《霍尔式传感器》课件

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1、第五章霍尔式传感器5.1霍尔式传感器的工作原理5.2霍尔式传感器的基本测量电路5.3霍尔式传感器的误差与补偿5.4霍尔式传感器的应用霍尔传感器是基于霍尔效应的一种传感器。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。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。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。5.1霍尔式传感器的工作原理一、霍尔效应及霍尔元件霍尔传感器是利用霍尔效应制作的半

2、导体磁敏传感器。半导体磁敏传感器是指电参数按一定规律随磁性量变化的传感器，常用的有霍尔传感器和磁敏电阻传感器。磁敏器件是利用磁场工作的，所以可以用非接触方法检验。半导体磁敏器件的特点是：从直流到高频，其特性完全一样，也就是完全不存在与频率的关系。（一）.霍尔效应1879年美国物理学家霍尔发现：在通有电流的金属板上加一个强磁场，当电路流方向与磁场方向垂直时，在与电流和磁场都垂直的金属板的两表面之间出现电动势，这种现象就称为霍尔效益，这个电动势差称为霍尔电动势。（置于磁场中的静止载流导体,当它的电流方向与磁

3、场方向不一致时,载流导体上平行于电流和磁场方向上的两个面之间产生电动势,这种现象称霍尔效应。该电势称霍尔电势。）其原理可用带电粒子在磁场中所受到的洛伦兹力解释。图5–1（a）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。导电板中的电流是金属中自由电子在电场作用下的定向运动。此时,每个电子受洛仑磁力fL的作用，fL大小：fL=eBv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。fL的方向在图5-1中是向上的,此时电子除了沿电流反方向作定向运动外,

4、还在fL的作用下向上漂移,结果使金属导电板上底面积累正电荷,而下底面积累电子,从而形成了附加内电场EH,称霍尔电场,该电场强度为EH=式中UH为电位差。霍尔电场的出现,使定向运动的电子除了受洛仑磁力作用外,还受到霍尔电场的作用力,其大小为eFe，此力阻止电荷继续积累。随着上、下底面积累电荷的增加,霍尔电场增加,电子受到的电场力也增加,当电子所受洛仑磁力与霍尔电场作用力大小相等、方向相反时,即eEH=evB则EH=vB此时电荷不再向两底面积累,达到平衡状态。若金属导电板单位体积内电子数为n,电子定向运

5、动平均速度为v,则激励电流I=nevbd,则v=将式上代入式（EH=vB）得EH=将上式代入式（）得UH=式中令RH=1/（ne）,称之为霍尔常数,其大小取决于导体载流子密度，则UH=RH（5-1）式中KH=RH/d称为霍尔片的灵敏度。由式（5-1）可见,霍尔电势正比于激励电流及磁感应强度,其灵敏度与霍尔常数RH成正比而与霍尔片厚度d成反比。为了提高灵敏度,霍尔元件常制成薄片形状。当I与B的不垂直时霍尔电压为：对霍尔片材料的要求,希望有较大的霍尔常数RH,霍尔元件激励极间电阻R=

6、ρL/（bd）,同时R=UI/I=EIL/I=vL/（μnevbd）,其中UI为加在霍尔元件两端的激励电压，EI为霍尔元件激励极间内电场，v为电子移动的平均速度。则解得RH=μρ从上式可知,霍尔常数等于霍尔片材料的电阻率与电子迁移率μ的乘积。若要霍尔效应强,则RH值大,因此要求霍尔片材料有较大的电阻率和载流子迁移率。一般金属材料载流子迁移率很高,但电阻率很小;而绝缘材料电阻率极高,但载流子迁移率极低。故只有半导体材料适于制造霍尔片。目前常用的霍尔元件材料有:锗、硅、砷化铟、锑化铟等半导体材料。

7、其中N型锗容易加工制造,其霍尔系数、温度性能和线性度都较好。N型硅的线性度最好,其霍尔系数、温度性能同N型锗相近。锑化铟对温度最敏感,尤其在低温范围内温度系数大,但在室温时其霍尔系数较大。砷化铟的霍尔系数较小,温度系数也较小,输出特性线性度好。下表为常用国产霍尔元件的技术参数。（二）.霍尔元件基本结构霍尔元件的结构很简单,它由霍尔片、引线和壳体组成,如下图(a)所示。霍尔片是一块矩形半导体单晶薄片，引出四个引线。1、1′两根引线加激励电压或电流，称为激励电极；2、2′引线为霍尔输出引线，称为霍尔电极。

8、霍尔元件壳体由非导磁金属、陶瓷或环氧树脂封装而成如图（C）。在电路中霍尔元件可用三种符号表示，如图(b)所示。二、霍尔元件的主要特性1）额定激励电流和最大允许激励电流当霍尔元件自身温升10℃时所流过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。因霍尔电势随激励电流增加而增加,所以,使用中希望选用尽可能大的激励电流,因而需要知道元件的最大允许激励电流,改善霍尔元件的散热条件,可以使激励电流增加。