霍尔传感器--大学.ppt

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1、5.2霍尔传感器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。霍尔元件是一种四端元件2021/7/281第五章电动势传感器一、霍尔元件的结构及工作原理半导体薄片置于磁感应强度为B的磁场中，磁场方向垂直于薄片，当有电流I流过薄片时，在垂直于电流和磁场的方向上将产生电动

2、势EH，这种现象称为霍尔效应。磁感应强度B为零时的情况cdab2021/7/282第五章电动势传感器磁感应强度B较大时的情况作用在半导体薄片上的磁场强度B越强，霍尔电势也就越高。霍尔电势EH可用下式表示：EH=KHIB/d2021/7/283第五章电动势传感器霍尔效应演示当磁场垂直于薄片时，电子受到洛仑兹力的作用，向内侧偏移，在半导体薄片c、d方向的端面之间建立起霍尔电势。cdab2021/7/284第五章电动势传感器一、工作原理及结构1、工作原理电子在磁场中受洛伦兹力作用（右手螺旋定则）：e:电子电荷;v

3、:电子运动平均速度;B:磁场的磁感应强度电子除了沿电流反方向作定向运动外,还在Fl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。2021/7/285第五章电动势传感器霍尔电场的出现,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，此力阻止电荷继续积累：EH为电场强度；UH为电位差;l为元件宽度随着上、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2021/7/2

4、86第五章电动势传感器霍尔电势正比于激励电流及磁感应强度，与载流材料的物理性质和几何尺寸有关；式中kH=1/ned称为霍尔片的灵敏度。表示在单位磁感应强度和单位控制电流时的霍尔电势的大小；d－薄片厚度n－电子浓度2021/7/287第五章电动势传感器☞霍尔元件的材料选择kH与n、e、d成反比，若要霍尔效应强,则kH值大。灵敏度kH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。薄膜霍尔元件厚度只有1μm左右。一般金属材料载流子迁移率很高；而绝缘材料载流子迁移率极低。故只有半导体材料适于制造霍尔

5、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。kH=1/ned2021/7/288第五章电动势传感器2、霍尔元件基本结构由霍尔片、引线和壳体组成,如图所示。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。2021/7/289第五章电动势传感器3、基本电路RW调节控制电流的大小。RL为负载电阻，可以是放大器的内阻或指示器

6、内阻。霍尔效应建立的时间极短（10-12～10-14S），I即可以是直流，也可以是交流。若被测物理量是I、B或者IB乘积的函数，通过测量霍尔电势UH就可知道被测量的大小。2021/7/2810第五章电动势传感器二、元件特性及其补偿1、元件特性（1）UH-I特性分析：UH-I特性曲线是线性的；kI-kH成正比∴kI∝1/d，∴kI大的元件，d小，不能通过较大电流，UH∝I不一定高，2021/7/2811第五章电动势传感器（2）UH-B特性当控制电流恒定时，霍尔元件的输出随B增加并不完全是线性关系，B＜0.5T

7、时，UH-B才呈较好线性。其中Hz-4型元件线性度高。当磁场为交变、电流是直流时，由于交变磁场在导体内产生涡流而输出附加霍尔电势，因此霍尔元件只能在几千Hz频率的交变磁场内工作。2021/7/2812第五章电动势传感器（3）R-B特性霍尔元件的内阻随磁场的绝对值增加而增加，这种现象称为磁阻效应。利用磁阻效应制成的磁阻元件也可用来测量各种机械量。但在霍尔式传感器中，霍尔元件的磁阻效应使霍尔输出降低，尤其在强磁场时，输出降低较多，需予以补偿。2021/7/2813第五章电动势传感器2、性能补偿（1）温度补偿

8、霍尔元件是采用半导体材料制成的,因此它们的许多参数都具有较大的温度系数。当温度变化时,霍尔元件的载流子浓度、迁移率、电阻率及霍尔系数都将发生变化,从而使霍尔元件产生温度误差。1）采用恒温措施2021/7/2814第五章电动势传感器2）UH=KHIB：采用恒流源供电,可以使霍尔电势稳定（减小由于输入电阻R随温度t变化而引起的激励电流I变化所带来的影响。）2021/7/2815第五章电动势传感器3）热敏电阻补偿霍尔元