第8章 霍尔传感器.pptVIP

传感器原理及应用——第八章 霍尔传感器 光电工程学院 弥 谦 2012年 8-1 霍尔传感器的工作原理、材料及结构 一、霍尔效应 霍尔是美国的一位物理学家，他在1879年首先在金属材料中发现了霍尔效应，后来人们发现某些半导体材料的霍尔效应十分显著，制成了霍尔元件，广泛用于电磁测量、位移测量、计数器、转速计及无触点开关等方面。 如图所示的半导体薄片，若在它的两端通以控制电流I，并在薄片的垂直方向上施加磁感应强度为B的磁场，则在垂直于电流和磁场的方向上（即霍尔输出端之间）将产生电动势UH（霍尔电势或霍尔电压），这种现象称为霍尔效应。具有霍尔效应的元件称为霍尔元件，霍尔式传感器就是由霍尔元件所组成。 如果材料是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： fL=－evB 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fL与洛仑兹力方向相反，将阻止电子继续偏转，其大小为: 式中EH为霍尔电场，e为电子电量，UH为霍尔电势。当fL= fE时，电子的积累达到动平衡，即 二、霍尔系数和灵敏度 当磁感应强度B和霍尔器件平面法线成角度?， UH=KHIBcos ? 通常霍尔器件加的是电压信号，代替电流I 根据公式： ?=1/ne?； R= ?L/S; S=bd; UH=-IB/ned I=E/R; 得到： 霍尔元件由霍尔片、 引线和壳体组成。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。 霍尔元件的输出电路 在实际应用中，要根据不同的使用要求采用不同的连接电路方式。如在直流激励电流情况下，位了获得较大的霍尔电压，可将几块霍尔元件的输出电压串联，如图（a）所示。在交流激励电流情况下，几块霍尔元件的输出可通过变压器接成如图（b）的形式，以增加霍尔电压或输出功率。 8-2 霍尔元件的主要特性参数 1．输入电阻Ri和输出电阻Ro 定义霍尔元件激励电极之间的电阻称为输入电阻Ri。霍尔电极之间的电阻称为输出电阻Ro 2．额定激励电流IN和最大允许激励电流Imax 霍尔元件在空气中产生的温升为10℃时，所对应的激励电流称为额定激励电流IN。以元件允许的最大温升为限制，所对应的激励电流称为最大允许激励电流Imax。 3．不等位电势和不等位电阻 当霍尔元件的激励电流为额定值IN时，若元件所处位置的磁感应强度为零，则它的霍尔电势应该为零，但实际不为零，这时测得的空载霍尔电势称为不等位电势。 产生原因:主要由霍尔电极安装不对称造成的,由于半导体材料的电阻率不均匀、基片的厚度和宽度不一致、霍尔电极与基片的接触不良（部分接触）等原因，即使霍尔电极的装配绝对对称，也会产生不等位电势。 补偿方法: 任意两相邻的电极之间可视为一个等效电阻，则霍尔元件可视为一四臂电桥，要不等位电势为0，只需电桥输出为零即可，因此采用加调零电位器的方法。 4．交流不等位电势与寄生直流电势 在不加外磁场的情况下，霍尔元件使用交流激励时，霍尔电极间的开路交流电势称为交流不等位电势。 （1） 产生交流不等位电势的原因与不等位电势相同。 （2）在此情况下输出的直流电势称为寄生直流电势。 而寄生直流电势的产生则是由于： 霍尔电极与基片间的非完全欧姆接触而产生的整流效应，使激励电流中包含有直流分量，通过霍尔元件的不等位电势的作用反映出来。一般情况下，不等位电势越小，寄生直流电势也越小。 （3）当两个霍尔电极的焊点大小不同时，由于它们的热容量、热耗散等情况的不同，引起两电极温度不同而产生温差电势，也是寄生直流电势的一部分。 5．霍尔电势温度系数α 在一定磁感应强度和激励电流下，温度每变化1℃时，霍尔电势变化的百分率，称为霍尔电势温度系数α。 6．霍尔灵敏系数KH 在单位控制电流和单位磁感应强度作用下，霍尔器件输出端的开路电压，称为霍尔灵敏系数KH，霍尔灵敏系数KH的单位为mV/（mA·T）。 8-3 霍尔传感器的应用 由于霍尔传感器具有在静态状态下感受磁场的独特能力，而且它具有结构简