霍尔式压力传感器

霍尔式传感器

霍尔式传感器是基于霍尔效应原理而将被测量，如电流、磁场、位移、压力、压差、转速等转换成电动势输出的一种传感器。虽然它的转换率较低，温度影响大，要求转换精度较高时必须进行温度补偿，但霍尔式传感器结构简单，体积小，坚固，频率响应宽（从直流到微波），动态范围（输出电动势的变化）大，无触点，使用寿命长，可靠性高，易于微型化和集成电路化，因此在测量技术、自动化技术和信息处理等方面得到广泛的应用。

一、工作原理与特性

（一）霍尔效应

金属或半导体薄片置于磁场中，当有电流流过时，在垂直于电流和磁场的方向上将产生电动势，这种物理现象称为霍尔效应。

假设薄片为N型半导体，磁感应强度为B的磁场方向垂直于薄片，如图6

所示，在薄片左右两端通以电流I(称为控制电流)，那么半导体中的载流子(电子)将沿着与电流I的相反方向运动。由于外磁场B的作用，使电子受到

图6 霍尔效应原理图

磁场力F L(洛仑兹力)而发生偏转，结果在半导体的后端面上电子有所积累而带负电，前端面则因缺少电子而带正电，在前后端面间形成电场。该电场产生的电场力F E阻止电子继续偏转。当F E与F L相等时，电子积累达到动态平衡。这时，在半导体前后两端面之间(即垂直于电流和磁场的方向)建立电场，称为霍尔电场E H，相应的电势就称为霍尔电势U H。

若电子都以均一的速度v按图示方向运动，那么在B的作用下所受的力F L

＝evB，其中e为电子电荷量，e＝1.602×10-19C。同时，电场E H作用于电子的力F H＝-eE H，式中的负号表示力的方向与电场方向相反。设薄片长、宽、厚分别为l、b、d，则F H＝-eU H/b。当电子积累达到动态平衡时F L＋F H＝0，即vB＝U H/b。而电流密度j=-nev，n为N型半导体中的电子浓度，即单位体积中的电子数，负号表示电子运动速度的方向与电流方向相反。所以I=jbd=-nevbd，即

v=-I/(nebd) 。将v代入上述力平衡式，则得

(5-2)

式中R H��霍尔系数，R H＝-1/ne（m3·C-1），由载流材料物理性质所决定；

k H��灵敏度系数，k H＝R H/d（V·A-1·T-1），它

与载流材料的物理性质和几何尺寸有关，表示在单位

磁感应强度和单位控制电流时的霍尔电势的大小。

如果磁场和薄片法线有α角，那么

（5-3）

具有上述霍尔效应的元件称为霍尔元件。霍尔式传感器就是由霍尔元件所组成。金属材料中自由电子浓度n很高，因此R H很小，使输出U H极小，不宜作霍尔元件。如果是P型半导体，载流子是空穴，若空穴浓度为p，同理可得U H＝

I B/ped。因R H＝ρμ（其中ρ为材料电阻率；μ为载流子迁移率，μ=v/E，即单位电场强度作用下载流子的平均速度），一般电子迁移率大于空穴迁移率，因此霍尔元件多用N型半导体材料。霍尔元件越薄（即d越小），k H就越大，所以通常霍尔元件都较薄。薄膜霍尔元件厚度只有1μm左右。

（二）霍尔元件

霍尔元件的外形如图7a所示，它是由霍尔片、4根引线和壳体组成，如图7b所示。霍尔片是一块矩形半导体单晶薄片（一般为4×2×0.1mm3），在它的长度方向两端面上焊有a、b两根引线，称为控制电流端引线，通常用红色导线。其焊接处称为控制电流极（或称激励电极），要求焊接处接触电阻很小，并呈纯电阻，即欧姆接触（无PN结特性）。在薄片的另两侧端面的中间以点的形式对称地焊有c、d两根霍尔输出引线，通常用绿色导线。其焊接处称为霍尔电极，要求欧姆接触，且电极宽度与基片长度之比要小于0.1，否则影响输出。霍尔元件的壳体是用非导磁金属，陶瓷或环氧树脂封装。

