霍尔传感器教学课件

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1、4.5霍尔传感器五邑大学信息工程学院15.2霍尔传感器5.2.1霍尔传感器工作原理5.2.2霍尔元件的结构和基本电路5.2.3霍尔元件的主要特性参数5.2.4霍尔元件误差及补偿5.2.5霍尔式传感器的应用2信息工程学院5.2.1霍尔传感器工作原理霍尔传感器是基于霍尔效应的一种传感器。起源：1879年美国物理学家霍尔首先在金属材料中发现了霍尔效应,但由于金属材料的霍尔效应太弱而没有得到应用。发展：随着半导体技术的发展,开始用半导体材料制成霍尔元件,由于它的霍尔效应显著而得到应用和发展。应用：霍尔传感器广泛用于电磁测量、压力、加速度、振动等方面的测量。3信息工程学院霍

2、尔效应：半导体薄片置于磁场中，当它的电流方向与磁场方向不一致时，半导体薄片上平行于电流和磁场方向的两个面之间产生电动势。产生的电动势称霍尔电势，半导体薄片称霍尔元件。什么是霍尔效应？4信息工程学院在垂直于外磁场B的方向上放置一半导体薄片，半导体薄片通以电流I，方向如图所示。半导体薄片中的电流是载流子自由电子在电场作用下的定向运动。在半导体导电板垂直电流方向上作用一个磁感应强度为B的均匀磁场，则载流子又受洛伦兹力作用。5信息工程学院载流子受洛仑兹力霍尔电场强度e—电子电荷；v—电子运动平均速度；B—磁场的磁感应强度。在匀强电场中，沿电场强度方向，两点之间的电势差等于

3、电场强度跟这两点之间距离的乘积。6信息工程学院平衡状态：洛伦兹力fH=电场力EH电场力7信息工程学院因此霍尔电势所以电子运动平均速度又根据电流的定义：单位时间内通过导线某一截面的电荷量。8信息工程学院讨论:1、霍尔常数大小取决于导体的载流子密度：分析：金属的自由电子密度太大，因而霍尔常数小，霍尔电势也小，所以金属材料不宜制作霍尔元件。2、霍尔元件灵敏度（灵敏系数）KH意义：表示霍尔元件在单位激励电流和单位磁感强度时产生的霍尔电势的大小。9信息工程学院补充：1、霍尔电势与导体厚度d成反比：为了提高霍尔电势值，霍尔元件制成薄片形状。2、半导体中电子迁移率（电子定向运动

4、平均速度）比空穴迁移率高，因此N型半导体较适合于制造灵敏度高的霍尔元件。3、当磁感应强度B和霍尔片平面法线成角度θ时,霍尔电势为：10信息工程学院霍尔片是一块半导体单晶薄片(一般为4mm×2mm×0.1mm)。其长度方向两端面上焊有a、b两根引线，通常用红色导线，其焊接处称为控制电极（或称激励电极），要求焊接处接触电阻很小，并呈纯电阻，即欧姆接触（无PN结特性）。5.2.2霍尔元件的结构和基本电路11信息工程学院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。要求欧姆接触，且电极宽度与基片长度之比要小于0.1，否则

5、影响输出。12信息工程学院图（a）中其中1-1电极用于加控制电流，称控制电极。另一对2-2电极用于引出霍尔电势，称霍尔电势输出极。图（b）是霍尔元件通用的图形符号。13信息工程学院图（c）所示，霍尔电极在基片上的位置及它的宽度对霍尔电势数值影响很大。通常霍尔电极位于基片长度的中间，其宽度远小于基片的长度。图（d）是基本测量电路。测量电路14信息工程学院5.2.3霍尔元件的主要特性参数当磁场和环境温度一定时：霍尔电势与控制电流I成正比；当控制电流和环境温度一定时：霍尔电势与磁场的磁感应强度B成正比；当环境温度一定时：输出的霍尔电势与I和B的乘积成正比。15信息工程学

6、院霍尔元件的主要特性参数：(1)输入电阻和输出电阻输入电阻Ri：控制电极间的电阻输出电阻Ro：霍尔电极之间的电阻注：测量以上电阻时，应在没有外磁场和室温变化的条件下进行。RiRo，Ri、Ro=100~2000。16信息工程学院(2)额定控制电流和最大允许控制电流额定控制电流：当霍尔元件有控制电流使其本身在空气中产生10℃温升时，对应的控制电流值。控制电流Ic=(几~几十)mA最大允许控制电流：以元件允许的最大温升限制所对应的控制电流值。改善散热条件可以增大最大允许控制电流。17信息工程学院(3)不等位电势Uo和不等位电阻ro不等位电势：当霍尔元件的控制电流为额

7、定值时，若元件所处位置的磁感应强度为零，测得的空载霍尔电势。一般U010mV。不等位电阻r0：不等位电势是由霍尔电极2和2’之间的电阻。不等位电势就是控制电流I经不等位电阻产生的电压。不等位电阻r0=U0/I18信息工程学院产生不等位电势的原因主要是：①霍尔电极安装位置不正确（不对称或不在同一等电位面上）；②半导体材料不均匀造成了电阻率不均匀或是几何尺寸不均匀；③控制电极接触不良造成控制电流不均匀分布等。（均是制造工艺造成的）19信息工程学院(4)寄生直流电势霍尔元件零位误差的一部分当没有外加磁场，霍尔元件用交流控制电流时，霍尔电极的输出有一个直流电势。(5)霍

8、尔电势温度