霍尔传感器原理及其应用课件.ppt

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1、第7章霍尔传感器原理及其应用7.1概述7.2霍尔传感器的测量电路和误差分析7.3霍尔传感器的应用电路7.1概述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。霍尔传感器是基于霍尔效应将被测量（如电流、磁场、位移、压力、压差、转速等）转换成电动势输出的一种传感器。虽然它的转换率较低、温度影响大、要求转换精度较高时必须进行温度补偿，但霍尔式传感器结构简

2、单、体积小、坚固、频率响应宽（从直流到微波）、动态范围（输出电动势的变化）大、非接触、使用寿命长、可靠性高、易于微型化和集成化。因此在测量技术、自动化技术和信息处理得到了广泛的应用。7.1.1霍尔元件的结构霍尔元件的外形如图7-1（a）所示，它是由霍尔片、4根引线和壳体组成。霍尔片是一块矩形半导体单晶薄片（一般为），在它的长度方向两端面上焊有a、b两根引线，称为控制电流端引线，通常用红色导线。其焊接处称为控制电流极（或称激励电流），要求焊接处接触电阻很小，并呈纯电阻，即欧姆接触（无PN结特性）。在薄片的另两侧端面的中间以点的

3、形式对称地焊有c、d两根霍尔输出引线，通常用绿色导线。其焊接处称为霍尔电极，要求欧姆接触，且电极宽度与基片长度之比小于0.1，否则影响输出。霍尔元件的壳体上是用非导磁金属、陶瓷或环氧树脂封装。7.1.1霍尔元件的结构霍尔元件的外形如图7-1（a）所示，图7-1（b）为霍尔元件结构示意图，图7-1（c）是霍尔元件符号。目前，最常用的霍尔元件材料是鍺（Ge）、硅（Si）、锑化铟（InSb）、砷化铟（InAs）和不同比例亚砷酸铟和磷酸铟组成的In型固熔体等半导体材料。20世纪80年代末出现了一种新型霍尔元件——超晶格结构（砷化铝/

4、砷化稼）的霍尔器件，它可以用来测的微磁场。可以说，超晶格霍尔元件是霍尔元件的一个质的飞跃。图7-1霍尔元件7.1.2霍尔传感器的命名方法国产霍尔元件型号命名的方法，如图7-2所示。7.1.3霍尔传感器的工作原理半导体薄片置于磁场中，当它的电流方向与磁场方向不一致时，半导体薄片上平行于电流和磁场方向的两个面之间产生电动势，这种现象称为霍尔效应，该电动势称霍尔电势，半导体薄片称霍尔元件。如图7-3所示，在垂直于外磁场B的方向上放置半导体薄片，当有电流I流过薄片时，在垂直于电流和磁场方向上将产生霍尔电势。作用在半导体薄片上的磁场强

5、度B越强，霍尔电势也就越高。图7-3霍尔效应原理图7.1.3霍尔传感器的工作原理霍尔电势可用下式表示：——霍尔器件的灵敏度，它表示霍尔器件在单位磁感应强度和单位激励电流作用下霍尔电势的大小。7.1.4霍尔传感器的特性参数由式（7-1）看出，当磁场和环境温度一定时，霍尔元件输出的霍尔电势与控制电流I成正比。同样，当控制电流和环境温度一定时，霍尔元件的输出电势与磁感应强度B的乘积成正比。用上述的一些线性关系可以制作多种类型的传感器。但是，只有磁感应强度小于0.5T时，上述的线性关系才较好。霍尔元件的主要特性参数如下1．额定控制电

6、流与最大控制电流2．输入电阻和输出电阻3.乘积灵敏度4.不等位电势和不等位电阻7.2霍尔传感器的测量电路和误差分析7.2.1霍尔传感器的测量电路霍尔元件的基本测量电路如图7-4所示。控制电流I由电压源E供给，R是调节电阻，用以根据要求改变I的大小。所施加的外电场B一般与霍尔元件的平面垂直。控制电流也可以是交流电。图7-4霍尔元件的基本测量电路7.2.2霍尔传感器的误差分析霍尔元件对温度的变化很敏感，因此，霍尔元件的输入电阻、输出电阻、乘积灵敏度等将受到温度变化的影响，从而给测量带来较大的误差。为了减少测量中的温度误差，除了选

7、用温度系数小的霍尔元件或采取一些恒温措施外，也可使用以下的温度补偿方法。（1）恒流源供电恒流源温度补偿电路，如图7-5所示。图7-5恒流源温度补偿电路（2）采用热敏元件对于由温度系数较大的半导体材料制成的霍尔元件，采用图7-6所示的温度补偿电路，图中是热敏元件（热电阻或热敏电阻）。图7-6（a）是在输入回路进行温度补偿的电路；图7-6（b）则是在输出回路进行温度补偿的电路。在安装测量电路时，热敏元件最好和霍尔元件封装在一起或尽量靠近，以使二者的温度变化一致。(a)在输入回路进行补偿；(b)在输出回路进行补偿图7-6采用热敏元

8、件的温度补偿电路（3）不等位电势的补偿不等位电势与霍尔电势具有相同的数量级，有时甚至超过霍尔电势。实用中，若想消除不等位电势是极其困难的，因而只有采用补偿的方法。由图7-7看出，不等位电势由不等位电阻产生，因此可以用分析电阻的方法找到一个不等位电势的补偿方法。图7-7霍尔元件的等效电路（3