《传感原理与检测技术》课程教学课件（PPT讲稿）第9章 磁敏传感器 §9.1 霍尔传感器

1第9章磁敏传感器用于测量磁场、实现磁电转换的元件。·霍尔元件·磁敏电阻结型磁敏晶体管等2009-10ZUST spruan@126.com

2009-10 ZUST spruan@126.com 1 1第9章 磁敏传感器 用于测量磁场、实现磁电转换的元件。 •霍尔元件 •磁敏电阻 •结型磁敏晶体管等

89.1霍尔传感器1879年E.H.Hall首次发现了霍尔效应，20世纪50年代后大量应用·体积小；特点：·灵敏度高；·线性好；·耐高温。·稳定性好；目前常用的霍耳材料锗（Ge）、硅（Si）、锑化铟（InSb）砷化铟（InAs）等。N型锗容易加工制造，霍耳系数、温度性能、线性度较好；P型硅的线性度最好，霍耳系数、温度性能同N型锗，但电子迁移率较低，带负载能力差，通常不作单个霍耳元件2009-102ZUSTspruan@126.com

2009-10 ZUST spruan@126.com 2 §9.1 霍尔传感器 1879年E.H.Hall首次发现了霍尔效应，20世 纪50年代后大量应用。 特点： •灵敏度高； •线性好； •稳定性好； •体积小； •耐高温。 目前常用的霍耳材料锗（Ge）、硅（Si）、锑化铟（InSb）、 砷化铟（InAs）等 。N型锗容易加工制造，霍耳系数、温度性能、 线性度较好；P型硅的线性度最好，霍耳系数、温度性能同N型 锗，但电子迁移率较低，带负载能力差，通常不作单个霍耳元件

霍尔效应9.1.1通有电流的半导体或导体放入磁场后，运动的载流子受Lorentz磁场力f,的作用：f=qV×Bfi=-evB下图为载流子为电子时,电子向下偏转,并在下侧积累.上侧形成带正电荷的区域.产生一个电场一霍尔电场EH如果再有电子流入该区所受的电场力为fe=eEH=eUH/b公士士十最终有:fL=fEAevB=-eUμ/b2009-10ZU:

2009-10 ZUST spruan@126.com 3 9.1.1 霍尔效应 通有电流I的半导体或导体放入磁场后,运动 的载流子受Lorentz磁场力fL的作用: f L = qV  B 下图为载流子为电子时,电子向下偏转,并在下侧积累.上 侧形成带正电荷的区域.产生一个电场—霍尔电场EH. 如果再有电子流入该区:所受的电场力为: fE =eEH=eUH/b fL =-evB 最终有: fL=fE evB=-eUH/b

电流密度为:J=-nevH电流为:I=-nevbd可得IBIBUHRKμIB霍尔电压与载流子运动Hned速度有关！Q其中·R=1/ne----霍尔系数K=R/d=1/ned----霍尔元件的灵敏度固体物理中定义载流子的迁移率u=v/E,其中E为电流方向上的电场强度。电阻率：p=l/ne μ,则可得：R = pul霍尔元件要电阻率p和迁移率u都大。金属和绝缘体不适合。4ZUSTspruan@126.com

2009-10 ZUST spruan@126.com 4 电流密度为:J=-nev 电流为:I=-nevbd 可得: K IB d IB R ned IB UH = = H = H 其中:RH=1/ne-霍尔系数; KH=RH/d=1/ned-霍尔元件的灵敏度 霍尔电压与载流子运动 速度有关! 固体物理中定义载流子的迁移率μ=v/E1 ,其中E1 为电流方向上的电场强度。电阻率：ρ=1/ne μ,则 可得： RH =  霍尔元件要电阻率ρ和迁移率μ都大。金属和绝 缘体不适合

