物理实验第21卷第8期 lnSb霍尔传感器输出电压温度特性的研究 缪慧洁李晶·陆申龙 (复旦大学物理系上海200433) 摘要对hSb霍尔元件在135~65℃内的霍尔电压的温度特性进行了测量,研究在恒流源和恒压源条件 下其输出电压随温度的变化情况,并对其工作温度、线性范围及应用进行了探讨 关键词霍尔传感器霍尔电压;恒温仪霍尔磁阻铂热电阻 Tem pera ture dependence of output voltage of h Sb Hall sen sor M AO Hurjie L Ij ing LU Shen-long epartm ent of Physics, Fudan U niversity, Shanghai, 200433) Abstract The tem perature character istics of ou tput vo ltage of InSb Hall sen sor are m easured from-135C to 65C. The variation of output voltage w ith tem perature is researched under the constant current source and constant vo Itage source, the work ing tem perature, linear range and app licatpns of Hall sen sor are stud ied Key words Hall sen sor, Hall vo ltage, hemostat, Hall magnet ic resistance, p latinum resis- tance 1引言 温度和磁场的变化情况,找出其合适的工作温 度和线性使用范围,讨论使用恒流源和恒压源 霍尔传感器是一种利用霍尔效应测量磁感作为工作电源对温度系数的影响 应强度的元件锑化铟(hSb,Ⅲ-V族化合物半 导体材料)霍尔元件的特点为霍尔迁移率高 磁电转换效率高,响应速度快动态范围宽;频21温度系数的改良 率特性好①C_MHz);低噪音(14以下)等 在各种类型的霍尔传感器中,多数都使用 而该传感器应用极其广泛·lnSb霍尔传感器恒流源驱动,但lnSb霍尔传感器使用恒压驱动 作为DD马达的检测元件自研制生产以来已被较为合适因为恒压驱动能改善其温度特性,使 大量使用.VTR等民用仪器、无电刷无火花的温度系数减小 DC伺服马达等的控制设备上都有应用·此外 在hSb元件上加电流,置于磁场强度为 还广泛用于磁强计、BH波形记录器、马达转速B的磁场中,则元件产生霍尔电压VH为 控制器、位置检测用元件以及无接触点装置部 VH=(RH/d)IB (1) 件等方面 其中d为元件厚度,RH为霍尔系数.而元件的 本实验主要研究hSb的输出霍尔电压随输入阻抗R为 级本科生 C1995-2005 TSinghua Tongfang Optical Disc Co, LId. All rights reserved
InSb 霍尔传感器输出电压温度特性的研究 缪慧洁Ξ 李 晶3 陆申龙 (复旦大学物理系 上海 200433) 摘 要: 对 InSb 霍尔元件在- 135～ 65℃内的霍尔电压的温度特性进行了测量, 研究在恒流源和恒压源条件 下其输出电压随温度的变化情况, 并对其工作温度、线性范围及应用进行了探讨Ζ 关键词: 霍尔传感器; 霍尔电压; 恒温仪; 霍尔磁阻; 铂热电阻 Tem perature dependence of output voltage of InSb Hall sen sor M IAO H u i2jie3 L I J ing3 LU Shen2long (D epartm en t of Physics, Fudan U n iversity, Shanghai, 200433) Abstract: T he tem peratu re characteristics of ou tpu t vo ltage of InSb H all sen so r are m easu red from - 135℃ to 65℃. T he variation of ou tpu t vo ltage w ith tem peratu re is researched under the con stan t cu rren t sou rce and con stan t vo ltage sou rce, the w o rk ing tem peratu re , linear range and app lication s of H all sen so r are studied. Key words: H all sen so r; H all vo ltage; therm o stat; H