01、霍尔式传感器的工作原理

1●霍尔效应

霍尔式传感器的物理基础是霍尔效应。如图1所示，在一块长度为l、宽度为b、厚度为d的长方体导电板上，左、右、前、后侧面都安装上电极。在长度方向上通入电流I，在厚度方向施加磁感应强度为B的磁场。

■ 图1 霍尔效应示意图

导电板中的自由电子沿电流反方向作定向移动，平均速度为v。在磁场的作用下，电子受到洛伦兹力的作用。每个电子受到洛伦兹力fL的大小为

其中，e是一个电子的电荷量，e=1.6×10-19C。根据左手定则，可以判断出洛伦兹力fL的方向由外向里。

电子除了作定向移动外，还在洛伦兹力的作用下向里飘移，结果在导电板的里表面积累了电子，在外表面积累了正电荷，这样，导电板中就形成了附加电场EH，称为霍尔电场。

在霍尔电场的作用下，电子将受到一个与洛仑兹力方向相反的电场力

的作用，这个力阻止电荷的继续积聚。当导电板中电子积累达到动态平衡时，电荷不再增加，电子所受的洛仑兹力和电场力大小相等，即

化简得

这时，在导电板的外表面与里表面就产生电势差，大小为

把公式带入得：

当载流导体或半导体处在与电流垂直的磁场时，在其与电流方向、磁场方向都垂直的两端将产生电位差，这一现象称为霍尔效应，霍尔效应产生的电动势称为霍尔电动势，长方体导电板称为霍尔片。霍尔效应是运动电荷受磁场中洛伦兹力作用的结果，基于霍尔效应的传感器称为霍尔式传感器。

由以上公式可见，霍尔电动势UH与磁感应强度B成线性关系，因此，通过测量UH可以得到B。这就是霍尔传感器的工作原理。

1879年，美国物理学家霍尔（Edwin H. Hall，1855-1938）在研究金属导电机制时发现了霍尔效应，但是，由于金属材料的霍尔效应太弱，霍尔效应没有得到应用。随着半导体技术、材料科学和电子技术的发展，使用半导体材料制作的霍尔片具有明显的霍尔效应，并且出现了高强度的恒定磁体以及工作于小电压输出的信号调节电路，霍尔式传感器迅速发展起来了。霍尔式传感器用于测量电磁、电力、加速度、振动等物理量，应用非常广泛。例如，汽车上就使用了多种霍尔式传感器。

2●霍尔灵敏度

设导电板中自由电子浓度为n，电子定向运动的平均速度为v，则电流的大小为

霍尔片在单位控制电流和单位磁感应强度时产生的霍尔电动势，称为霍尔灵敏度，记为KH，即

代入公式，得

从公式可见，霍尔灵敏度与霍尔片的厚度d成反比，因此，常把霍尔片做成薄片状，其厚度一般为0.1~0.2mm。另外，霍尔灵敏度还与自由电子浓度n成反比。因为金属的自由电子浓度过高，所以，金属不适合用于制作霍尔片。

在使用霍尔传感器进行测量时，常用恒压源提供激励电流，电源电压是一个常量，U=El。设霍尔片材料的迁移率为μ，则电子在电场中的平均迁移速度为v=μE，从而有

结合以上公式可得：

从以上公式可见，霍尔灵敏度与载流子的迁移率µ成正比。因为电子迁移率远大于空穴，所以，常用N型半导体材料制作霍尔片。

3●霍尔元件

霍尔元件的结构如图2所示，由霍尔片、4根引线和壳体组成。在霍尔片长度方向的两侧焊有两根控制电流引线“输入1”和“输入2”，它们在薄片上的焊点称为激励电极。在霍尔片宽度方向的两侧焊有两根输出引线“输出1”和“输出2”，它们在薄片上的焊点称为霍尔电极。霍尔元件的壳体用非导磁金属、陶瓷或环氧树脂封装而成。