半导体适合做霍尔元件：表 9-1 霍尔元件的材料特性迁移率μcm2-s)霍尔系数RH禁带宽度E，材料尔系数温度特性电子空穴(/C)lev(%/C)Gel3600180042500.600.01Ge23600180012000.800.01Si150042522501.110.11InAs280002005700.36-0.1InSb750007503800.18-2.0GaAs100004.5017001.400.02般取d=0.1mm,当1/b减小时，将会使U下降。需要加以形状效应修正：IBIBUH= RHUμ=Rf(l/ b)d表 9-2形状效应系数1/b0.51.01.52.02.53.04.052009-10f(1/b)0.3700.6750.8410.9280.9670.984 0.996

2009-10 ZUST spruan@126.com 5 半导体适合做霍尔元件： 一般取d=0.1mm,当l/b减小时，将会使UH下 降。需要加以形状效应修正： d IB UH = RH f (l / b) d IB UH = RH

霍尔元件主要技术参数9.1.21.输入电阻R,和输出电阻RoR:控制电流极间电阻：Ro:霍尔电压极间电阻。R,略大于Ro；100~2000ohm2.额定控制电流Ic10°mA~10'mA，限定温升10℃3.灵敏度Kh在单位B、通以单位I时产生的开路霍尔电压以及：霍尔电势温度系数，不等位电势和不等位电阻.寄生直6流电势：电阻温度系数，灵敏度温度系数.线性度

2009-10 ZUST spruan@126.com 6 9.1.2 霍尔元件主要技术参数 1.输入电阻Ri和输出电阻RO： I Ri :控制电流极间电阻； RO :霍尔电压极间电阻。 Ri略大于RO, ; 100~2000 ohm 2.额定控制电流IC： 100mA~101mA, 限定温升10℃ 3.灵敏度KH： 在单位B、通以单位I时产生的开路霍尔电压。 以及：霍尔电势温度系数,不等位电势和不等位电阻,寄生直 流电势,电阻温度系数,灵敏度温度系数,线性度

表9.3几种霍尔元件的主要性能参数控制空载置输入输出不等位UH的电阻摄度灵敏度材料电流尔电压电租电阻电势系数温度系数符号I.UHR;R.U.KHAR单位mA0mV(B=0.1T)nmV/mA·Tmv% / C%/C型号EA218100>8.5约3约1.5>0.3513约6.5约2.4>0.7554030>2.50.02一Ge-110±100±15 ±20HZ-1D.10.50.03Ge20%20%21%200-20 ~200~1~56SH10.40.3GaAs10001000150170~5~10小于输人10~200.80.4Si350240-50~50~-0.1---0.1~5KH400A10InSbSS0110011001.31.3

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霍尔元件的应用电路9.1.21.基本应用电路控制电流为Ic，负载为RL：Ic =E/(R +R+R)则：R +R=(E-IcR)/IEHG12VUa如: Ic=5mA, R=200 ohm,RLE=12V，可得：ReR +R =2200QR;=2002R不稳定,要使Ic稳定,R+R.要足够大,或采取补偿措施！ZUsTspruan@126.com2009-108

2009-10 ZUST spruan@126.com 8 9.1.2 霍尔元件的应用电路 控制电流为IC，负载为RL： /( ) C E RA RB Ri I = + + 则： A B C i C R + R = (E − I R )/ I 如：IC=5mA, Ri=200 ohm, E=12V，可得： RA + RB = 2200  Ri不稳定,要使IC稳定,RA+RB要足够大,或采取补偿措施！

REEHGHGE48HGC1嘉UnU.HUH0O(a)(b)(c)图 9-6霍尔元件偏置电路2009-109ZUST spruan@126.com

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2.霍尔元件的驱动方式元件的输入电阻R随B的增加而加大！TL071+284+1 V+TL0718aU.-1V+1Vr+THa4UA41.=5mA2002OT(b)(a)图9-7霍尔元件的驱动方式(a）恒流驱动（b）恒压驱动适合：InSb适合：GaAs,Ge102009-10ZUSTspruan@126.com

2009-10 ZUST spruan@126.com 10 2.霍尔元件的驱动方式 元件的输入电阻Ri随B的增加而加大！ 适合：GaAs,Ge 适合：InSb