all m agnetic resistance; p latinum resis2 tance 1 引 言 霍尔传感器是一种利用霍尔效应测量磁感 应强度的元件Ζ锑化铟( InSb, Ë 2Í 族化合物半 导体材料) 霍尔元件的特点为: 霍尔迁移率高, 磁电转换效率高; 响应速度快; 动态范围宽; 频 率特性好(DC_ M H z); 低噪音(1ΛV 以下) 等Ζ 因而该传感器应用极其广泛Ζ InSb 霍尔传感器 作为DD 马达的检测元件自研制生产以来已被 大量使用Ζ V TR 等民用仪器、无电刷无火花的 DC 伺服马达等的控制设备上都有应用Ζ 此外, 还广泛用于磁强计、BH 波形记录器、马达转速 控制器、位置检测用元件以及无接触点装置部 件等方面Ζ 本实验主要研究 InSb 的输出霍尔电压随 温度和磁场的变化情况, 找出其合适的工作温 度和线性使用范围, 讨论使用恒流源和恒压源 作为工作电源对温度系数的影响Ζ 2 原 理 2. 1 温度系数的改良 在各种类型的霍尔传感器中, 多数都使用 恒流源驱动, 但 InSb 霍尔传感器使用恒压驱动 较为合适Ζ因为恒压驱动能改善其温度特性, 使 温度系数减小Ζ 在 InSb 元件上加电流 I, 置于磁场强度为 B 的磁场中, 则元件产生霍尔电压V H 为 V H = (R Höd ) IB (1) 其中 d 为元件厚度, R H 为霍尔系数Ζ 而元件的 输入阻抗R 为 64 物理实验 第 21 卷 第 8 期 Ξ 98 级本科生 © 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved
物理实验第21卷第8期 R=PL Aud (2)尔传感器、铂热电阻及恒温仪探头均浸没于变 其中为电阻率,L为元件长度,v为元件宽压器油中.测常温下的霍尔效应时用水作固温 度.由式(1)、式(2)得 液体因水的比热大,温度变化慢,易保持恒温 VH=(RH/PRI(wL)B (3)测0℃左右的霍尔效应时,可放冰水混合物,低 其中,RⅠ是输入电压,R为霍尔迁移率温环境下则需液氮·整个系统置于电磁铁两极 p,因此,上式可表示为 之间·实验中需较强的磁场,最大应可达Q3T WH= HVow) 4)左右 式(4)可以看作是恒压驱动时的输出电压表示 霍尔元件有四根引线,两根与输入电流相 式,式(1)可以看作是恒流驱动时的输出电压表连,两根作为输出端,与数字电压表连接.为了 示式.式(1)中的霍尔系数RH随温度的变化关保持输入电流的恒定,可以在输入回路中串联 系是Rn(1-a),系数约为2%℃.这种温个电阻箱和毫安表,测量过程中,不断调节电 度变化取决于载流子数随温度的变化式(4)中阻箱R使毫安表读数保持恒定·调整霍尔元件 hnSb的迁移率μ随温度变化的关系是p(1-.在磁场中的方向使之垂直于磁场,即数字电压 B),系数B为0.2%C 表示数最大,记录其值用铂热电阻来测量并显 这样,恒流驱动时,RH的温度系数起作用 示霍尔元件所在处的温度 与此相反,恒压驱动时,迁移率的温度系数起作23霍尔电压的测量 用.因此,采用恒压驱动,可以减小传感器的温 不等位电压、剩磁和其他副效应可影响霍 度系数 尔电压的测量,需要改变hSb霍尔传感器的电 22实验装置 流方向和磁场方向霍尔电压的计算式为 测量霍尔效应的装置如图1所示,恒温装=(k+k2+k+kp/ 置由铜槽、铜棒、加热器、温度控制器(包括温度其中U,U,U,U4分别为通过霍尔传感器的 传感器)、冷却液及杜瓦瓶组成.冷阱中的整个电流正反向和磁场正反向四种情况下测得的霍 支架由底座、加热器和主容器组成底座起到固尔电压 定的作用.加热器与恒温仪相连用于控制温24恒温仪的使用 度.主容器中装有变压器油(中性油),hnSb霍 恒温仪探头处于霍尔元件的环境中,它能 恒温仪探头 及时探得环境温度的变化,传输给恒温仪而恒 lnSb霍尔传感 温仪得到信号后,通过改变加热器电流的大小 绝热盖 来控制温度的变化·该套仪器可相当准确地控 制环境温度,尤其在低温条件下,它能有效地控 制待测霍尔传感器达到所需的环境温度,为准 确测量创造了条件 3实验结果 输入电流为mA,激磁电流0~5A间隔 杜瓦瓶 铜棒 lA变化,在20℃和200℃时霍尔电压U1和 U2随磁感应强度B变化的数据见表1.0 65℃时霍尔电压U随温度θ的变化及低温下 霍尔传感器的霍尔电压U随温度θ的变化分 别见表2和表3 图1实验装置图 2 01995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co, LId. All rights reserved
