测量集成霍尔传感器的灵敏度

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1、第八章霍尔传感器8.1霍尔效应及霍尔元件8.2霍尔集成传感器8.3霍尔传感器的应用8.1霍尔效应及霍尔元件8.1霍尔效应及霍尔元件8.1.1霍尔效应位于磁场中的静止载流导体,当其电流I的方向与磁场强度H的方向之间有夹角α时,则在载流导体中平行与H、I的两侧面之间将产生电动势,这一物理现象称为霍尔效应。如图8-1所示,图8-1霍尔效应原理其洛仑兹力大小可表示为FL=-q0vB静电场对电子的作用力上式连立:式中:霍尔系数(m3/C)霍尔器件的灵敏系数8.1.2霍尔元件和测量电路1.霍尔元件霍尔元件的结构如图8-2所示。图中的矩形薄片状的立方

2、晶体称为基片,在它的两垂侧面上各装有一对电极,电极1-1用以加激励电压或流过激励电流,故称为激励电极,电极2-2作为霍尔电势UH的输出,故称为霍尔电极,基片的尺寸要求厚度d越薄越好,d越薄,霍尔元件的灵敏系数越大,在基片外面用金属或陶瓷、环氧树脂封装作为外壳。图8-3是霍尔元件的通用图形符号。图8-2外形结构示意图图8-3图形符号2.霍尔元件的测量电路(1)基本测量电路霍尔元件的基本测量电路如图8-5所示。激励电流由电压源E供给,其大小由可变电阻来调节。8-5基本测量电路(2)霍尔元件的输出电路在实际应用中,要根据不同的使用要求采用不同

3、的连接电路方式。如在直流激励电流情况下,位了获得较大的霍尔电压,可将几块霍尔元件的输出电压串联,如图8-6(a)所示。在交流激励电流情况下,几块霍尔元件的输出可通过变压器接成如图8-6(b)的形式,以增加霍尔电压或输出功率。(a)直流激励(b)交流激励图8-6霍尔元件的输出电路8.1.3霍尔元件的主要特性参数1.输入电阻Ri和输出电阻Ro定义霍尔元件激励电极之间的电阻称为输入电阻Ri。霍尔电极之间的电阻称为输出电阻Ro2.额定激励电流IN和最大允许激励电流Imax霍尔元件在空气中产生的温升为10℃时,所对应的激励电流称为额定激励电流IN

4、。以元件允许的最大温升为限制,所对应的激励电流称为最大允许激励电流Imax。3.不等位电势和不等位电阻当霍尔元件的激励电流为额定值IN时,若元件所处位置的磁感应强度为零,则它的霍尔电势应该为零,但实际不为零,这时测得的空载霍尔电势称为不等位电势。产生原因:主要由霍尔电极安装不对称造成的,由于半导体材料的电阻率不均匀、基片的厚度和宽度不一致、霍尔电极与基片的接触不良(部分接触)等原因,即使霍尔电极的装配绝对对称,也会产生不等位电势。补偿方法:任意两相邻的电极之间可视为一个等效电阻,则霍尔元件可视为一四臂电桥,要不等位电势为0,只需电桥输出

5、为零即可,因此采用加调零电位器的方法很好.如图8-7所示.4.交流不等位电势与寄生直流电势在不加外磁场的情况下,霍尔元件使用交流激励时,霍尔电极间的开路交流电势称为交流不等位电势。在此情况下输出的直流电势称为寄生直流电势。产生交流不等位电势的原因与不等位电势相同,而寄生直流电势的产生则是由于:(1)霍尔电极与基片间的非完全欧姆接触而产生的整流效应。(2)霍尔电极与基片间的非完全欧姆接触而产生的整流效应,使激励电流中包含有直流分量,通过霍尔元件的不等位电势的作用反映出来。一般情况下,不等位电势越小,寄生直流电势也越小。(3)当两个霍尔电极

6、的焊点大小不同时,由于它们的热容量、热耗散等情况的不同,引起两电极温度不同而产生温差电势,也是寄生直流电势的一部分。寄生直流电势可用图8-8所示电路测量,经变压器降压后的交流电源供给霍尔元件的激励电流,直流电位差计UJ-30的显示灵敏度应大于10-7V。图8-8测量寄生直流电势的电路图5.霍尔电势温度系数α在一定磁感应强度和激励电流下,温度每变化1℃时,霍尔电势变化的百分率,称为霍尔电势温度系数α。6.霍尔灵敏系数KH在单位控制电流和单位磁感应强度作用下,霍尔器件输出端的开路电压,称为霍尔灵敏系数KH,霍尔灵敏系数KH的单位为V/(A·

7、T)。8.1.4霍尔器件的材料选择以N型半导体材料为好.表中给出常见的材料.表8-1霍尔器件常用材料的物理性能8.2霍尔集成传感器8.2.1霍尔开关集成传感器1.工作原理图8-9霍尔开关集成传感器原理框图(1)霍尔元件:在0.1T磁场作用下,霍尔元件开路时可输出20mV左右的霍尔电压,当有负载时输出10mV左右的霍尔电压。(2)差分放大器:放大器将霍尔电压放大,以便驱动后一级整形电路。(3)整形电路:一般采用施密特触发器,它把经差分放大的电压整形为矩形脉冲,实现A/D转换。(4)输出管:由一个或两个三极管组成,采用单管或双管集电极开路输

8、出,集电极输出的优点是可以跟很多类型的电路直接连接,使用方便。(5)电源电路:包括稳压电路和恒流电路,设置稳压和恒流电路的目的,一方面是为了改善霍尔传感器的温度性能,另一方面可以大大提高集成霍尔传感器工作电

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