目前最常用的霍尔元件材料是锗（Ge）、硅（Si）、锑化铟（InSb）、砷化铟（InAs）和不同比例亚砷酸铟和磷酸铟组成的In（As y P1-y）型固熔体（其中y 表示百分比）等半导体材料。其中N型锗容易加工制造，其霍尔系数、温度性能和线性度都较好。N型硅的线性度最好，其霍尔系数、温度性能同N型锗，但其电子迁移率比较低，带负载能力较差，通常不用作单个霍尔元件。锑化铟对温度最敏感，尤其在低温范围内温度系数大，但在室温时其霍尔系数较大。砷化铟的霍尔系数较小，温度系数也较小，输出特性线性度好。In（As y P1-y）型固熔体的热稳定性最好。图7c为霍尔元件符号，图d是它的基本电路。

二、霍尔元件的误差及其补偿

由于制造工艺问题以及实际使用时所存在的各种影响霍尔元件性能的因素，如元件安装不合理、环境温度变化等，都会影响霍尔元件的转换精度，带来误差。

（一）霍尔元件的零位误差及其补偿

霍尔元件的零位误差包括不等位电动势、寄生直流电动势等。

1.不等位电动势U0及其补偿

不等位电动势是零位误差中最主要的一种。当霍尔元件在额定控制电流(元件在空气中温升10℃所对应的电流)作用下，不加外磁场时，霍尔输出端之间的空载电势，称为不等位电动势U0。U0产生的原因是由于制造工艺不可能保证将两个霍尔电极对称地焊在霍尔片的两侧，致使两电极点不能完全位于同一等位面上，如图8a所示。此外霍尔片电阻率不均匀或片厚薄不均匀或控制

a) 两电极点不在同一等位面上 b) 等位面歪斜

电流极接触不良都将使等位面歪斜（见图8 b），致使两霍尔电极不在同一等位面上而产生不等位电动势。一般要求U0＜lmV。除了工艺上采取措施降低U0外, 还需采用补偿电路加以补偿。由于霍尔元件可等效为一个四臂电桥，如图

9a所示，因此可在某一桥臂上并上一定电阻而将U0降到最小，甚至为零。图9b 中给出了几种常用的不等位电动势的补偿电路，其中不对称补偿

图9 霍尔元件等效电路和不等位电动势补偿电路

a) 霍尔元件等效电路 b) 几种不等位电动势的补偿电路

简单，而对称补偿温度稳定性好。

2．寄生直流电动势

当霍尔元件通以交流控制电流而不加外磁场时，霍尔输出除了交流不等位电动势外，还有直流电动势分量，称为寄生直流电动势。该电动势是由于元件的两对电极不是完全欧姆接触而形成整流效应，以及两个霍尔电极的焊点大小不等、热容量不同引起温差所产生的。它随时间而变化，导致输出漂移。因此在元件制作和安装时，应尽量使电极欧姆接触，并做到散热均匀，有良好的散热条件。

另外，霍尔电极和激励电极的引线布置不合理，也会产生零位误差，也需予以注意。

（二）霍尔元件的温度误差及其补偿

一般半导体材料的电阻率、迁移率和载流子浓度等都随温度而变化。霍尔元件由半导体材料制成，因此它的性能参数如输入和输出电阻、霍尔常数等也随温

度而变化，致使霍尔电势变化，产生温度误差。为了减小温度误差，除选用温度系数较小的材料如砷化铟外，还可以采用适当的补偿电路。下面简单介绍几种温度误差的补偿方法。

1.采用恒流源供电和输入回路并联电阻

温度变化引起霍尔元件输入电阻变化，在稳压源供电时，使控制电流变化，带来误差。为了减小这种误差，最好采用恒流源（稳定度±0.1％）提供控制电流。但元件的灵敏度系数k H也是温度的函数，因此采用恒流源后仍有温度误差。为了进一步提高U H的温度稳定性，对于具有正温度系数的霍尔元件，可在其输入回路中并联电阻R P，如图10所示。设温度t0时，元件的灵敏度系数为k H0，输入电阻为R i0，而温度上升到t时，它们分别为k Ht、R it。k Ht=k H0[1+α(t- t0)]，R it= R i0[1+β(t- t0)]，其中α为霍尔元件灵敏度温度系数；β为元件的电阻温度系数。由图可知，I=I P +I H，I P R P=I H R i，所以I H=R P I/(R i +R P)。t0时I H0 =R P I/(R i0 + R P)，t时I H t= R P I/(R it+ R P)，因此I H t= R P I/{R i0[1+β(t- t0)]+ R P}。为了使霍尔电势不随温度而变化，必须保证t0和t时的霍尔电势相等，即k H0I H0B＝k Ht I H t B。将有关式代入，则可得

