霍尔效应原理图.ppt

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1、第六章霍尔传感器本章主要讲述内容：1、霍尔传感器的工作原理2、霍尔元件的基本结构和主要技术指标3、霍尔元件的测量电路4、霍尔传感器举例10/7/20211概述：霍尔元件是一种基于霍尔效应的磁传感器，得到广泛的应用。可以检测磁场及其变化，可在各种与磁场有关的场合中使用。霍尔器件以霍尔效应为其工作基础。特点：霍尔器件具有许多优点，它们的结构牢固，体积小，重量轻，寿命长，安装方便，功耗小，频率高，耐震动，不怕灰尘、油污、水汽及盐雾等的污染或腐蚀。第一节霍尔元件的基本工作原理10/7/20212霍尔效应原理图10/7/20213霍尔元件金属或半导体薄片置

2、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。10/7/20214设图中的材料是Ｎ型半导体，导电的载流子是电子。在ｚ轴方向的磁场作用下，电子将受到一个沿ｙ轴负方向力的作用，这个力就是洛仑兹力。它的大小为：FL=－evBzxyIADBCBlLdUHA、B-霍尔电极C、D-控制电极FL10/7/20215电荷的聚积必将产生静电场，即为霍尔电场，该静电场对电子的作用力为FE与洛仑兹力方向相反，将阻止电子继续偏转，其大小为式中EH为霍尔电场，e为电子电量，UH为霍尔电势。当FL=FE时，电子的积累达到动平衡，

3、即所以IADBCBlLdUHA、B-霍尔电极C、D-控制电极FLFE10/7/20216设流过霍尔元件的电流为I时，式中ld为与电流方向垂直的截面积，n为单位体积内自由电子数(载流子浓度)。则IADBCBlLdUHA、B-霍尔电极C、D-控制电极FLFE10/7/20217令RH则被定义为霍尔传感器的霍尔系数。由于金属导体内的载流子浓度大于半导体内的载流子浓度，所以，半导体霍尔系数大于导体。霍尔系数及灵敏度则10/7/20218KH为霍尔元件的灵敏度。由上述讨论可知，霍尔元件的灵敏度不仅与元件材料的霍尔系数有关，还与霍尔元件的几何尺寸有关。一般要

4、求霍尔元件灵敏度越大越好，霍尔元件灵敏度的公式可知，霍尔元件的厚度d与KH成反比。令则10/7/20219通过以上分析可知：1）霍尔电压UH与材料的性质有关n愈大，KH愈小，霍尔灵敏度愈低；n愈小，KH愈大，但n太小，需施加极高的电压才能产生很小的电流。因此霍尔元件一般采用N型半导体材料10/7/2021102）霍尔电压UH与元件的尺寸有关。d愈小，KH愈大，霍尔灵敏度愈高，所以霍尔元件的厚度都比较薄，但d太小，会使元件的输入、输出电阻增加。霍尔电压UH与控制电流及磁场强度成正比，当磁场改变方向时，也改变方向。10/7/202111若磁场B和霍尔

5、元件平面的法线成一角度θ，则作用于霍尔元件的有效磁感应强度为Bcosθ，因此UH=KHIBcosθIADBCBlLdUHA、B-霍尔电极C、D-控制电极θ10/7/2021123）P型半导体，其多数载流子是空穴，也存在霍尔效应，但极性和N型半导体的相反。4）霍尔电压UH与磁场B和电流I成正比，只要测出UH，那么B或I的未知量均可利用霍尔元件进行测量。10/7/202113一、霍尔元件的基本结构组成由霍尔片、四根引线和壳体组成，如下图示。第二节霍尔元件的基本结构和主要技术指标10/7/202114国产霍尔元件型号的命名方法10/7/202115二、

6、主要技术指标1、额定控制电流IC和最大控制电流ICm霍尔元件在空气中产生10℃的温升时所施加的控制电流称为额定控制电流IC。在相同的磁感应强度下，IC值较大则可获得较大的霍尔输出。霍尔元件限制IC的主要因素是散热条件。随着激励电流的增大，霍尔元件的功耗也随之增大，元件的温度升高，将引起霍尔电势的温漂。因此对霍尔元件要规定最大激励电流。10/7/202116一般锗元件的最大允许温升ΔTm<80℃，硅元件的ΔTm<175℃。当霍尔元件的温升达到ΔTm时的电流就是最大控制电流ICm。10/7/202117霍尔元件的乘积灵敏度定义为在单位控制电流和单位磁

7、感应强度下，霍尔电势输出端开路时的电势值，其单位为V（AT），它反应了霍尔元件本身所具有的磁电转换能力，一般希望它越大越好。2、乘积灵敏度KH其定义10/7/2021183、输入电阻Ri和输出电阻R0Ri是指流过控制电流的电极（简称控制电极）间的电阻值，R0是指霍尔元件的霍尔电势输出电极（简称霍尔电极）间的电阻，单位为Ω。可以在无磁场即B＝0和室温（205）℃时，用欧姆表等测量。10/7/202119若温度变化，则引起输入电阻变化，从而使输入电流发生改变，最终导致霍尔电势变化。输出电阻也会随着环境温度的变化而变化。适当选择负载与之匹配，可以减小霍

8、尔电势的温度漂移。10/7/2021203.最大磁感应强度BM由霍尔效应可知，磁感应强度的增加将使霍尔电势的输出增加。但磁感应强度若超过