·144- 传感器技术设计与应用 激场零电势。 (@)自激场的产生 ()实际应用元件的自激场 图913元件自激场电势示意图 9.1.3.3霍尔元件的温度特性及补偿方法 霍尔元件与一般半导体器件一样，对温度的变化是很敏感的。这是因为半导体材料 的电阻率、迁移率和载流子浓度等随温度变化的缘故。因此，霍尔元件的性能参数，如 内阻、霍尔电动势等也随温度变化. (1)温度对内阻影响 内阻定义：霍尔元件控制电流两端之间的输入电阻和霍尔电势两输入端的输出电 阻。霍尔元件的材料不同，内阻与温度的关系不同，内阻与温度的关系如图914所示。 1% 尽% 300 160F \HZ4 140 p=0.40.cm Ge(HZ-4) 120 H7-1.2.3 -InAs p =122.cm 6Hz-1,23) 100 ℃ -20020406080100 (a)各种材料的内阻 b)H2型元件的内阻
·144· 激场零电势。 图 9-13 元件自激场电势示意图 9.1.3.3 霍尔元件的温度特性及补偿方法 霍尔元件与一般半导体器件一样，对温度的变化是很敏感的。这是因为半导体材料 的电阻率、迁移率和载流子浓度等随温度变化的缘故。因此，霍尔元件的性能参数，如 内阻、霍尔电动势等也随温度变化。 （1）温度对内阻影响 内阻定义：霍尔元件控制电流两端之间的输入电阻和霍尔电势两输入端的输出电 阻。霍尔元件的材料不同，内阻与温度的关系不同，内阻与温度的关系如图 9-14 所示
第9章常用半导体传感器 ·145 图9-14内阻与温度的关系 从图9-14()中可以看出锑化铟温度最敏感，其温度系数最大，低温范围内尤其 明显，其次是硅，碑化铟的温度系数最小。图9-14(b)中比较了H忆-1,23和HZ.4型 元件内阻与温度的关系。HZ-1,2,3三种元件的温度系数在80℃左右开始由正变负，而 H2-4在120C左右开始由正变负。 （2)温度对霍尔输出的影响 图9-15给出了各种材料的霍尔输出随温度变化的情况。从图915(a)中可以看出 锑化铟变化最明显；硅的霍尔电势温度系数最小；其次是砷化铟和锗。H☑型元件的霍 尔输出电势与温度关系如图9-15(b)所示。当温度在50℃左右时，HZ1,2,3输出的温 度系数由正变负，而H忆-4则在80℃左右由正变负。此转折点的温度称为元件的临界温 度。考虑到元件工作时的温升，工作温度还适当降低。 00 104 HZ4 200 102 Hz1.23 100 981 020020400010 020406080 (a)各种材料 (b)H型元件的内阳 图915霍尔电势与温度的关系 (3)温度补偿
9 ·145· 图 9-14 内阻与温度的关系 从图 9-14（a）中可以看出锑化铟温度最敏感，其温度系数最大，低温范围内尤其 明显，其次是硅，砷化铟的温度系数最小。图 9-14（b）中比较了 HZ-1,2,3 和 HZ-4 型 元件内阻与温度的关系。HZ-1,2,3 三种元件的温度系数在 80℃左右开始由正变负，而 HZ-4 在 120℃左右开始由正变负。 （2）温度对霍尔输出的影响 图 9-15 给出了各种材料的霍尔输出随温度变化的情况。从图 9-15（a）中可以看出 锑化铟变化最明显；硅的霍尔电势温度系数最小；其次是砷化铟和锗。HZ 型元件的霍 尔输出电势与温度关系如图 9-15（b）所示。当温度在 50℃左右时，HZ-1,2,3 输出的温 度系数由正变负，而 HZ-4 则在 80℃左右由正变负。此转折点的温度称为元件的临界温 度。考虑到元件工作时的温升，工作温度还适当降低。 图 9-15 霍尔电势与温度的关系 （3）温度补偿
·146. 传感器技术设计与应用 为了减小霍尔的温度误差，除选用温度系 R 数较小的元件（如碑化铟）或采用恒温措施外 用恒流源供电往往可以得到明显的效果。恒流 图916温度补偿线路 源供电的作用是减小元件内阻随温度变化而引 起的控制电流的变化。但采用恒流源供电还不能完全解决霍尔电势的稳定问题，因此， 还必须结合其他补偿电路.图9-16所示是一种既简单又有较好的补偿效果的补偿线路。 在该线路中，控制电流极并联一个合适的补偿电阻0，这个电阻起分流作用。当温度升 高时，霍尔元件的内阻迅速增加，所以通过元件的电流减小，而通过补偿电阻的电流 却增加，这样利用元件内阻的温度特性和一个补偿电阻就能自动调节通过霍尔元件的电 流大小，从而起到补偿作用。 9.1.4霍尔传感器的应用 9.1.4.1霍尔元件的迭加联接 为获得较大的霍尔电势输出，提高霍尔输出灵敏度，采用输出迭加的联接方式，图 917为霍尔元件输出的迭加连接图。 (1)直接供电 直流供电时霍尔元件输出的迭加连接图控制电流并联，如图917(a)所示，R、 R为可调电阻，调R1、R使两元件输出相等，c、d为输出端输出为单元件2倍
