第9章 霍耳传感器

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1、第9章霍耳传感器本章主要内容9.1霍尔传感器结构及工作原理9.2霍尔传感器的测量及补偿电路9.3霍尔传感器的应用教学目标及重点、难点教学目标：1、了解霍尔元件的工作原理及结构、霍尔元件的基本参数与温度误差的补偿；2、熟悉集成霍尔元件和霍尔式传感器的应用；重点、难点：重点：集成霍尔元件和霍尔式传感器的应用难点霍尔传感器工作原理及应用一.霍尔效应   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。   二.霍耳元件   霍尔元件:基于霍尔效应工作的半导体器件称为霍尔元件，霍尔元件多采用N型半导体材料。   霍尔元件

2、由霍尔片、四根引线和壳体组成，如图所示。霍尔片是一块半导体单晶薄片(一般为4mm×2mm×0.1mm)，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极；在它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。   9.1霍尔传感器结构及工作原理一.霍尔传感器（元件）工作原理1.霍耳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。该电动势称为霍耳电势UH。置于磁场中的静止载流导体，当它的电流方向与磁场方向不一致时，载流导体

3、上平行于电流和磁场方向上的两个面之间产生电动势，这种现象称为霍耳效应。该电动势称为霍耳电势。如图4.59所示，在垂直于外磁场B的方向上放置一导电板，导电板通以电流I，方向如图所示。导电板中的电流使金属中自由电子在电场作用下做定向运动。此时，每个电子受洛伦兹力fL作用，fL的大小为:fL=evB式中:e—电子电荷；v—电子运动平均速度；B—磁场的磁感应强度。在图4.59中，fL的方向是向内的，此时电子除了沿电流反方向作定向运动外，还在fL的作用下向导体一个侧面偏转，结果使金属导电板内侧面积累电子，而外侧面积累正电荷，从而形成了附加内电场EH，称为霍耳电场，该电场强度为：EH=UH/b式

4、中：UH—霍耳电位差；b—霍耳片的宽度。由于霍耳电场的存在，使作定向运动的电子除了受到洛伦兹力的作用外，还要受到霍耳效应产生的电场力的作用，其力的大小为fH=eEH，此力阻止电荷继续积累。随着内、外侧面积累电荷的增加，霍耳电场增大，电子受到的霍耳电场力也增大，因为电子所受洛伦兹力与霍耳电场作用力方向相反，当二者大小相等时有：eEH=eBv(4-97)即EH=vB，达到动态平衡状态，此时电荷将不再向两侧面积累。2霍耳电动势当电子运动方向与外磁场的方向相互垂直时，UH=EHb=bvB(9-1)假设金属导电板单位体积内的电子数为n，电子定向运动平均速度为v，由电流密度Q=nev，则载流体的

5、激励电流I=Qbd=nevbd，则有v=I/nebd(9-2)令RH=1/ne，称为霍耳常数，其大小取决于导体载流子密度，则UH=RHIB/d=KHIB式中，KH=RH/d，称为霍耳片的灵敏度。由此可见，霍耳电势正比于激励电流I及磁感应强度B，其霍耳片的灵敏度与霍耳系数RH成正比而与霍耳片的厚度d成反比。因此，为了提高灵敏度，霍耳元件常制成薄片形状。方向上，当B或I中任意一个量发生方向上变化时，霍耳电动势的方向发生变化，当B和I同时发生方向变化时，则霍耳电动势的方向保持不变。二.霍耳元件的结构霍耳元件的结构很简单，它是由霍耳片、四根引线和壳体组成，结构如图4.60(a)所示。在电路中

6、，霍耳元件一般可用两种符号表示，如图4.60(b)所示。国产霍耳元件型号的命名方法如图4.60(c)：常见的国产霍耳元件型号有：HZ-1、HZ-2、HZ-3、HT-1、HT-2、HS-1等。1)霍耳片是一块矩形半导体单晶薄片，引出四根引线：1、1′两根引线加激励电压或电流，称为激励电极(或控制电极)；2、2′引线为霍耳输出引线，称为霍耳电极。2)霍耳元件的壳体是用非导磁金属、陶瓷或环氧树脂封装。三.霍耳元件的主要技术参数1额定激励电流使霍耳元件温升10℃时所施加的激励电流称为额定激励电流。以元件允许最大温升为限制所对应的激励电流称为最大允许激励电流。因霍耳电势随激励电流增加而线性增加

7、，所以使用中希望选用尽可能大的激励电流以获得较高的霍耳电势输出，但是由于受到最大允许温升的限制，可以通过改善霍耳元件的散热条件，使激励电流增加。2灵敏度KH霍耳元件在单位磁感应强度和单位激励电流作用下的空载霍耳电势值，称为霍耳元件的灵敏度。3输入电阻和输出电阻霍耳元件激励电极间的电阻值称为输入电阻。霍耳电极输出电势对电路外部来说相当于一个电压源，其电源内阻即为输出电阻。以上电阻值是在磁感应强度为零，且环境温度在20℃±5℃时所确定的。4不等位电势和不等位电