所以(5-4)

霍尔元件的R i0、α和β值均可在产品说明书中查到。通常β>>α，所以式（5-4）可简化为

(5-5)

根据式（5-5）选择输入回路并联电阻R P，可使温度误差减到极小而不影响霍尔元件的其它性能。实际上R P也随温度而变化，但因其温度系数远比β值小，故可以忽略不计。

2．合理选取负载电阻R L的阻值

霍尔元件的输出电阻R o和霍尔电势U H都是温度的函数（设为正温度系数），当霍尔元件接有负载R L（如放大器的输入电阻）时，在R L上的电压为

式中R o0��温度为t0时的霍尔元件输出电阻。

其它符号含义同上。为使负载上的电压不随温度而变化，应使

d U L/d(t-t0)=0，即得

(5-6)

可采用串、并联电阻的方法使上式成立来补偿温度误差。但霍尔元件的灵敏度将会降低。

3．采用恒压源和输入回路串联电阻

当霍尔元件采用稳压电源供电，且霍尔输出开路状态下工作时，可在输入回路中串入适当的电阻来补偿温度误差。其分析过程与结果同式（5-5）。

4．采用温度补偿元件（如热敏电阻、电阻丝等）

这是一种常用的温度误差的补偿方法，尤其适用于锑化铟材料的霍尔元件，图11示出了几种不同连接方式的例子。热敏电阻R t具有负温度系数，

电阻丝具有正温度系数。图a、b、c中霍尔元件材料为锑化铟，其霍尔输出具有负温度系数。图d为用R t补偿霍尔输出具有正温度系数的温度误差。使用时要求这些热敏元件尽量靠近霍尔元件，使它们具有相同的温度变化。

5．霍尔元件不等位电动势U0的温度补偿

U0受温度的影响，可采用如图12所示的桥路补偿法。图中R P用来补偿U0。在霍尔输出端串入温度补偿电桥，R t是热敏电阻。桥路输出随温度变化的

补偿电压与霍尔输出的电压相加作为传感器输出。细心调节，在±40℃范围内补偿效果很好。

应该指出，霍尔元件因通入控制电流I而有温升，且I变动，温升改变，都会影响元件的内阻和霍尔输出。为使温升不超过所需值，必须对霍尔元件的额定控制电流加以限制，尤其在安装元件时要尽量做到散热情况良好，只要有可能应选用面积大些的元件，以降低其温升。

若将硅霍尔元件与放大电路、温度补偿电路等集成在一起制成集成霍尔传感器，则具有性能优良、使用方便、体积小、成本低、输出功率大和输出电压高等优点，是应用最为广泛的集成传感器之一。

三、应用

（一）霍尔式位侈传感器

保持霍尔元件的控制电流恒定，而使霍尔元件在一个均匀梯度的磁场中沿x 方向移动如图13所示。则输出的霍尔电势为

式中k��位移传感器的灵敏度。

霍尔电势的极性表示了元件位移的方向。磁场梯度越大，灵敏度越高；磁

图13 霍尔式位移传感器原理示意图

场梯度越均匀，输出线性度就越好。为了得到均匀的磁场梯度，往往将磁钢的磁极片设计成特殊形状，如图14b所示。这种位移传感器可用来测量±0.5mm的小位移，特别适用于微位移、机械振动等测量。若霍尔元件在均匀磁场内转动，则产生与转角的正弦函数成比例的霍尔电压，因此可用来测量角位移。

（二）霍尔式压力传感器

任何非电量只要能转换成位移量的变化，均可利用霍尔式位移传感器的原理变换成霍尔电势。霍尔式压力传感器就是其中的一种，如图14a所示。它首先由弹性元件（可以是波登管或膜盒）将被测压力变换成位移，由于霍尔元件固定在弹性元件的自由端上，因此弹性元件产生位移时将带动霍尔元件，使它在线性变化的磁场中移动，从而输出霍尔电势。