第六章 磁敏传感器-霍尔传感器ppt课件.ppt

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1、传感器与检测技术天津工业大学电气工程与自动化学院主讲王红一第六章磁敏传感器磁场作用物体的电性能发生变化磁场强度或与磁场强度相关的物理量转变成电量。磁敏传感器（magneto-dependentsensor）是利用半导体磁敏元件对磁场敏感的特性来实现磁电测量的。用磁场（magneticfield）作媒介，可以检测很多物理量，如位移、振动、力、转速、加速度、流量、电流、电功率等。这类传感器不仅可以实现非接触测量，而且还不从磁场中获取能量。名称工作原理工作范围检测内容相关元件霍尔器件霍尔效应磁场、位置、速度、电流、电压单晶霍尔片

2、、开关和线性集成电路半导体磁敏电阻磁敏电阻效应旋转和角位移长方体、栅格结构、InSb-NiSb共晶体和曲折形磁阻元件磁敏二极管复合电流的磁场调制位置、速度、电流电压磁敏晶体管集电极或漏极电流的磁场调制位置、速度、电流电压双极型和MOS型晶体管金属膜磁敏电阻器磁敏电阻的各向异性磁读头、旋转编码器、速度三端、四端、二维、三维和集成电路巨磁阻抗传感器巨磁阻抗或巨磁感应效应角位移和线位移、大电流威根德器件威根德效应速度、脉冲发生器磁电感应传感器法拉第电磁感应效应磁场、位置、速度超导量子干涉器件约瑟夫逊效应生物磁场检测表6-1主要磁敏

3、传感器第六章磁敏传感器6.1霍尔传感器6.1.1霍尔效应及霍尔器件6.1.2主要技术参数6.1.3温度误差与补偿6.1.4集成霍尔传感器6.1.5霍尔传感器的应用6.1.1霍尔效应及霍尔器件1．霍尔效应（Halleffect）霍尔效应是一种磁电效应，将一载流导体放在磁场中，若磁场方向与电流方向正交，则在与磁场和电流两者垂直的方向将会产生横向电动势，这一现象被称作霍尔效应，相应的电动势被称作霍尔电动势（Hallelectromotiveforce）。6.1.1霍尔效应及霍尔器件洛伦兹力：通电导体在磁场下会产生洛伦兹力(Lore

4、ntzforce)，即磁场对运动点电荷的作用力，其大小为：e—为电子电荷量，e=1.602×10-19库伦；v—为电子运动速度；B—磁感强度，单位特斯拉T。洛伦兹力方向可用左手法则来确定，即左手4指与大拇指垂直，4指的方向与电流的方向一致，磁力线垂直穿过掌心，则大拇指所指的方向即为洛伦兹力方向。6.1.1霍尔效应及霍尔器件在作用下，电子运动会产生偏移。正负电荷的形成导致电场产生，称为霍尔电场，电场力方向由负电荷端指向正电荷端，大小为：其中，为霍尔电动势，e为电子电荷量，b为材料块的宽度。霍尔电动势uH与I、B、半导体材料之间

5、存在怎样的关系？其中为电流密度，负号表示电子速度与电流方向相反。n为N型半导体材料块电子浓度。6.1.1霍尔效应及霍尔器件考虑电流I：代入式中，得：其中为霍尔系数，为霍尔片灵敏度（系数）。当洛伦兹力与电场力相等时，电子积累处在动态平衡，有：6.1.1霍尔效应及霍尔器件霍尔器件的特点：uH与I和B成正比；随着d下降，kH会上升，所以，d一般选得较小（薄）；与电子浓度n有关，n越大，RH越小，所以霍尔片通常不用金属导体，而选半导体。若磁场与霍尔片法线方向有夹角，则霍尔电动势为若B或I改变方向，uH也改变方向；若B和I同时改变方向

6、，则uH不变方向。6.1.1霍尔效应及霍尔器件2．霍尔元件及其材料其中1和3脚为控制电流极，2和4脚为霍尔电动势输出极。符号：外形：6.1.1霍尔效应及霍尔器件霍尔元件的基本测量电路其中，RL为负载，RP为可调电阻，调节I的大小。6.1.1霍尔效应及霍尔器件金属导体的载流子迁移率很大，但其电阻率低（自由电子浓度n大），绝缘材料电阻率很高，但其载流子迁移率低，所以金属导体和绝缘体均不宜作霍尔元件，只有半导体材料最合适。N型半导体材料的载流子迁移率比P型的大，所以霍尔元件多采用N型半导体材料制成。制作霍尔元件的常用材料有：锑化铟

7、(InSb)、砷化镓(GaAs)、磷化铟(InAs)和N型锗(Ge)。从前主要用锑化铟，现在多为砷化镓。锑化铟稳定性好、受电压漂移影响小，但受温度影响大，频率特性不佳；砷化镓线性度好，温度系数小，但是灵敏度不高。霍尔元件的材料6.1.2主要技术参数①输入电阻Ri和输出电阻Ro：输入电阻Ri指控制电流极间电阻，输出电阻Ro指霍尔电压极间电阻，它们的阻值范围为：100～2000，两者相差不大。6.1.2霍尔元件的主要技术参数②额定控制电流Ic：使霍尔元件在空气中产生10℃温升所施加的电流。它与霍尔元件尺寸有关：尺寸愈小，Ic愈小

8、。一般额定控制电流为几至几十毫安。6.1.2主要技术参数其中，fH(l/b)为霍尔片形状系数，当霍尔片长宽之比l/b≥2时，有fH(l/b)≈1。实际取值时，等于2即可，因为该比过大反而增大传感器输入功耗。另外，要求对霍尔元件的控制电流端电极有良好的面接触，霍尔元件输出端电极为点接触。③霍