R = ΘL öw d (2) 其中 Θ为电阻率, L 为元件长度, w 为元件宽 度Ζ 由式(1)、式(2) 得 V H = (R HöΘ)R I (w öL )B (3) 其中, R I 是输入电压 V , R HöΘ为霍尔迁移率 Λ, 因此, 上式可表示为 V H = ΛV (w öL )B (4) 式(4) 可以看作是恒压驱动时的输出电压表示 式, 式(1) 可以看作是恒流驱动时的输出电压表 示式Ζ 式(1) 中的霍尔系数R H 随温度的变化关 系是 R H (1- ΑT ) , 系数 Α约为 2% ö℃Ζ 这种温 度变化取决于载流子数随温度的变化Ζ式(4) 中 InSb 的迁移率 Λ 随温度变化的关系是 Λ(1- ΒT ) , 系数 Β为 012% ö℃Ζ 这样, 恒流驱动时, R H 的温度系数起作用Ζ 与此相反, 恒压驱动时, 迁移率的温度系数起作 用Ζ 因此, 采用恒压驱动, 可以减小传感器的温 度系数Ζ 2. 2 实验装置 测量霍尔效应的装置如图 1 所示Ζ 恒温装 置由铜槽、铜棒、加热器、温度控制器(包括温度 传感器)、冷却液及杜瓦瓶组成Ζ 冷阱中的整个 图 1 实验装置图 支架由底座、加热器和主容器组成Ζ底座起到固 定的作用Ζ 加热器与恒温仪相连, 用于控制温 度Ζ 主容器中装有变压器油(中性油) , InSb 霍 尔传感器、铂热电阻及恒温仪探头均浸没于变 压器油中Ζ 测常温下的霍尔效应时用水作固温 液体Ζ因水的比热大, 温度变化慢, 易保持恒温Ζ 测 0℃左右的霍尔效应时, 可放冰水混合物, 低 温环境下则需液氮Ζ 整个系统置于电磁铁两极 之间Ζ 实验中需较强的磁场, 最大应可达 0. 3T 左右Ζ 霍尔元件有四根引线, 两根与输入电流相 连, 两根作为输出端, 与数字电压表连接Ζ 为了 保持输入电流的恒定, 可以在输入回路中串联 一个电阻箱和毫安表, 测量过程中, 不断调节电 阻箱R 使毫安表读数保持恒定Ζ 调整霍尔元件 在磁场中的方向, 使之垂直于磁场, 即数字电压 表示数最大, 记录其值Ζ用铂热电阻来测量并显 示霍尔元件所在处的温度Ζ 2. 3 霍尔电压的测量 不等位电压、剩磁和其他副效应可影响霍 尔电压的测量, 需要改变 InSb 霍尔传感器的电 流方向和磁场方向. 霍尔电压的计算式为 U = (ûU 1û + ûU 2û + ûU 3û + ûU 4û)ö4 其中U 1, U 2, U 3, U 4 分别为通过霍尔传感器的 电流正反向和磁场正反向四种情况下测得的霍 尔电压Ζ 2. 4 恒温仪的使用 恒温仪探头处于霍尔元件的环境中, 它能 及时探得环境温度的变化, 传输给恒温仪Ζ而恒 温仪得到信号后, 通过改变加热器电流的大小 来控制温度的变化Ζ 该套仪器可相当准确地控 制环境温度, 尤其在低温条件下, 它能有效地控 制待测霍尔传感器达到所需的环境温度, 为准 确测量创造了条件Ζ 3 实验结果 输入电流为 3mA , 激磁电流 0～ 5A 间隔 1A 变化, 在 2. 0℃和 20. 0℃时霍尔电压U 1 和 U 2 随磁感应强度 B 变化的数据见表 1Ζ 0～ 65℃时霍尔电压U 随温度 Η的变化及低温下 霍尔传感器的霍尔电压U 随温度 Η的变化分 别见表 2 和表 3Ζ 物理实验 第 21 卷 第 8 期 74 © 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved
物理实验第21卷第8期 表12℃和20℃霍尔电压随磁场变化 传感器的输出电压与温度密切相关 B/×100oo1o947ol4Lo9202400 2)由常温下霍尔电压随温度的变化数据可 N004030058082093100 知,恒压驱动时的lnSb霍尔传感器的温度系数 0020u0210404049约为:023%/C,而恒流驱动时约为 1.3%/℃C.因此.hSb霍尔传感器通常使用 表2.1常温下 驱动的U数据 恒压驱动 r2.5ol.2s2,2 678,2g2n7.25 3)在温度小于-40℃时,霍尔电压U随温 0.980.520.480.460.4310.410.360.32 l1z6,水177o2o06.0k2,265 度的变化相当不稳定,温度在-40~65℃之间 U∧|o.300.270.250.20.200.190.170.16 时,霍尔电压随温度的变化比较小.由此可得, lnSb霍尔传感器的工作温度选在-40~65℃ 表22常温下恒压源驱动的U数据 较好 9/2,505.007.5017.7522.75 U人[0.4880.4650.49470.45640.4360 结束语 /℃C28.0033.0038.0043 lnSb霍尔传感器具有许多优良的特性,尤 o.424750.43670.42100.40520.3906 其是它在一定的磁感应强度下的输出电压比较 e/℃53.5058.5063.50 ∧10.38840.38290.3516 大,然而,霍尔电压随温度的变化特别大,因此 减小其温度系数成为正确使用该元件的关键 表3低温下恒流源驱动的θU数据 从实验结果可以看到,恒压驱动的hSb霍尔传 感器的输出电压随温度的变化比恒流驱动时小 e/C-130-126-121-6-111-106-10 N4111at4s6s6206 得多因此,笔者认为使用该传感器时一般要采 72648 用恒压驱动 e↓5954850|.4540|35。