《传感器及应用》霍尔式传感器的工作原理、结构和基本参数（举一反三考点练）- 讲义

举一反三考点练 《传感器及应用》霍尔式传感器的工作原理、结构和基本参数-讲义 知识点一 霍尔元件的工作原理 如图1所示， 一块长l、宽 b、厚d的半导体，在外加磁场B作用下，当有电流I流过时，运动电子受洛仑兹力的作用而偏向一侧（图中“-”侧），使该侧形成电子的积累，与它对立的侧面由于减少了电子浓度，出现了正电荷。 图1 霍尔效应原理图 霍尔效应：在两侧面间形成了一个电场。运动电子在受洛仑兹力的同时，又受电场力的作用，最后当这两作用力相等时，电子的积累达到动态平衡，这时两侧之间建立电场，称霍尔电场EH，相应的电压称霍尔电压UH。经分析推导，霍尔电压UH为： 式中：n—— 半导体单位体积中的载流子数； e——电子电量； K—— 霍尔元件灵敏度，KH=1/(ned)。 根据霍尔效应原理做成的器件叫做霍尔元件。 霍尔元件一般采用具有N型的锗、锑化铟和砷化铟等半导体单晶材料制成。锑化铟元件的输出较大，但受温度的影响也较大。锗元件的输出虽小，但它的温度性能和线性度却比较好。砷化铟元件的输出信号没有锑化铟元件大，但受温度的影响却比锑化铟的要小，而且线性度也较好。因此，采用砷化铟为霍尔元件的材料得到普遍应用。 霍尔元件是基于（ ）效应工作的 A. 热电 B. 压电 C. 霍尔 D. 光电 【答案】C 【解析】霍尔元件是利用霍尔效应制成的，当电流垂直于外磁场通过半导体时，载流子发生偏转，在垂直于电流和磁场的方向上会产生一附加电场，从而在半导体的两端产生电势差，这一现象就是霍尔效应。 1. 霍尔元件中的载流子在磁场中受到的力是（ ） A. 库仑力 B. 洛伦兹力 C. 安培力 D. 电场力 【答案】B 【解析】霍尔元件中载流子在磁场中运动，会受到洛伦兹力的作用，其大小为（F = qvB），方向由左手定则判定，正是由于洛伦兹力使载流子发生偏转，从而产生霍尔电势差。 2. 对于霍尔元件，当磁场方向与电流方向垂直时，产生的霍尔电势差（ ） A. 最大 B. 最小 C. 为零 D. 不确定 【答案】A 【解析】根据霍尔效应公式（其中是磁场与电流方向的夹角），当时，= 1，此时霍尔电势差UH达到最大。 3. 若霍尔元件的灵敏度KH一定，当通过的电流I增大一倍，磁场强度B不变时，霍尔电势差UH（ ） A. 减小一倍 B. 增大一倍 C. 增大两倍 D. 不变 【答案】B 【解析】 由可知，当KH和B不变，I增大一倍时，UH也增大一倍。 1. 霍尔元件一般采用半导体材料而不是金属材料，主要原因是（ ） A. 半导体材料便宜 B. 半导体材料的霍尔系数大 C. 半导体材料易于加工 D. 金属材料没有霍尔效应 【答案】B 【解析】半导体材料的载流子浓度相对较低，在相同的电流和磁场条件下，相比于金属材料，半导体材料能产生更大的霍尔电势差，即其霍尔系数大，测量更明显，所以一般采用半导体材料制作霍尔元件。 2. 当霍尔元件所处的磁场发生变化时，以下说法正确的是（ ） A. 霍尔电势差不变 B. 霍尔元件的电阻发生变化 C. 霍尔电势差随磁场线性变化 D. 霍尔元件的电流发生变化 【答案】C 【解析】由UH=KHIB可知，在KH和I一定时，霍尔电势差UH与磁场强度B成正比，所以霍尔电势差随磁场线性变化。 3. 以下哪种因素不会影响霍尔元件的测量精度（ ） A. 温度 B. 元件的尺寸 C. 外磁场的均匀性 D. 测量电路的噪声 【答案】B 【解析】温度会影响半导体材料的载流子浓度等特性，从而影响霍尔元件性能；外磁场不均匀会使测量的磁场值不准确；测量电路噪声会干扰测量信号。而元件尺寸在合理设计范围内，一般不会直接影响测量精度，它主要影响元件的灵敏度等参数，但不是影响测量精度的关键因素。 · 霍尔效应基于霍尔效应，磁场作用于载流导体时产生横向电位差。 · 霍尔元件通常由半导体材料制成。 · 霍尔元件将外部磁场转换为电信号，实现磁场测量。 