自动检测技术第4版赖申江、马西秦电子课件 第9章 霍耳传感器.ppt

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1、第一节霍尔传感器的工作原理第二节集成霍尔传感器第三节霍尔传感器的应用第九章霍尔传感器霍耳传感器是利用半导体材料的霍耳效应进行测量的一种传感器。它可以直接测量磁场及微位移量，也可以间接测量液位、压力等工业生产过程参数。第一节霍尔传感器的工作原理一、霍尔效应在置于磁场中的导体或半导体内通入电流，若电流与磁场垂直，则在与磁场和电流都垂直的方向上会出现一个电势差，这种现象称为霍耳效应。利用霍耳效应制成的元件称为霍耳传感器。半导体，置于磁场B，通入电流I，电子受洛伦兹力FL，产生霍耳电场EH，输出霍耳电压UH。被称为霍耳效应。N半导体BIvF++++++UH输出U霍尔传感器工作原理示意图如图所

2、示，半导体材料的长、宽、厚分别为ｌ、ｂ和ｄ。在与ｘ轴相垂直的两个端面Ｃ和Ｄ上做两个金属电极，称为控制电极。在控制电极上外加一电压Ｕ，材料中便形成一个沿ｘ方向流动的电流Ｉ，称为控制电流。设图中的材料是Ｎ型半导体，导电的载流子是电子。在ｚ轴方向的磁场作用下，电子将受到一个沿ｙ轴负方向的力的作用，这个力就是洛仑兹力。洛仑兹力用ＦＬ表示，大小为式中，ｑ为载流子电荷；ｖ为载流子的运动速度；Ｂ为磁感应强度。在洛仑兹力的作用下，电子向一侧偏转，使该侧形成负电荷的积累，另一侧则形成正电荷的积累。这样，Ａ、Ｂ两端面因电荷积累而建立了一个电场ＥＨ，称为霍耳电场。该电场对电子的作用力与洛仑兹力的方向相反，

3、即阻止电荷的继续积累。当电场力与洛仑兹力相等时，达到动态平衡。这时霍耳电场的强度为：在Ａ与Ｂ两点间建立的电势差称为霍耳电压为：由式可见，霍耳电压的大小决定于载流体中电子的运动速度，它随载流体材料的不同而不同。材料中电子在电场作用下运动速度的大小常用载流子迁移率来表征。所谓载流子迁移率，是指在单位电场强度作用下，载流子的平均速度值。载流子迁移率用符号μ表示，μ＝ｖ／ＥＩ。其中ＥＩ是Ｃ、Ｄ两端面之间的电场强度。它是由外加电压Ｕ产生的，即ＥＩ＝Ｕ／ｌ。因此我们可以把电子运动速度表示为ｖ＝μＵ／ｌ。这时式9-3可改写为：当材料中的电子浓度为ｎ时，有如下关系式：ＲＨ为霍耳系数，它反映材料霍耳效

4、应的强弱。ＫＨ为霍耳灵敏度，它表示一个霍耳元件在单位控制电流和单位磁感应强度时产生的霍耳电压的大小。可以看出：1、霍耳电压ＵＨ与材料的性质有关。在半导体材料中，由于电子的迁移率比空穴的大，所以霍耳元件一般采用Ｎ型半导体材料。2、霍耳电压ＵＨ与元件的尺寸有关。ｄ愈小，ＫＨ愈大，霍耳灵敏度愈高，所以霍耳元件的厚度都比较薄。3、霍耳电压ＵＨ与控制电流及磁场强度有关。ＵＨ正比于Ｉ及Ｂ。当控制电流恒定时，Ｂ愈大，ＵＨ愈大。当磁场改变方向时，ＵＨ也改变方向。同样，当霍耳灵敏度ＲＨ及磁感应强度Ｂ恒定时，增加控制电流Ｉ，也可以提高霍耳电压的输出。二、霍耳元件霍耳元件种类很多，部分国产霍耳元件有关参数

5、见下表。三、温度特性及补偿1、温度特性霍耳元件的温度特性是指元件的内阻及输出与温度之间的关系。不同材料的内阻及霍耳电压与温度的关系曲线如图所示。2、温度补偿霍耳元件温度补偿的方法很多，两种常用的方法如下：（1）输入补偿（2）输出补偿四、零位特性及补偿在无外加磁场或无控制电流的情况下，元件产生输出电压的特性称为零位特性，由此而产生的误差称为零位误差。主要表现在以下几个方面。１不等位电压在无磁场的情况下，霍耳元件通过一定的控制电流，两输出端产生的电压称为不等位电压。２寄生直流电压在无磁场的情况下，元件通入交流电流，输出端除交流不等位电压以外的直流分量称为寄生直流电压。３感应电动势在

6、未通电流的情况下，由于脉动或交变磁场的作用，在输出端产生的电动势称为感应电动势。４自激场零电压在无外加磁场的情况下，由控制电流所建立的磁场在一定条件下使霍耳元件产生的输出电压称为自激场零电压。第二节　集成霍耳传感器集成霍耳传感器是利用硅集成电路工艺将霍耳元件和测量线路集成在一起的一种传感器。它取消了传感器和测量电路之间的界限，实现了材料、元件、电路三位一体。集成霍耳传感器与分立元件相比，由于减少了焊点，因此显著地提高了可靠性。此外，它具有体积小、重量轻、功耗低等优点，正越来越受到人们的重视。集成霍耳传感器的输出是经过处理的霍耳输出信号。按照输出信号的形式，可以分为开关型集成霍耳传感

7、器和线性集成霍耳传感器两种类型。一、开关型集成霍耳传感器开关型集成霍耳传感器是把霍耳元件的输出经过处理后输出一个高电平或低电平的数字信号。其典型电路如图9-6所示。国产ＣＳ系列开关型霍耳集成电路主要技术参数见表9-3。I1.B=0U2=1U3=1无UH设计使IC10U2=0U3=0+-UH>0V1通V2截止V3截止V4通V5V6通V7V8通IU2=1U3=1+-UH<0V1截止V2通V3通