有哪些相应的元件？2、常见的半导体传感器有哪些？3、半导体传感器有哪些特点？应用于哪些方面？4、什么是霍尔元件的灵敏度？5、为什么霍尔元件常用N型半导体制作？6、减小霍尔元件温度误差的措施有哪些？7、什么是霍尔元件的不等位电动势，寄生直流电动势，感应电动势？8、影响霍尔传感器性能的因素及造成误差的因素有哪些？9、什么是磁阻效应？基于磁阻效应的磁阻元件（磁阻效应传感器）可用于测量哪些参数？
目 录 一、霍尔效应 二、霍尔元件 1、材料 2、组成 3、符号 4、电磁特性 三、霍尔传感器 1、组成 2、特点 3、应用 补充问题 1、半导体材料有哪些敏感特性？有哪些相应的元件？ 2、常见的半导体传感器有哪些？ 3、半导体传感器有哪些特点？应用于哪些方面？ 4、什么是霍尔元件的灵敏度？ 5、为什么霍尔元件常用 N 型半导体制作？ 6、减小霍尔元件温度误差的措施有哪些？ 7、什么是霍尔元件的不等位电动势，寄生直流电动势，感应电动势？ 8、影响霍尔传感器性能的因素及造成误差的因素有哪些？ 9、什么是磁阻效应？基于磁阻效应的磁阻元件（磁阻效应传感器） 可用于测量哪些参数？
一、霍尔效应金属或半导体薄片，若在它的两端通过控制电流1，并在薄片的垂直方向上施加磁感应强度为B的磁场，那么在垂直于电流和磁场的方向上将产生电动势UH，这种现象称为霍尔效应。产生的电动势称为霍尔电动势或霍尔电势UH，该金属或半导体薄片称为霍尔元件。霍尔电势大小表示为：Un=RrIBdRH——霍尔常数（R=！）ned一霍尔元件的厚度密尔效应示意图令Ku=R/a，则：U=KnIBd可见霍尔电动势的大小正比于控制电流I和磁感应强度B的乘积。崔尔效应的产生是由于运动电荷受磁场中洛仑磁力作用的结果。当控制电流的方向或磁场的方向改变时，输出电动势的方向也将改变：但当磁场与电流的方向同时改变时，霍尔电动势并不改变原来的方向。磁场的梯度越大测量的灵敏度越高，沿霍尔元件移动方向的磁场梯度越均匀，霍尔电势与位移的关系越接近线性。二、霍尔元件1、材料霍尔元件一般采用具有N型的锗、化钢（InSb）和化钢等半导体单晶材料制成。锑化钢元件：输出较大，但受温度的影响也较大。锗元件：输出虽小，但它的温度性能和线性度却比较好。砷化钢元件：输出信号没有锑化钢元件大，但是受温度的影响比锑化钢的要小，而且线性度也较好，应用较广。在选用霍尔元件时，要根据具体应用场合和要求来选用不同材料的元件。例如：用于一般测量指示仪表中，大多采用锗和砷化钢元件；作为敏感元件时，一般采用锑化钢元件
一、霍尔效应 金属或半导体薄片，若在它的两端通过控制电流 I ，并在薄片的垂直方向 上施加磁感应强度为 B 的磁场，那么在垂直于电流和磁场的方向上将产生电动势 UH ，这种现象称为霍尔效应。 产生的电动势称为霍尔电动势或霍尔电势 UH ，该金属或半导体薄片称为霍 尔元件。 霍尔电势大小表示为： d R IB U H H = RH ——霍尔常数（ ne RH 1 = ） d ——霍尔元件的厚度 令 d R K H H = ，则： UH = KH IB 可见霍尔电动势的大小正比于控制电流 I 和磁感应强度 B 的乘积。 霍尔效应的产生是由于运动电荷受磁场中洛仑磁力作用的结果。 当控制电流的方向或磁场的方向改变时，输出电动势的方向也将改变；但当 磁场与电流的方向同时改变时，霍尔电动势并不改变原来的方向。 磁场的梯度越大测量的灵敏度越高，沿霍尔元件移动方向的磁场梯度越均 匀，霍尔电势与位移的关系越接近线性。 二、霍尔元件 1、材料 霍尔元件一般采用具有 N 型的锗、锑化铟（InSb）和砷化铟等半导体单晶 材料制成。 锑化铟元件：输出较大，但受温度的影响也较大。 锗元件：输出虽小，但它的温度性能和线性度却比较好。 砷化铟元件：输出信号没有锑化铟元件大，但是受温度的影响比锑化铟的 要小，而且线性度也较好，应用较广。 在选用霍尔元件时，要根据具体应用场合和要求来选用不同材料的元件。例 如：用于一般测量指示仪表中，大多采用锗和砷化铟元件；作为敏感元件时，一 般采用锑化铟元件
2、组成霍尔元件是N型半导体制成扁平长方形的磁敏元件，扁平的两对侧面面各引出一对电极，其中一对控制电流极（激励电极），用于引入控制电流（激励电流），另一对霍尔电动势极用于引出霍尔电势。这样，霍尔元件就由霍尔片、电极（引线）和壳体组成。3、符号在电路中，霍尔元件可用两种符号表示，如图所示：/H1其型号是用H代表霍尔元件，后面的字母代表元件的材料，数字代表产品序号。如：HZ-1元件说明是用锗材料制成的霍尔元件。HT-1元件说明是用锑化材料制成的元件。HS-1元件说明是用砷化钢材料制成的霍尔元件。4、电磁特性霍尔元件的电磁特性包括控制电流（直流或交流）与输出之间的关系（U-I特性）；霍尔输出（恒定或交变）与磁场之间的关系（U-B特性）。由UH-I特性知：在磁场和环境温度一定时，霍尔输出电动势Uh与控制电流I之间呈线性关系。由U-B特性知：当控制电流一定时，元件的开路霍尔输出随磁场的增加并不完全呈线性关系，只有当元件工作在0.5wb/m2以下时，线性度才比较好。三、霍尔传感器1、组成霍尔传感器基本上由两部分组成：一部分是弹性（敏感）元件。如弹簧管、膜盒等，用它来感受非电量，并把它转换成微位移。另一部分是霍尔元件和磁路系统。作用是将位移量转换成电势输出。2、特点