知识点二 霍尔元件的结构 1、 结构特点： 霍尔元件是一种半导体四端薄片，它由霍尔片、引线和壳体组成。 霍尔片的相对两侧对称地焊上两对电极引出线，如图2-a所示。其中一对（即a、b 端）称为激励电流端，另外一对（即c、d端）称为霍尔电势输出端，引线焊接处要求接触电阻小，而且呈现纯电阻性质（欧姆接触）。霍尔片一般用非磁性金属、陶瓷或环氧树脂封装。 图2 霍尔元件 2、 基本电路： 霍尔元件的基本电路如图3所示。 控制电流由电源E供给，Rp为调节电阻，调节控制电流的大小。霍尔输出端接负载Rf，Rf可以是一般电阻，也可以是放大器的输入电阻或指示器内阻。在磁场与控制电流的作用下，负载上就有电压输出。在实际使用时，I或B或两者同时作为信号输入，而输出信号则正比于I或B或两者乘积。 由于建立霍尔效应所需的时间很短（约10-12~10-14s），因此控制电流为交流时，频率可以很高（几千兆赫）。 图3 霍尔元件的基本电路 霍尔元件通常由以下哪几部分组成（ ） A. 半导体薄片、电极 B. 金属薄片、电极 C. 陶瓷薄片、电极 D. 塑料薄片、电极 【答案】A 【解析】霍尔元件一般是由半导体薄片制成，在半导体薄片的两端及两侧分别制作有电极，用于通入电流和引出霍尔电势差，所以主要由半导体薄片和电极组成。 1. 霍尔元件的四个电极中，用于通入工作电流的是（ ） A. 一对相对的电极 B. 一对相邻的电极 C. 任意两个电极 D. 三个电极 【答案】A 【解析】霍尔元件有四个电极，通常一对相对的电极用于通入工作电流，另一对相对的电极用于测量霍尔电势差。 2. 霍尔元件基本测量电路中，通常需要接入（ ） A. 电感 B. 电容 C. 电阻 D. 二极管 【答案】C 【解析】在霍尔元件基本测量电路中，通常需要接入电阻，一方面可以用于调节电路中的电流大小，另一方面可以与霍尔元件组成分压电路等，便于测量霍尔电势差。 3. 为了提高霍尔元件测量的灵敏度，在电路中常采用（ ） A. 多谐振荡电路 B. 积分电路 C. 微分电路 D. 差分放大电路 【答案】D 【解析】差分放大电路可以有效地放大霍尔元件输出的微弱信号，同时抑制共模信号，提高测量的灵敏度和抗干扰能力，所以常被用于霍尔元件测量电路中。 1. 霍尔元件的电极材料一般选用（ ） A. 铜 B. 铝 C. 金 D. 以上都有可能 【答案】D 【解析】霍尔元件的电极材料需要具有良好的导电性和与半导体材料的良好接触性能，铜、铝、金等金属都具有这些特性，都可以作为电极材料。 2. 霍尔元件基本电路中，如果电源电压不稳定，会导致（ ） A. 霍尔元件损坏 B. 霍尔电势差不稳定 C. 电路短路 D. 电路断路 【答案】B 【解析】霍尔元件的工作电流与电源电压有关，电源电压不稳定会导致工作电流不稳定，根据霍尔效应公式UH = KHIB，电流I不稳定会使霍尔电势差UH不稳定。 3. 霍尔元件的半导体薄片通常采用（ ）型半导体 A. N型 B. P型 C. 既可以是N型也可以是P型 D. 以上都不对 【答案】C 【解析】霍尔元件的半导体薄片既可以采用N型半导体，也可以采用P型半导体，N型半导体电子迁移率高，P型半导体空穴迁移率相对较低，但都能利用霍尔效应工作。 · 由霍尔片、引线和壳体组成，霍尔片是核心部分。 · 有控制电流端引线和霍尔输出端引线。 · 壳体采用非导磁金属、陶瓷或环氧树脂封装。 · 控制电流由电源供给，霍尔输出端接负载，实现电压输出 知识点三 霍尔元件的基本参数 1． 输入电阻Ri： 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，从而使输入电流变大，最终引起霍尔电势变化。为了减少这种影响，最好采用恒流源作为激励源。 2． 输出电阻Ro： 两个霍尔电势输出端之间的电阻称为输出电阻。它的数值与输入电阻属同一数量级，并也随温度改变而改变。选择适当的负载电阻RL与之匹配，可以使由温度引起的霍尔电势的漂移减至最小。 3． 最大激励电流IM： 由于霍尔电势随激励电流增大而增大，故在应用中总希望选用较 大的激励电流。