霍尔效应及特性参数

(一) 霍尔效应

金属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，这种现象称为霍尔效应 (Hall Effect)，该电动势称为霍尔电动势 (Hall EMF)，上述半导体薄片称为霍尔元件 (Hall Element)。用霍尔元件做成的传感器称为霍尔传感器 (Hall Transducer)。如图7－14所示。

霍尔属于四端元件: 其中一对 (即a、b端) 称为激励电流端，另外一对 (即c、d端) 称为霍尔电动势输出端，c、d端一般应处于侧面的中点。

由实验可知，流入激励电流端的电流I越大、作用在薄片上的磁场强度B越强，霍尔电动势也就越高。霍尔电动势EH可用下式表示

EH=KHIB (7－3)

式中: KH——霍尔元件的灵敏度。

图7－14 霍尔元件示意图

(a) 霍尔效应原理图 (b) 薄膜型霍尔元件结构示意图 (c) 图形符号 (d) 外形

若磁感应强度B不垂直于霍尔元件，而是与其法线成某一角度θ时，实际上作用于霍尔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，这时的霍尔电动势为

EH=KHIbcosθ (7－4)

从上式可知，霍尔电动势与输入电流I、磁感应强度B成正比，且当B的方向改变时，霍尔电动势的方向也随之改变。如果所施加的磁场为交变磁场，则霍尔电动势为同频率的交变电动势。

目前常用的霍尔元件材料是N型硅，霍尔元件的壳体可用塑料、环氧树脂等制造。封装后的外形如图7－14 (d)。

(二) 特性参数

1. 输入电阻RI

使用恒流源作为激励源，其原因是: 霍尔元件两激励电流端的直流电阻称为输入电阻，它的数值从几十欧到几百欧，视不同型号的元件而定。温度升高，输入电阻变小，从而使输入电流Iab变大，最终引起霍尔电动势变大。使用恒流源可以稳定霍尔原件的激励电流。

2. 最大激励电流Im

激励电流增大，霍尔元件的功耗增大，元件的温度升高，从而引起霍尔电动势的温漂增大，因此每种型号的元件均规定了相应的最大激励电流，它的数值从几毫安至十几毫安。

3. 最大磁感应强度Bm

磁感应强度超过Bm时，霍尔电动势的非线性误差将明显增大，Bm的数值一般小于零点几特斯拉。