霍尔传感器分析培训资料.ppt

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1、霍尔传感器分析霍尔效应原理图霍尔效应9/18/20212霍尔元件金属或半导体薄片置于磁场中，当有电流流过时，在垂直于电流和磁场的方向上将产生电动势，这种物理现象称为霍尔效应。9/18/20213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轴负方向力的作用，这个力就是洛仑兹力。它的大小为：zxyIADBCBlLdUHA、B-霍尔电极C、D-控制电极FH9/18/20214电荷的聚积必将产生静电场，即为霍尔电场，该静电场对电子的作用力为FE与洛仑兹力方向相反，将阻

2、止电子继续偏转，其大小为q0—电子电量(1.62×10C)；v—载流子运动速度。根据左手螺旋定则，电子运动方向向y的反方向偏移，则在上端产生电子积聚，另外一端失去电子产生正电荷积聚。从而形成电场。电场作用于电子的电场力为电场力与洛仑兹力方向相反，阻止电子继续偏转，当达到动态平衡时-199/18/20215霍耳电势UH与IC、B的乘积成正比，而与d成反比。可改写成：电流密度j=nq0vn—N型半导体中的电子浓度P型半导体—霍耳系数，由材料物理性质决定。p—P型半导体中的空穴浓度ρ—材料电阻率μ—载流子迁移

3、率霍耳片全部采用半导体材料制成。而电子的迁移率比空穴大，所以以N型半导体居多。9/18/20216设KH=RH/dKH—霍尔元件灵敏度。它与材料的物理性质和几何尺寸有关，它决定霍尔电势的强弱。若磁感应强度B的方向与霍尔元件的平面法线夹角为θ时，霍耳电势应为：UH＝KHICBUH＝KHICBcosθ注意：当控制电流的方向或磁场方向改变时，输出霍耳电势的方向也改变。但当磁场与电流同时改变方向时，霍耳电势并不改变方向。9/18/20217通过以上分析可知：1）霍尔电压UH与材料的性质有关n愈大，KH愈小，霍尔

4、灵敏度愈低；n愈小，KH愈大，但n太小，需施加极高的电压才能产生很小的电流。因此霍尔元件一般采用N型半导体材料2）霍尔电压UH与元件的尺寸有关。d愈小，KH愈大，霍尔灵敏度愈高，所以霍尔元件的厚度都比较薄，但d太小，会使元件的输入、输出电阻增加。霍尔电压UH与控制电流及磁场强度成正比，当磁场改变方向时，也改变方向。3）P型半导体，其多数载流子是空穴，也存在霍尔效应，但极性和N型半导体的相反。4）霍尔电压UH与磁场B和电流I成正比，只要测出UH，那么B或I的未知量均可利用霍尔元件进行测量。UH＝KHICB

5、KH=RH/d9/18/202181、霍尔元件的基本结构组成由霍尔片、四根引线和壳体组成，如下图示。二、霍尔元件的结构、符号图3－12霍尔元件(a)霍尔效应原理；(b)霍尔元件结构示意图；(c)外形9/18/20219国产霍尔元件型号的命名方法9/18/2021102.霍尔片的基本电路霍尔元件的符号9/18/202111三、霍尔元件的特征参数1、输入电阻Ri和输出电阻R0Ri是指流过控制电流的电极（简称控制电极）间的电阻值，R0是指霍尔元件的霍尔电势输出电极（简称霍尔电极）间的电阻，单位为Ω。可以在无磁

6、场即B＝0和室温（205）℃时，用欧姆表等测量。9/18/2021122、额定控制电流IC和最大控制电流ICm霍尔元件在空气中产生10℃的温升时所施加的控制电流称为额定控制电流IC。在相同的磁感应强度下，IC值较大则可获得较大的霍尔输出。霍尔元件限制IC的主要因素是散热条件。一般锗元件的最大允许温升ΔTm<80℃，硅元件的ΔTm<175℃。当霍尔元件的温升达到ΔTm时的IC就是最大控制电流ICm。3、最大磁感应强度磁感应强度超过时，霍尔电势的非线性误差将明显增大，数值一般小于零点几特斯拉。4、灵敏度KH

7、其定义5、磁灵敏系数霍尔器件输出端开路电压与磁感应强度之比，单位V/T。9/18/202113在额定控制电流Ic之下，不加磁B＝0时，霍尔电极间的空载霍尔电势UH≠0，称为不平衡(不等位)电势，单位为mV。一般要求霍尔元件的UH<1mV，好的霍尔元件的UH可以小于0.1mV。不等位电势和额定控制电流Ic之比为不等位电阻RM，即6、不等位电势UM和不等位电阻RM不平衡电势UH是主要的零位误差。因为在工艺上难以保证霍尔元件两侧的电极焊接在同一等电位面上。如下图(a)所示。当控制电流I流过时，即使末加外磁场，

8、A、B两电极此时仍存在电位差，此电位差被称为不等位电势（不平衡电势）UH。9/18/202114在一定的磁感应强度和控制电流下，温度变化1℃时，霍尔电势变化的百分率称为霍尔电势温度系数，单位为1／℃。7、霍尔电势温度系数9/18/202115四、霍尔元件的连接方式和输出电路1、连接方式为了获得较大的霍尔输出电势，可以采用几片叠加的连接方式。下图(a)为直流供电，控制电流端并联输出串联。下图(b)为交流供电，控制电流端串联变压器叠加输出。9/