但激励电流增大，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几百毫安。 4． 灵敏度KH： KH =UH/(IB)，它的数值约为10 mV/(mA·T)。 5． 最大磁感应强度BM： 磁感应强度为BM时，霍尔电势的非线性误差将明显增大，BM的数值一般为零点几特斯拉。 6． 不等位电势： 在额定激励电流下，当外加磁场为零时，霍尔元件输出端之间的开路电压称为不等位电势，它是由于四个电极的几何尺寸不对称引起的，使用时多采用电桥法来补偿不等位电势引起的误差。 7． 霍尔电势温度系数： 在一定磁场强度和激励电流的作用下，温度每变化1℃霍尔电势变化的百分数称为霍尔电势温度系数，它与霍尔元件的材料有关。 霍尔元件的灵敏度KH的单位是（ ） A. V/(A·T) B. A/(V·T) C. T/(V·A) D. V·A/T 【答案】A 【解析】根据霍尔效应公式UH = KHIB，霍尔电势差UH的单位是V，电流I的单位是A，磁场强度B的单位是T，所以灵敏度KH的单位是V/(A·T)。 1. 一般来说，霍尔元件的输入电阻范围通常在（ ） A. 几到几十 B. 几十到几百 C. 几百到几千 D. 几千到几万 【答案】C 【解析】霍尔元件的输入电阻一般在几百Ω到几千Ω的范围，这是由其半导体材料和结构决定的，不同型号的霍尔元件可能会有所差异，但大致在此范围内。 2. 霍尔元件的输出电阻与输入电阻相比（ ） A. 输出电阻大于输入电阻 B. 输出电阻小于输入电阻 C. 输出电阻等于输入电阻 D. 两者大小关系不确定 【答案】D 【解析】霍尔元件的输出电阻和输入电阻大小关系取决于具体的元件设计和制造工艺等因素，不同的霍尔元件可能有不同的情况，所以两者大小关系不确定。 3. 霍尔元件的线性度是指（ ） A. 霍尔电势差与磁场强度的线性关系程度 B. 霍尔电势差与电流的线性关系程度 C. 霍尔元件的尺寸与性能的线性关系程度 D. 霍尔元件的价格与性能的线性关系程度 【答案】A 【解析】霍尔元件的线性度主要是指其输出的霍尔电势差与被测磁场强度之间的线性关系程度，线性度越好，说明霍尔元件在测量磁场时的准确性和稳定性越高。 1. 某霍尔元件的线性度为0.1%，这意味着（ ） A. 霍尔电势差与磁场强度的最大偏差为0.1% B. 霍尔电势差与电流的最大偏差为0.1% C. 霍尔元件的测量误差总是0.1% D. 霍尔元件的成本误差为0.1% 【答案】A 【解析】线性度为0.1%表示霍尔元件输出的霍尔电势差与磁场强度之间的实际关系与理想线性关系的最大偏差为0.1%，即在整个测量范围内，霍尔电势差与按照理想线性关系计算出的值相比，最大偏差为0.1%。 2. 霍尔元件的温度系数反映的是 ( ) A. 磁场强度随温度的变化情况 B. 霍尔电势差随温度的变化情况 C. 电流随温度的变化情况 D. 霍尔元件尺寸随温度的变化情况 【答案】B 【解析】霍尔元件的温度系数是用来描述霍尔电势差随温度变化的特性参数，它反映了温度对霍尔元件性能的影响程度，一般用每摄氏度霍尔电势差的相对变化量来表示。 3. 若霍尔元件的温度系数为，当温度升高ΔT时，霍尔电势差UH的变化量ΔUH为（ ） A. ΔUH = UH(1+ΔT) B. ΔUH = UHΔT C. ΔUH = UH/(1+ΔT) D. ΔUH = UH-ΔT 【答案】B 【解析】根据温度系数的定义，霍尔电势差的变化量ΔUH与原始霍尔电势差UH、温度系数和温度变化量ΔT之间的关系为ΔUH=UHΔT。 · 霍尔系数是衡量霍尔元件灵敏度的关键参数，表示单位磁感应强度下霍尔电压的变化量。 · 灵敏度反映霍尔元件输出电压与外部磁场强度之间的关系。 · 工作电流是霍尔元件正常工作所需的电流值。 · 工作温度范围为霍尔元件能够正常工作的温度区间。 原创精品资源学科网独家享有版权，侵权必究！2 学科网（北京）股份有限公司 学科网（北京）股份有限公司 $$