资源描述：
《霍尔传感器工作原理02.ppt》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在行业资料-天天文库。
1、第5章霍尔式传感器第5章霍尔式传感器第5章霍尔式传感器5.1霍尔效应及霍尔元件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。1.霍尔效应置于磁场中的静止载流导体,当它的电流方向与磁场方向不一致时,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。第5章霍尔式传感器图5-1所示,在垂直于外磁场B的方向上放
2、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fm的作用，fm大小为fm=eBv（5-1）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。第5章霍尔式传感器第5章霍尔式传感器fm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,还在fm的作用下向上漂移,结果使金属导电板上底面积累电子,而下底面积累正电荷,从而形成了附加内电场EH,称霍尔电场,该电场强度为EH=（5-2）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
3、大小为eEH，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,即第5章霍尔式传感器eEH=evB（5-3）则EH=vB（5-4）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,电子定向运动平均速度为v,则激励电流I=nevbd,则v=（5-5）将式（5-5）代入式（5-4）得EH=（5-6）第5章霍尔式传感器将上式代入式（5-1）得UH=（5-7）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（5-8）
4、式中KH=RH/d称为霍尔片的灵敏度。由式（5-8）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。第5章霍尔式传感器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=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(5-9)解得RH=μρ（5-10）从式（5-10）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
5、求霍尔片材料有较大的电阻率和载流子迁移率。第5章霍尔式传感器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。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。表5-1为常用国产霍尔元件的技术参数。第5章霍尔式传感器第5章霍尔式传感器第5章霍尔式传感器2.霍尔元件基本结构
6、霍尔元件的结构很简单,它由霍尔片、引线和壳体组成,如图5-2(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。霍尔元件壳体由非导磁金属、陶瓷或环氧树脂封装而成。在电路中霍尔元件可用两种符号表示，如图5-2(b)所示。第5章霍尔式传感器第5章霍尔式传感器3.霍尔元件基本特性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性增加,所以,使用中希望选用尽可能大的
7、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。2）输入电阻和输出电阻激励电极间的电阻值称为输入电阻。霍尔电极输出电势对外电路来说相当于一个电压源,其电源内阻即为输出电阻。以上电阻值是在磁感应强度为零且环境温度在20℃±5℃时确定的。第5章霍尔式传感器5.2霍尔元件测量误差及补偿霍尔元件在使用中，存在多种因素影响测量精度，主要原因有两类：半导体制造工艺和半导体固