30 5参考文献 L84L6s94162n631241高桥清,小长井诚:传感器电子学,北京宇航出 c.25-20|.15105 版社,1987 UN076072065058052044 2何伟仁,王恒,宋增福,传感器新技术.北京中国 计量出版社,1988 实验结论如下 3吴兴惠,敏感元器件及材料.北京:电子工业出版 1)从表1中可知,hSb霍尔传感器在相同 工作电流与磁场强度的情况下,当温度分别为 (2001-02-03收稿) 2.0℃和20.0℃时,其霍尔电势差不同,说明该 2 01995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co, LId. All rights reserved
表 1 2℃和 20℃霍尔电压随磁场变化 B ö×10- 3T 0. 00 50. 10 94. 70 141. 00192. 00240. 00 U 1öV 0. 04 0. 30 0. 58 0. 82 0. 93 1. 00 U 2öV 0. 02 0. 11 0. 23 0. 34 0. 44 0. 49 表 211 常温下恒流源驱动的 Η,U 数据 Ηö℃ 2150 8125 121251417516175181252217527125 U öV 0198 0152 0148 0146 0143 0141 0136 0132 Ηö℃ 3117536175411754710052100561006212566175 U öV 0130 0127 0125 0122 0120 0119 0117 0116 表 212 常温下恒压源驱动的 Η,U 数据 Ηö℃ 2150 5100 7150 17175 22175 U öV 014882 014865 014947 014564 014360 Ηö℃ 28100 33100 38100 43125 48125 U öV 0142475 014367 014210 014052 013906 Ηö℃ 53150 58150 63150 U öV 013880 013829 013516 表 3 低温下恒流源驱动的 Η,U 数据 Ηö℃ - 130 - 126 - 121 - 116 - 111 - 106 - 102 U öV 1. 04 1. 17 1. 31 1. 48 1. 66 1. 86 2. 06 Ηö℃- 96. 5- 91. 8- 86. 8 - 82 - 77 - 72 - 64. 8 U öV 1. 27 1. 35 1. 3 1. 1 1. 07 0. 9 1. 05 Ηö℃- 59. 8- 54. 8 - 50 - 45 - 40 - 35 - 30 U öV 1. 84 1. 68 1. 94 1. 62 1. 66 1. 33 1. 24 Ηö℃ - 25 - 20 - 15 - 10 - 5 0 U öV 0. 76 0. 72 0. 65 0. 58 0. 52 0. 44 实验结论如下: 1) 从表 1 中可知, InSb 霍尔传感器在相同 工作电流与磁场强度的情况下, 当温度分别为 210℃和 2010℃时, 其霍尔电势差不同, 说明该 传感器的输出电压与温度密切相关Ζ 2) 由常温下霍尔电压随温度的变化数据可 知, 恒压驱动时的 InSb 霍尔传感器的温度系数 约 为 - 0. 23% ö℃, 而 恒 流 驱 动 时 约 为 - 113% ö℃Ζ 因此Ζ InSb 霍尔传感器通常使用 恒压驱动Ζ 3) 在温度小于- 40℃时, 霍尔电压U 随温 度的变化相当不稳定, 温度在- 40～ 65℃之间 时, 霍尔电压随温度的变化比较小Ζ 由此可得, InSb 霍尔传感器的工作温度选在- 40～ 65℃ 较好Ζ 4 结束语 InSb 霍尔传感器具有许多优良的特性, 尤 其是它在一定的磁感应强度下的输出电压比较 大, 然而, 霍尔电压随温度的变化特别大, 因此 减小其温度系数成为正确使用该元件的关键Ζ 从实验结果可以看到, 恒压驱动的 InSb 霍尔传 感器的输出电压随温度的变化比恒流驱动时小 得多Ζ因此, 笔者认为使用该传感器时一般要采 用恒压驱动Ζ 5 参考文献 1 高桥清, 小长井诚 1 传感器电子学 1 北京: 宇航出 版社, 1987 2 何伟仁, 王恒, 宋增福 1 传感器新技术 1 北京: 中国 计量出版社, 1988 3 吴兴惠 1 敏感元器件及材料 1 北京: 电子工业出版 社, 1991 (2001202203 收稿) 84 物理实验 第 21 卷 第 8 期 © 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved