霍尔式传感器及应用

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1、2021/7/151第7章霍尔式传感器及应用2021/7/152引言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。2021/7/153主要章节7.1霍尔效应及霍尔元件7.2霍尔传感器实用电路2021/7/1547.1霍尔效应及霍尔元件金属或半导体薄片置于磁感应强度B的磁场（磁场方向垂直与薄片）中，当有电流I通过时，在垂直于电流和磁

2、场的方向上将产生电动势UH，这种物理现象称为霍尔效应。该电势UH称霍尔电势。7.1.1霍尔效应2021/7/155霍尔效应原理一块长为L、宽为W、厚为d的N型半导体薄片，位于磁感应强度为B的磁场中，B垂直于L-W平面，沿L通电流I，N型半导体的载流体-电子将受到B产生的洛仑兹力FB的作用2021/7/156在力FB的作用下，电子向半导体片的一个侧面偏转，在该侧面上形成电子的积累，而在相对的另一侧面上因缺少电子而出现等量的正电荷。在这两个侧面上产生霍尔电场EH。该电场使运动电子受有电场力FE2021/7/157电场力阻止电子继续向原侧面积累，当电子所受电场力和洛仑兹力相等

3、时，电荷的积累达到动态平衡，由于存在EH，半导体片两侧面间出现电位差UH，称为霍尔电势2021/7/158磁场与薄片法线夹角为2021/7/159常用的霍尔元件材料锗、硅、砷化铟、锑化铟等半导体材料。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。2021/7/1510常用国产霍尔元件的技术参数参数名称符号单位HZ-1型HZ-2型HZ-3型HZ-4型HT-1型HT-2型HS-

4、1型材料（N）型Ge（111）Ge（111）Ge（111）Ge（100）InSbInSbInAS电阻率·cm0.8～1.20.8～1.20.8～1.20.4～0.50.003～0.010.003～0.050.01几何尺寸L×b×dmm38×4×0.24×2×0.28×4×0.28×4×0.26×3×0.28×4×0.28×4×0.2输入电阻Ri110±20%110±20%110±20%45±20%0.8±20%0.8±20%1.2±20%输出电阻Ru100±20%100±20%100±20%40±20%0.5±20%0.5±20%1±20%灵敏度KHmV/(mA

5、·T)>12>12>12>41.8±20%1.8±20%1±20%不等位电阻ro<0.07<0.05<0.07<0.02<0.005<0.005<0.0032021/7/15117.1.2霍尔元件基本结构霍尔片、引线和壳体组成1．霍尔元件的结构2021/7/15122.霍尔元件的连接（1）当控制电流为直流输入时，为了得到较大的霍尔输出，可将几块霍尔元件的输出串联。但控制电流必须并联，决不能串联。因为串联起来将有大部分控制电流被相连的霍尔电势极短接。2021/7/1513（2）当控制电流为交流输入时，可采用如图连接方式，这样可以增加霍尔输出电势及功率。2021/7/15

6、147.1.3霍尔元件主要参数及其误差（1）乘积灵敏度KH（2）额定控制电流Icm（3）磁灵敏度KB（4）输入电阻Ri、输出电阻R。（5）不等位电势Uo和不等位电阻Ro（6）寄生直流电势UOD（7）霍尔电势温度系数α（8）工作温度范围1．主要特性参数2021/7/15152.霍尔元件的误差及补偿（1）不等位电势的补偿不等位电势的大小和极性与控制电流的大小和方向有关不等位电势的大小和相位随交流控制电流而变不等位电势与控制电流之间并非线性关系，而且U0还随温度而变2021/7/1516常用的不等位电势的补偿电路2021/7/1517（2）温度补偿①恒流源供电，输入端并联电阻

7、；或恒压源供电，输入端串联电阻输入端并联电阻补偿输入端串联电阻补偿2021/7/1518②合理选择负载电阻霍尔电势的负载通常是放大器、显示器或记录仪的输入电阻，其值一定，可用串、并联电阻的方法使输出负载电压不变，但此时，灵敏度将相应有所降低。2021/7/1519③采用热敏元件最常采用的补偿方法2021/7/1520几种补偿电路采用热敏元件的温度误差补偿电路2021/7/15217.2霍尔传感器实用电路将霍尔元件、放大器、施密特触发器以及输出电路等集成在一块芯片上，为用户提供了一种简化的和较完善的磁敏传感器其输出信号快，传送过程中无抖动现