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* 第8章 霍尔传感器 霍尔元件是一种基于霍尔效应的磁传感器，已发展成一个品种多样的磁传感器产品族，并已得到广泛的应用。霍尔器件是一种磁传感器。用它们可以检测磁场及其变化，可在各种与磁场有关的场合中使用。霍尔器件以霍尔效应为其工作基础。 霍尔器件具有许多优点，它们的结构牢固，体积小，重量轻，寿命长，安装方便，功耗小，频率高（可达1MHZ），耐震动，不怕灰尘、油污、水汽及盐雾等的污染或腐蚀。 霍尔线性器件的精度高、线性度好；霍尔开关器件无触点、无磨损、输出波形清晰、无抖动、无回跳、位置重复精度高（可达μm级）。采用了各种补偿和保护措施的霍尔器件的工作温度范围宽，可达.55℃～150℃。 按照霍尔器件的功能可将它们分为: 霍尔线性器件和霍尔开关器件。前者输出模拟量，后者输出数字量。 按被检测的对象的性质可将它们的应用分为:直接应用和间接应用。前者是直接检测出被检测对象本身的磁场或磁特性，后者是检测被检对象上人为设置的磁场，用这个磁场作为被检测的信息的载体，通过它，将许多非电、非磁的物理量例如力、力矩、压力、应力、位置、位移、速度、加速度、角度、角速度、转数、转速以及工作状态发生变化的时间等，转换成电量来进行检测和控制。 8.1 霍尔效应与霍尔元件 8.1.1 霍尔效应 在置于磁场的导体或半导体中通入电流，若电流与磁场垂直，则在与磁场和电流都垂直的方向上会出现一个电势差，这种现象就是霍尔效应，是由科学家爱德文·霍尔在1879年发现的。产生的电势差称为霍尔电压。利用霍尔效应制成的元件称为霍尔传感器。见图8.1.1，半导体材料的长、宽、厚分别为l、ｂ和ｄ。在与ｘ轴相垂直的两个端面ｃ和ｄ上做两个金属电极，称为控制电极。在控制电极上外加一电压ｕ，材料中便形成一个沿ｘ方向流动的电流Ｉ，称为控制电流。 设图中的材料是Ｎ型半导体，导电的载流子是电子。在ｚ轴方向的磁场作用下，电子将受到一个沿ｙ轴负方向力的作用，这个力就是洛仑兹力。洛仑兹力用Fｌ表示，大小为： FL=qvB (8-1) 式中，q为载流子电荷；ｖ为载流子的运动速度；Ｂ为磁感应强度。 图8.1.1 霍尔效应 在洛仑兹力的作用下，电子向一侧偏转，使该侧形成负电荷的积累，另一侧则形成正电荷的积累。这样，A、B两端面因电荷积累而建立了一个电场Ｅｈ，称为霍尔电场。该电场对电子的作用力与洛仑兹力的方向相反，即阻止电荷的继续积累。当电场力与洛仑兹力相等时，达到动态平衡，这时有 qEh=qvB 霍尔电场的强度为 Eh=vB (8-2) 在A与B两点间建立的电势差称为霍尔电压，用UH表示 UH= Ehb= vBb (8-3) 　　由式(8-3)可见，霍尔电压的大小决定于载流体中电子的运动速度，它随载流体材料的不同而不同。材料中电子在电场作用下运动速度的大小常用载流子迁移率来表征，所谓载流子迁移率，是指在单位电场强度作用下，载流子的平均速度值。载流子迁移率用符号μ表示，μ=v/EI。其中EI是C、D两端面之间的电场强度。它是由外加电压U产生的，即EI＝U/L。因此我们可以把电子运动速度表示为v=μU/l。这时式(8-3)可改写为: (8-4) 当材料中的电子浓度为n时，有如下关系式: I=nqbdv 即 (8-5) 将式（8-5）代入式（8-3），得到 (8-6) 式中， RH为霍尔系数，它反映材料霍尔效应的强弱，　 ；KH　为霍尔灵敏度，它表示一个霍尔元件在单位控制电流和单位磁感应强度时产生的霍尔电压的大小，KH=RH/d，它的单位是mV/(mA·T) 由式(8-6)可见，霍尔元件灵敏度KH是在单位磁感应强度和单位激励电流作用下，霍尔元件输出的霍尔电压值，它不仅决定于载流体材料，而且取决于它的几何尺寸