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