第7章 磁电式传感器.pptVIP

本章知识要点 磁电式传感器的工作原理及应用。 理解霍尔效应的概念及霍尔电动势的产生原理。 霍尔传感器的测量电路及应用。 5、自动供水装置 6、霍尔式微压力传感器 若金属导电板单位体积内电子数为n，电子定向运动平均速度为v，则激励电流（单位时间内流过导体截面积的电荷量）I=-nevbd，则 UH=EHb EH=vB 式中令RH=-1/ne，称之为霍尔常数，其大小取决于导体载流子密度, 则 式中, KH=RH/d 称为霍尔片的灵敏度，表征霍尔元件在单位控制电流和单位磁感应强度时产生的霍尔电压的大小，与霍尔系数RH成正比，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。 可见，霍尔电势正比于激励电流及磁感应强度，其灵敏度与霍尔系数RH成正比而与霍尔片厚度d成反比。 可见，霍尔电势正比于电压UC及磁感应强度B，与材料的迁移率和器件的宽度成正比，与器件的长度成反比。 即霍尔常数等于霍尔片材料的电阻率与电子迁移率μ的乘积。 经过推导，霍尔元件的霍尔常数为 半导体 绝缘体 金属 金属材料载流子迁移率很高，但电阻率很小； 绝缘材料电阻率极高，但载流子迁移率极低; 只有半导体材料才适于制造霍尔片。 ？ 材料：锗、硅、砷化镓、砷化铟、锑化铟 N型半导体 磁场不垂直于霍尔元件时的霍尔电动势 若磁感应强度B不垂直于霍尔元件，而是与其法线成某一角度? 时，实际上作用于霍尔元件上的有效磁感应强度是其法线方向（与薄片垂直的方向）的分量，即Bcos?，这时的霍尔电势为 EH=KHIBcos? 结论：霍尔电势与输入电流I、磁感应强度B成正比，且当B的方向改变时，霍尔电势的方向也随之改变。如果所施加的磁场为交变磁场，则霍尔电势为同频率的交变电势。 磁场不垂直于霍尔元件时的霍尔电动势演示 结论：霍尔电势与输入电流I、磁感应强度B成正比。当B的方向改变时，霍尔电势的方向也随之改变。 若所施加的磁场为交变磁场，霍尔电势为同频率的交变电势。 a a c d b 2. 霍尔元件基本结构 （a） 外形结构示意图； （b） 图形符号 霍尔元件的结构很简单，它是由霍尔片、四根引线和壳体组成。霍尔片是一块矩形半导体单晶薄片， 霍尔元件的壳体是用非导磁金属、 陶瓷或环氧树脂封装的。 在电路中， 霍尔元件一般可用两种符号表示。 输入1 输入2 输出1 输出2 磁性顶端 引线 衬底 霍尔元件 溅射工艺制作的 锑化铟霍尔元件 线性特性与开关特性 不等位电阻 负载特性 温度特性 (1) 线性特性与开关特性 线性特性：霍尔元件的输出电动势与参数I、B成线性关系。 开关特性：霍尔元件的输出电动势在一定区域内随B的增加而迅速增加的特性。 线性区 3. 霍尔元件基本特性及参数 (2) 不等位电阻 当霍尔元件的激励电流为I时，若元件所处位置磁感应强度为零，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。 产生不等位电阻的原因有： ① 霍尔电极安装位置不对称或不在同一等电位面上； ② 半导体材料不均匀造成了电阻率不均匀或是几何尺寸不均匀； ③ 激励电极接触不良造成激励电流不均匀分布等。 式中： U0——不等位电势； r0——不等位电阻； I ——激励电流。 (3) 负载特性 在线性特性描述的霍尔电动势，是在霍尔电极间开路或测量仪表阻抗无穷大情况下测得。当霍尔电极间串接负载时，由于其内阻上产生压降，实际的霍尔电动势比理论值略小。 (4) 温度特性 温度对半导体材料有较大的影响。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。它同时也是霍尔系数的温度系数。 (5) 输入电阻和输出电阻 输入电阻：控制电极间的电阻。 输出电阻：霍尔电极之间的电阻。 (6) 额定控制电流和最大允许控制电流 额定控制电流：当霍尔元件有控制电流使其本身在 空气中产生10℃温升时，对应的控制电流值。 最大允许控制电流：以元件允许的最大温升为限制 所对应的控制电流值。 以上电阻值是在磁感应强度为零，且环境温度在20℃±5℃时所确定的。 寄生直流电势产生的原因有： ① 激励电极、霍尔电极与霍尔元件接触不良，接触面双方载流子浓度差异，易