《机械工程测试技术》课程PPT教学课件（传感器与检测技术）霍耳传感器

子福MM1949UNIVERSI霍耳传感器本章主要学习霍耳传感器的工作原理、霍耳集成电路的特性及其在检测技术中的应用，还涉及磁场测量技术霍耳元件是一种四端元件2025/6/241

2025/6/24 1 霍耳传感器 本章主要学习霍耳传感器 的工作原 理、霍耳集成电路的特性及其在检测技 术中的应用，还涉及磁场测量技术。 霍耳元件是 一种四端元件

牙R福MM1949第一节霍耳传感器的工作原理NIVER霍耳效应导体或半导体薄片置于磁感应强度为B的磁场中,磁场方向垂直于薄片，当有电流流Lin过薄片时，在垂直于电流和磁场的方向上将产生电动势图霍尔效应E，这种现象称为A、B-家尔电极C、D-控制电极霍耳效应。22025/6/24

2025/6/24 2 第一节 霍耳传感器的工作原理 一、霍耳效应 导体或半导体 薄片置于磁感应强 度为B 的磁场中， 磁场方向垂直于薄 片，当有电流I 流 过薄片时，在垂直 于电流和磁场的方 向上将产生电动势 EH，这种现象称为 霍耳效应

+A$M丛1949IUNIVERSITB=0daInVE=0+磁感应强度B为零时的情况32025/6/24

2025/6/24 3 磁感应强度B为零时的情况 c d a b

子福M丛1949磁感应强度B较大时的情况UNIVERSEBo0mEM作用在导体或半导体薄片上的磁场强度B越强，霍耳电势也就越高。霍耳电势E,可用下式表示：EH-K-IB2025/6/24

2025/6/24 4 磁感应强度B 较大时的情况 作用在导体或半导体薄片上的磁场强度B越 强，霍耳电势也就越高。霍耳电势EH可用下式 表示： EH =KH IB

+福霍耳效应演示MM1949UNIVER机械工业出版社http://www.cmpbook.comdEi=0当磁场垂直于薄片时，电子受到洛仑兹力的作用，向内侧偏移，在半导体薄片cd方向的端面之间建立起霍耳电势。52025/6/24

2025/6/24 5 霍耳效应演示 当磁场垂直于薄片时，电子受到洛仑 兹力的作用，向内侧偏移，在半导体薄片c、 d方向的端面之间建立起霍耳电势。 c d a b

子福MM1949ERSI磁场不垂直于霍耳元件时的霍耳电动势若磁感应强度B不垂直于霍耳元件，而是与其法线成某一角度9时，实际上作用于霍耳元件上的有效磁感应强度是其法线方向（与薄片垂直的方向）的分量，即Bcosθ，这时的霍耳电势为Ef=K.IBcos 0结论：霍耳电势与输入电流I、磁感应强度B成正比，且当B的方向改变时，霍耳电势的方向也随之改变。如果所施加的磁场为交变磁场，则霍耳电势为同频率的交变电势62025/6/24

2025/6/24 6 磁场不垂直于霍耳元件时的霍耳电动势 若磁感应强度B不垂直于霍耳元件，而是与其法 线成某一角度 时，实际上作用于霍耳元件上的有效 磁感应强度是其法线方向（与薄片垂直的方向）的分 量，即Bcos，这时的霍耳电势为 E H =KH IBcos 结论：霍耳电势与输入电流I、磁感应强度B成正 比，且当B的方向改变时，霍耳电势的方向也随之改 变。如果所施加的磁场为交变磁场，则霍耳电势为同 频率的交变电势

每个电子受洛仑磁力fm的作用，fm大小为(1)fm =qBv式中：e—电子电荷;V一一电子运动平均速度B一磁场的磁感应强度。当电荷不再向两底面积累，达到动态平衡状态时qEμ=qvB则霍耳电场强度为E=vB（2)若金属导电板单位体积内电子数为n，电子定向运动平均速度为V,则激励电流I=nqvbd，则1(3)V=bdnq将式（3）代入式（2）得IB(4)EHbdnq

每个电子受洛仑磁力fm的作用，fm大小为 fm =qBv （1） 式中: e——电子电荷; v——电子运动平均速度; B—— 当电荷不再向两底面积累, 达到动态平衡状态时, qEH=qvB 则 霍耳电场强度为 EH=vB （2） 若金属导电板单位体积内电子数为n, 电子定向运动平均速度为 v, 则激励电流I=nqvbd, 则 v= （3） 将式（3）代入式（2）得 EH = （4） I bdnq IB bdnq

霍耳电压Ur-Eμb (5)IBU=nqd式中令Rμ=1/（nq），称之为霍耳常数，其大小取决于导体载流子密度，则IB=KHIBUn =RHd式中K.-R/d称为霍耳片的灵敏度

霍耳电压 UH=EHb （5） UH = 式中令RH =1/（nq）, 称之为霍耳常数, 其大小取决于导体 载流子密度，则 UH =RH 式中KH=RH/d称为霍耳片的灵敏度。 K IB d IB = H IB nqd

D-霍耳元件1）材料：用于制造霍尔元件的材料一般采用N型锗（Ge）、锑化铟（InSb）、砷化铟（InAs）等半导体材料制成。N型的锗、砷化钢：用于高精度测量；剃化钢：用于开关量。2）结构：霍尔元件的结构简单，它由霍尔片、引线和壳体组成，霍尔片一般用非磁性金属、陶瓷或环氧树脂封装。除了矩形结构外，还有方形结构和对称十字形结构。这两种结构的电流电极和霍尔电极可以互换使用，因为是对称结构。3）霍尔元件的特性参数92025/6/24

2025/6/24 9 ◼ 1）材料：用于制造霍尔元件的材料一般采用N 型锗（Ge）、锑化铟（InSb）、砷化铟（InAs） 等半导体材料制成。N型的锗、砷化铟:用于高 精度测量；剃化铟：用于开关量。 ◼ 2）结构：霍尔元件的结构简单，它由霍尔片、 引线和壳体组成，霍尔片一般用非磁性金属、 陶瓷或环氧树脂封装。除了矩形结构外，还有 方形结构和对称十字形结构。这两种结构的电 流电极和霍尔电极可以互换使用，因为是对称 结构。 ◼ 3）霍尔元件的特性参数 二、霍耳元件 A D B C

子A表常用国产霍尔元件的技术参数HZ-1 型HZ-2 型HZ-3型HZ-4型HT-2型HT-1型HS-1型符号单位参数名称材料(N型)InSbGe(111)InSbGe(111)Ge(111)Ge(100)InAs电阻率0·cm0.8~1.2Q0.8~1.20.8~1.20.4~0.50.010.003~0.010.003~0.05几何尺寸mm3IXbXd8X4X0.24X2X0.28X4X0.28X4X0.26X3X0.28X4X0.28X4X0.210R输入电阻110±20%110±20%110±20%45±20%0.8±20%0.8±20%1.2±20%0R输出电阻100±20%100±20%100±20%40±20%0.5±20%0.5±20%1±20%mV/KH灵敏度>12>4>12>121±20%1.8±20%1.8±2%(mA·T)a不等位电阻<0. 07<0. 05<0.07<0. 02<0.005<0.005To<0.003U.pV寄生直流电压<150<200<150<100L额定控制电流mA201525502503002002025/6/24

2025/6/24 10 二、霍耳元件