第6章 霍耳传感器.ppt

2002/12总结 * 磁电式传感器 磁电式传感器是通过磁电作用将被测量(如振动、位移、转速等)转换成电信号的一种传感器。它不需要辅助电源，是一种有源传感器。 磁电感应式传感器、霍尔式传感器都是磁电式传感器。 磁电感应式传感器是利用导体和磁场发生相对运动产生感应电势的；霍尔式传感器为载流半导体在磁场中有电磁效应(霍尔效应)而输出电势的。它们原理并不完全相同，因此各有各的特点和应用范围。 霍尔式传感器 霍尔效应和霍尔元件材料 霍尔元件构造及测量电路 霍尔元件的主要技术指标 霍尔元件的补偿电路 霍尔式传感器的应用举例 霍尔式传感器是利用霍尔元件基于霍尔效应原理而将被测量、如电流、磁场、位移、压力等转换成电动势输出的一种传感器。 霍尔效应和霍尔元件材料 霍尔效应 一块长为l、宽为b、厚为d的半导体薄片置于磁感应强度为B的磁场(磁场方向垂直于薄片)中，如图所示。当有电流I流过时，在垂直于电流和磁场的方向上将产生电动势UH。这种现象称为霍尔效应。霍尔式传感器是由霍尔元件所组成。 霍尔效应原理图 每个电子受洛伦兹力 fl 的作用， fl 的大小为： fl=eBv 式中：e——电子电荷；  v——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 的作用下漂移，结果使金属导电板内侧面积累电子，而外侧面积累正电荷，从而形成了附加内电场 EH，称霍尔电场，该电场强度为： 式中, UH为电位差。 霍尔电场的出现，使定向运动的电子除了受洛伦兹力作用外，还受到霍尔电场力的作用，其力的大小为eEH，此力阻止电荷继续积累。 随着内、外侧面积累电荷的增加，霍尔电场增大，电子受到的霍尔电场力也增大，当电子所受洛伦磁力与霍尔电场作用力大小相等方向相反，即 ： eEH=eBv 则有： EH=vB 此时电荷不再向两侧面积累，达到平衡状态。 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I=nevbd，即： 代入上式得： 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。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。为了提高灵敏度，霍尔元件常制成薄片形状。 RH=μρ 进一步的推导可以得到： μ为电子迁移率，ρ为电阻率 若要霍尔效应强，则希望有较大的霍尔系数RH，因此要求霍尔片材料有较大的电阻率和载流子迁移率。 一般金属材料载流子迁移率很高，但电阻率很小；而绝缘材料电阻率极高，但载流子迁移率极低，故只有半导体材料才适于制造霍尔片。 霍尔元件材料 1．锗(Ge)，N型及P型均可。 2．硅(Si)．N型及P型均可。 3．砷化铟(InAs)和锑化铟(InSb)，这两种材料的特性很相似。 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。 其中N型锗容易加工制造，其霍尔系数、 温度性能和线性度都较好。N型硅的线性度最好，其霍尔系数、 温度性能同N型锗。锑化铟对温度最敏感，尤其在低温范围内温度系数大，但在室温时其霍尔系数较大。砷化铟的霍尔系数较小，温度系数也较小，输出特性线性度好。 霍尔元件结构: 霍尔片 四极引线 壳体 霍尔元件构造及测量电路 测量电路 霍尔元件的基本测量电路如图所示。 激励电流由电源E供给，可变电阻RP用来调节激励电流I的大小。RL为输出霍尔电势UH的负载电阻。通常它是显示仪表、记录装置或放大器的输入阻抗。 为得到较大的霍尔输出，当元件的工作电流为直流时，可把几个霍尔元件输出串连起来，但控制电流极应并联。 当霍尔元件的输出信号不够大时，也可采用运算放大器加以放大，元件与放大器集成在同一芯片内。 霍尔元件的主要技术指标 霍尔元件的主要技术指标: 额定激励电流IH 使霍尔元件温升10℃所施加的控制电流值称为额定激励电流。通常用IH表示。 输入电阻Ri 它是指控制电流极间的电阻值。它规定要在室温(20±5℃)的环境温度中测取。 输出电阻Rs 它是指霍尔电极间的电阻值。规定中要求在(20±5℃)的条件下测取。 不等位电势及零位电阻r0 当霍尔元件通以控制电流IH而不加外磁场时，它的霍尔输出端之间仍有空载电势存在，该电势就称为不等位电势(或零位电