传感器与检测技术第08章 霍尔传感器

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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。
z
x
y
I
A D
B
C
B
b
ld
U
H
A、B-霍尔电极 C、D-控制电极
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 U
H
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 E
I
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，
R
H
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)
bB
l
U
U
H
nqbd
I
v
IBK
d
IB
RIB
nqd
U
HHH
1
nq
R
H
1
由式(8-6) 可见，霍尔元件灵敏度K
H
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
(
(8-7)
由式(8-4) 、(8-6) 还可以得到载流体的电阻率ρ与霍尔系数R
H
和载流子迁移率 μ之间
的关系: (8-8)
通过以上分析，可以看出:
1) 霍尔电压 U
H
与材料的性质有关。根据式 (8-8) ，材料的 ρ
、μ
大，R
H
就大。金属的
μ
虽然很大，但
ρ
很小，故不宜做成元件。在半导体材料中，由于电子的迁移率比空穴的
大，且μn>μp，所以霍尔元件一般采用 N型半导体材料。
2) 霍尔电压 U
H
与元件的尺寸有关。
根据式 (8-7) ，d 愈小， KH 愈大，霍尔灵敏度愈高，所以霍尔元件的厚度都比较薄，
但
d
太小，会使元件的输入、输出电阻增加。
从式 (8-4) 中可见，元件的长度比l/b 对U
H
也有影响。前面的公式推导，都是以半导体
内各处载流子作平行直线运动为前提的。这种情况只有在 l/b 很大时，即控制电极对霍尔
电极无影响时才成立，但实际上这是做不到的。由于控制电极对内部产生的霍尔电压有局
部短路作用在两控制电极的中间处测得的霍尔电压最大，离控制电极很近的地方，霍尔电
压下降到接近于零。为了减少短路影响 l/b 要大一些，一般l/b=2。但如果l/b 过大，反
而使输入功耗增加降低元件的输出。
霍尔电压
UH
与控制电流及磁场强度有关。根据式正比于及。当控制电流恒定时愈大
愈大。当磁场改变方向时，也改变方向。同样，当霍尔灵敏度及磁感应强度恒定时，增加
控制电流，也可以提高霍尔电压的输出。
nqd
K
H
1
H
R
8.1.2 霍尔元件
如前所述，霍尔电压 U
H
正比于控制电流和磁感应强度。在实际应用中，总是希望获得较
大的霍尔电压。增加控制电流虽然能提高霍尔电压输出，但控制电流太大，元件的功耗也
增加，从而导致元件的温度升高，甚至可能烧毁元件。
设霍尔元件的输入电阻为Ri，当输入控制电流
I
时，元件的功耗 P
i
为
(8-9)
式中， ρ为霍尔元件的电阻率。
设霍尔元件允许的最大温升为ΔT ，相应的最大允许控制电流为 Icm 时，在单位时间内通
过霍尔元件表面逸散的热量应等于霍尔元件的最大功耗，即
(8-10)
式中，
A
为散热系数W/(m2C) 。上式中的 2lb 表示霍尔片的上、下表面积之和，式中忽
略了通过侧面积逸散的热量。这样，由上式便可得出通过霍尔元件的最大允许控制电流为
(8-11)
将上式及RH=μρ 代入式(8-6) ，得到霍尔元件在最大允许温升下的最大开路霍尔电压，
即： (8-12)
上式说明，在同样磁场强度、相同尺寸和相等功耗下，不同材料元件输出霍尔电压仅仅
取决于，即材料本身的性质。
根据式 (8-12) ，选择霍尔元件的材料时，为提高霍尔灵敏度，要求材料的 RH和μρ1/2 尽
可能地大。
bd
l
IRIP
i
22
TAlb
bd
l
IP
cmm
2
2
/2 TAdbI
cm
dTAbBU
Hm
/2
2
1

霍尔元件的结构与其制造工艺有关。例如，体型霍尔元件是将半导体单晶材料定向切片，
经研磨抛光，然后用蒸发合金法或其它方法制作欧姆接触电极，最后焊上引线并封装。而薄
膜霍尔元件则是在一片极薄的基片上用蒸发或外延的方法做成霍尔片，然后再制作欧姆接触
电极，焊引线最后封装。相对来说，薄膜霍尔元件的厚度比体型霍尔元件小一、二个数量级，
可以与放大电路一起集成在一块很小的晶片上，便于微型化。
8.1.3 温度特性及补偿
8.1.3.1 温度特性
霍尔元件的温度特性是指元件的内阻及输出与温度之间的关系。与一般半导体一样，由于电
阻率、迁移率以及载流子浓度随温度变化，所以霍尔元件的内阻、输出电压等参数也将随温
度而变化。不同材料的内阻及霍尔电压与温度的关系曲线见图 8.1.2 和8.1.3 所示。
0 20 40 60 80 100-20-40
10
0
20
0
30
0
t(℃ )
R
t
/R0(%)
0 20 40 60 80 100- 20
-40
10
0
20
0
30
0
t (℃ )
UH
t
/UH0(%)
Si (1)
Si (2)
Ge( Hz-4 )
Ge (Hz-2)
InAs
InSb
-1
-3
InSb
InAs
Ge (Hz - 1、2、3)
Si
图 8.1.2 霍尔内阻与温度的关系曲线 图 8.1.3 霍尔
电压与温度的关系曲线
图中，内阻和霍尔电压都用相对比率表示。我们把温度每变化 1℃ 时，霍尔元件输入电
阻或输出电阻的相对变化率称为内阻温度系数，用 β表示。把温度每变化 1℃ 时，霍尔电
压的相对变化率称为霍尔电压温度系数，用 α表示。
可以看出：砷化铟的内阻温度系数最小，其次是锗和硅，锑化铟最大。除了锑化铟的内
阻温度系数为负之外，其余均为正温度系数。
霍尔电压的温度系数硅最小，且在温度范围内是正值，其次是砷化铟，它是值在左右温
度下由正变负；再次是锗，而锑化铟的值最大且为负数，在低温下其霍尔电压将是的霍尔
电压的 3倍，到了高温，霍尔电压降为时的 15% 。
8.1.3.2 温度补偿
霍尔元件温度补偿的方法很多，下面介绍两种常用的方法.
1）利用输入回路的串联电阻进行补偿。图 8.1.4a 是输入补偿的基本线路，图中的四端元
件是霍尔元件的符号。两个输入端串联补偿电阻R并接恒电源，输出端开路。根据温度特
性，元件霍尔系数和输入内阻与温度之间的关系式为
RHt=RH0(1+αt) Rit=Ri0(1+βt)
式中，
RHt
为温度为
ｔ
时霍尔系数；
RH0
为0℃时的霍尔系数；
Rit
为温度为
ｔ
时的输入电
阻；
Ri0
为0℃时的输入电阻；
α
为霍尔电压的温度系数,
β
为输入电阻的温度系数。当
温度变化
Δt
时，其增量为 :
ΔRH
=
RH0
αΔt ΔRi
=
Ri0
βΔt
.
根据式 (8-6) 中及 I=E/(R+Ri)，可得出霍尔电压随温度变化的关系式为
对上式求温度的导数，可得增量表达式 (8-1
3)
it
Ht
HH
RR
E
B
d
R
RU
t
RR
R
UU
i
i
HH
)(
0
0
0
摘要：

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...

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