·146· 为了减小霍尔的温度误差，除选用温度系 数较小的元件（如砷化铟）或采用恒温措施外， 用恒流源供电往往可以得到明显的效果。恒流 源供电的作用是减小元件内阻随温度变化而引 起的控制电流的变化。但采用恒流源供电还不能完全解决霍尔电势的稳定问题，因此， 还必须结合其他补偿电路。图 9-16 所示是一种既简单，又有较好的补偿效果的补偿线路。 在该线路中，控制电流极并联一个合适的补偿电阻 r0，这个电阻起分流作用。当温度升 高时，霍尔元件的内阻迅速增加，所以通过元件的电流减小，而通过补偿电阻 r0 的电流 却增加，这样利用元件内阻的温度特性和一个补偿电阻就能自动调节通过霍尔元件的电 流大小，从而起到补偿作用。 9.1.4.1 霍尔元件的迭加联接 为获得较大的霍尔电势输出，提高霍尔输出灵敏度，采用输出迭加的联接方式，图 9-17 为霍尔元件输出的迭加连接图。 （1）直接供电 直流供电时霍尔元件输出的迭加连接图控制电流并联，如图 9-17（a）所示，R1、 R2 为可调电阻，调 R1、R2 使两元件输出相等，c、d 为输出端输出为单元件 2 倍。 图 9-16 温度补偿线路
第9章常用半导体传感器 ·147 (2)交流供电 控制电流串联，如图9-17(b)所示，各元件输出端接至输出电压器各初级绕阻 变压器的次级便得到霍尔输出信号的迭加性。 (a)直流供电 (b)交流供电 图917霍尔元件输出的迭加连接 9.1.4.2霍尔传感器的应用范围 （1)当控制电流不变时，传感器处于非均匀磁场中，传感器的输出正比于磁感应强 度，如：测磁场、位移、转速、加速度等。 (2)磁场不变时、传感器输出值正比于控制电流值。所以，凡是转换成电流变 化的各量，均能被测量。 (3)传感器输出值正比于磁感应强度和控制电流之积，可用于乘法、功率等方面的 计算和测量， 9.1.4.3霍尔传感器应用举例
9 ·147· （2）交流供电 控制电流串联，如图 9-17（b）所示，各元件输出端接至输出电压器各初级绕阻， 变压器的次级便得到霍尔输出信号的迭加性。 图 9-17 霍尔元件输出的迭加连接 9.1.4.2 霍尔传感器的应用范围 （1）当控制电流不变时，传感器处于非均匀磁场中，传感器的输出正比于磁感应强 度，如：测磁场、位移、转速、加速度等。 （2）磁场不变时、传感器输出值正比于控制电流值。所以，凡是转换成电流变 化的各量，均能被测量。 （3）传感器输出值正比于磁感应强度和控制电流之积，可用于乘法、功率等方面的 计算和测量。 9.1.4.3 霍尔传感器应用举例
·148. 传感器技术设计与应用 (1)位移的测量 图9-18()是霍尔位移传感器的磁路结构示意图。在极性相反、磁场强度相同的 两个磁钢的气隙中放置一块霍尔片，当霍尔片元件的控制电流1不变时，霍尔电势U 与磁感应温度成正此比若磁场在一定范围内沿：方向的变化桃度尝为一常数，如图9,1》 (b),则当霍尔元件沿x方向移动时，霍尔电势的变化为 众 (9-7) 式中，k为位移传感器输出灵敏度。将式(97)积分后便得 Un=Kx (9-8) (a）传感器磁路结构示愈图 (b）磁场变化 图918霍尔位移传感器的磁路结构示意图 由式(9-8)可知，霍尔电势与位移量x成线性关系，霍尔电势的极性反应了元件位
·148· （1）位移的测量 图 9-18（a）是霍尔位移传感器的磁路结构示意图。在极性相反、磁场强度相同的 两个磁钢的气隙中放置一块霍尔片，当霍尔片元件的控制电流 I 不变时，霍尔电势 UH 与磁感应强度成正比。若磁场在一定范围内沿 x 方向的变化梯度 dB dx 为一常数，如图 9-18 （b），则当霍尔元件沿 x 方向移动时，霍尔电势的变化为 K dx dB K I dx dU H H = = （9-7） 式中， k 为位移传感器输出灵敏度。将式（9-7）积分后便得 U Kx H = （9-8） 图 9-18 霍尔位移传感器的磁路结构示意图 由式（9-8）可知，霍尔电势与位移量 x 成线性关系，霍尔电势的极性反应了元件位