2、组成 霍尔元件是 N 型半导体制成扁平长方形的磁敏元件，扁平的两对侧面面各 引出一对电极，其中一对控制电流极（激励电极），用于引入控制电流（激励电 流），另一对霍尔电动势极用于引出霍尔电势。 这样，霍尔元件就由霍尔片、电极（引线）和壳体组成。 3、符号 在电路中，霍尔元件可用两种符号表示，如图所示： 其型号是用 H 代表霍尔元件，后面的字母代表元件的材料，数字代表产品 序号。如： HZ −1 元件说明是用锗材料制成的霍尔元件。 HT −1 元件说明是用锑化铟材料制成的元件。 HS −1 元件说明是用砷化铟材料制成的霍尔元件。 4、电磁特性 霍尔元件的电磁特性包括控制电流（直流或交流）与输出之间的关系 （ U I H − 特性）；霍尔输出（恒定或交变）与磁场之间的关系（ UH − B 特性）。 由 U I H − 特性知：在磁场和环境温度一定时，霍尔输出电动势 UH 与控制 电流 I 之间呈线性关系。 由 UH − B 特性知：当控制电流一定时，元件的开路霍尔输出随磁场的增加 并不完全呈线性关系，只有当元件工作在 2 0.5wb / m 以下时，线性度才比较好。 三、霍尔传感器 1、组成 霍尔传感器基本上由两部分组成： 一部分是弹性（敏感）元件。如弹簧管、膜盒等，用它来感受非电量，并 把它转换成微位移。 另一部分是霍尔元件和磁路系统。作用是将位移量转换成电势输出。 2、特点 H
1）结构简单、体积小、重量轻：2）频带响应宽、动态特性好；3）输入、输出关系简单，且线性好：4）输出电动势的变化范围大：5）无活动部件，使用寿命长。3、应用在测量技术、自动化技术和信息处理等方面有着广泛的应用。1）在电磁测量中，用它测量恒定的或交变的磁感应强度，有功功率、无功功率、相位、电能等参数。2）在非电量测量中，可用它测量微位移及与微位移有关的非电量，如：力、压力、应变、压差、液位、流量、机械振动、加速度、转速等。3）在自动控制与保护、记录仪器和计算装置中，它作为信息的读出与识别等。补充问题1、半导体材料有哪些敏感特性？有哪些相应的元件？1）热敏特性：外界环境温度的变化对半导体材料的电阻有显著影响，温度升高，阻值减小。如热敏电阻。2）光敏特性：半导体材料受光照后，阻值下降，且阻值随光线强弱而变化。如：光敏电阻。3）压敏特性：有的半导体材料如碳化硅等，在所承受的电压升高到某一特定值时，其电阻值会急剧下降。如：压敏电阻。4）力敏特性：当半导体材料在某一方向上承受应力时，它的电阻率会发生显著变化。如：力敏电阻（也叫固态压敏电阻）、半导体应变片、扩散型压敏电阻等。5）磁敏特性：有的半导体材料对磁场的变化较敏感，其阻值随穿过它的磁通密度增大而增大。如：磁敏电阻、崔尔元件、磁敏二极管、磁敏三极管。6）湿敏特性：有的半导体材料吸附水分后会使其电阻率发生变化。如：湿敏电阻。7）气敏特性：有的半导体材料吸附气体后发生氧化或还原反应，使电阻率
1）结构简单、体积小、重量轻； 2）频带响应宽、动态特性好； 3）输入、输出关系简单，且线性好； 4）输出电动势的变化范围大； 5）无活动部件，使用寿命长。 3、应用 在测量技术、自动化技术和信息处理等方面有着广泛的应用。 1）在电磁测量中，用它测量恒定的或交变的磁感应强度，有功功率、无功 功率、相位、电能等参数。 2）在非电量测量中，可用它测量微位移及与微位移有关的非电量，如：力、 压力、应变、压差、液位、流量、机械振动、加速度、转速等。 3）在自动控制与保护、记录仪器和计算装置中，它作为信息的读出与识别 等。 补充问题 1、半导体材料有哪些敏感特性？有哪些相应的元件？ 1）热敏特性：外界环境温度的变化对半导体材料的电阻有显著影响，温度 升高，阻值减小。如热敏电阻。 2）光敏特性：半导体材料受光照后，阻值下降，且阻值随光线强弱而变化。 如：光敏电阻。 3）压敏特性：有的半导体材料如碳化硅等，在所承受的电压升高到某一特 定值时，其电阻值会急剧下降。如：压敏电阻。 4）力敏特性：当半导体材料在某一方向上承受应力时，它的电阻率会发生 显著变化。如：力敏电阻（也叫固态压敏电阻）、半导体应变片、扩散型压敏电 阻等。 5）磁敏特性：有的半导体材料对磁场的变化较敏感，其阻值随穿过它的磁 通密度增大而增大。如：磁敏电阻、霍尔元件、磁敏二极管、磁敏三极管。 6）湿敏特性：有的半导体材料吸附水分后会使其电阻率发生变化。如：湿 敏电阻。 7）气敏特性：有的半导体材料吸附气体后发生氧化或还原反应，使电阻率