传感器7霍尔传感器ppt课件.ppt

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1、7.4霍耳传感器是利用霍耳效应将被测非电量转换为电量的一种传感器。特点：灵敏度高，线性好，稳定性高，体积小，耐高温。霍耳式传感器7.4.1霍耳效应霍耳传感器就是基于霍耳效应，把一个导体（半导体薄片）两端通以控制电流Ⅰ，在与电流不同的方向施加磁感强度B的磁场，在薄片的另外两侧会产生一个与控制电流Ⅰ和磁场强度B的乘积成比例的电动势。通电的导体（半导体）放在磁场中，电流Ⅰ与磁场B方向不同时，在导体另外两侧会产生感应电动势，这种现象称霍耳效应。霍耳式传感器霍耳效应是由于运动电荷受磁场力（洛伦兹力）和电场力共同作用的结果。一块长度为b、宽度为a、厚度为

2、d的P型半导体薄片，将它置于磁场强度为B的磁场静止不动，当y轴方向有电流I流动时，则有一个负电子与电流反向以速度v运动，如图：7.4.1.1洛伦兹力的形成由磁场理论，带电导体（电子）在磁场运动将受磁场力的作用，其大小为由矢量运算法则得大小为霍耳式传感器洛伦兹力的方向由以下因素决定：1）决定于v和B之间的夹角2）决定于电荷Q的符号3）用左手螺旋定则判定若将取为电子，Q＝e，则电子以速度v与电流相反的方向运动的同时，因切割磁力线而产生洛伦兹力使电子的运动轨道发生偏转，后面不断积累电子，前面因失去电子而带正电荷。7.4.1.2电场力的形成由于前后不

3、断积累正、负电荷而形成电场强度E，于是有霍耳式传感器霍耳传感器7.4.1.3霍耳电势的形成当作用于负电子上的两个反向力相等时，电子积累过程达到平衡，此时Fe＝FL即：Ee＝evBsinaE=vBsina所以AB前后两面形成的电势为霍耳电势为：通过（半）导体薄片的电流I与载流子浓度n，电子运动速度v，薄片横截面积a*d有关：由霍耳传感器的工作原理式得：1）UH∝ⅠB2）UH∝1/d3）UH的方向与Ⅰ·B有关4）UH的灵敏度为5）霍耳系数霍耳式传感器讨论：任何材料在一定条件下都能产生霍尔电势，但不是都可以制造霍尔元件。绝缘材料电阻率很大，电子迁移

4、率很小，不适用；金属材料电子浓度很高，RH很小，UH很小。半导体电子迁移率一般大于空穴的迁移率，所以霍尔元件多采用N型半导体（多电子）。由上式可见，厚度d越小，霍尔灵敏度KH越大，所以霍尔元件做的较薄，通常近似1微米。霍耳式传感器7.5霍耳元件的符号、基本电路、霍耳元件的组合使用及输出电路7.5.1符号和基本电路霍耳式传感器7.5.2组合使用电路控制端并联，输出端串联霍耳式传感器7.5.3霍耳电势的输出电路霍耳器件本身是一个四端口器件，本身不带放大器。霍耳片每片输出电势为毫伏级，在实际使用时必须加差分放大器。霍耳元件的输出电路可分为线性电路和

5、开关电路，线性电路通常选用灵敏度低一点，不等电位小的、稳定性和线性好的霍耳元件。开关电路一般选用放大器和灵敏度高的霍耳元件。霍耳式传感器霍尔接近开关线性霍尔元件霍耳式传感器7.6霍耳元件的测量误差及补偿霍耳元件在使用中，存在多种因素影响测量精度。主要有两类：半导体制造工艺和半导体固有特性。其表现为由零位误差和温度误差而引起的测量误差。7.6.1零位误差及补偿霍耳元件的零位误差是加控制电流而不加磁场时出现的霍耳电势。产生的主要原因1)不等位电势及补偿霍耳式传感器（1）当A、B极处于同一等电位面上时，电桥平衡，则不等电位（2）当A、B极不处于同一

6、等电位面上时，根据两点电位高低，判断应在某一臂上并联一个电阻，使电桥平衡。常用的不等位电势补偿电路B霍耳式传感器霍耳式传感器2）寄生直流电势误差产生寄生直流电势的主要原因是：控制极与霍尔极元件接触不良，形成非欧姆接触；2个霍尔电极大小不对称，使2个电极的热容量不同，散热状态不同，两极间出现温差电势，使霍尔元件产生温漂所致。3）感应零位电势误差霍尔元件在交流或脉动磁场中工作时，即使不加控制电流，由于霍尔极分布不对称，霍尔端也有一定输出，其大小正比于磁场的脉动频率、磁感应强度的幅值和两霍尔电极引线构成的感应面积。4）自励磁场零位电势误差当霍

7、尔元件通以控制电流时，此电流也会产生磁场，称自励磁场。当电极引线不对称时，元件两边磁感应强度不相等，将有自励场的零位电势输出。霍耳式传感器7.6.2霍耳元件的温度误差及补偿霍尔元件是半导体元件，它的许多参数与温度有关。当温度T变化时，载流子浓度n、迁移率μ、电阻率ρ，霍尔系数RH都会变化。以下是几种补偿方法：恒流源补偿：由UH=KHIB可见恒流源供电可使UH稳定但灵敏度系数KH=RH/d=1/ned也是温度的函数：霍耳式传感器具体补偿方法:在霍尔元件上并联一R0分流，当T增大时—Ri增大—UH增大—ⅠH减小—Ⅰ0增大—UH下降，R0自动加强分

8、流，使Ⅰ0增大—ⅠH下降—UH下降,补偿电阻R0可选择负温度系数。其他补偿方法：输出回路的负载补偿法，热敏电阻补偿法，输出回路并联电阻补偿法，桥路补偿法。霍耳式传感