自动检测技术与应用第八章
56页1、第八章第八章 霍尔传感器霍尔传感器 本章主要学习霍尔传感器本章主要学习霍尔传感器 的工作原理的工作原理、霍尔集成电路霍尔集成电路的的特性特性及其在检测技术中的应及其在检测技术中的应用用,还涉及还涉及交直流电流传感器交直流电流传感器以及以及安全栅安全栅。 霍霍尔尔元件是元件是 一种一种四端元件四端元件 第一节第一节 霍尔元件的结构及工作原理霍尔元件的结构及工作原理 半导体薄片置于磁感应强度为半导体薄片置于磁感应强度为B 的磁场中的磁场中, 磁场方向垂直于薄片磁场方向垂直于薄片,当有电流当有电流I 流过薄片时流过薄片时,在在 垂直于电流和磁场的方向上将产生电动势垂直于电流和磁场的方向上将产生电动势EH,这这 种现象称为种现象称为霍尔效应霍尔效应。 磁感应强度磁感应强度B B为零时的为零时的情况情况 c c d d a a b b 磁感应强度磁感应强度B B 较大时的情况较大时的情况 作用在半导体薄片上的磁场强度作用在半导体薄片上的磁场强度B越强越强,霍尔电势霍尔电势 也就越高也就越高。霍尔电势霍尔电势EH可用下式表示可用下式表示: EH=KH IB 霍尔效应演示霍尔效应演示 当磁场垂直于薄
2、片时当磁场垂直于薄片时,电子受到洛仑兹力的电子受到洛仑兹力的 作用作用,向内侧向内侧(d侧侧)偏移偏移,在半导体薄片在半导体薄片c、d方方 向的端面之间建立起霍尔电势向的端面之间建立起霍尔电势。 c c d d a a b b 磁场不垂直于霍尔元件时的霍尔电动势磁场不垂直于霍尔元件时的霍尔电动势 若磁感应强度若磁感应强度B B不垂直于霍尔元件不垂直于霍尔元件,而是与其而是与其法线法线 成某一角度成某一角度 时时,实际上作用于霍尔元件上的实际上作用于霍尔元件上的有效磁有效磁 感应强度感应强度是其法线方向是其法线方向(与薄片垂直的方向与薄片垂直的方向)的分的分 量量,即即B Bcoscos ,这时的这时的霍尔电势与法线的夹角的余弦成霍尔电势与法线的夹角的余弦成 正比正比: E EH H= =K KH HIBIBcoscos 磁场不垂直于霍尔元件时的霍尔电动势磁场不垂直于霍尔元件时的霍尔电动势演示演示 结论结论:霍尔电势与输入电流霍尔电势与输入电流I、磁感应强度磁感应强度B成正比成正比。 当当B的方向改变时的方向改变时,霍尔电势的方向也随之改变霍尔电势的方向也随之改变。 如果所施加的磁场为交
3、变磁场如果所施加的磁场为交变磁场,霍尔电势为同频率霍尔电势为同频率 的交变电势的交变电势。 a a c c d d b b 霍尔元件的主要外特性参数霍尔元件的主要外特性参数 最大最大磁感应强度磁感应强度BM 上图所示霍尔元件的线性范围是上图所示霍尔元件的线性范围是负的多少高斯负的多少高斯 至正的多少高斯至正的多少高斯?(?(1T104Gs) 线性区线性区 霍尔元件的主要外特性参数霍尔元件的主要外特性参数(续续) 最大最大激励电流激励电流IM : : 由于霍尔电势随激励电流增大而增大由于霍尔电势随激励电流增大而增大,故故 在应用中总希望选用较大的激励电流在应用中总希望选用较大的激励电流。但激励但激励 电流增大电流增大,霍尔元件的霍尔元件的功耗增大功耗增大,元件的温度元件的温度 升高升高,从而从而引起霍尔电势的温漂增大引起霍尔电势的温漂增大,因此每因此每 种型号的元件均规定了相应的种型号的元件均规定了相应的最大激励电流最大激励电流, 它的数值从几毫安至十几毫安它的数值从几毫安至十几毫安。 以下哪一个以下哪一个激励电流的数值较为妥当激励电流的数值较为妥当? 8 8A A 0 0. .8 8m
4、AmA 8 8mAmA 8080mAmA 第二节第二节 霍尔集成电路霍尔集成电路 霍尔集成电路可分为线性型和开关型两大类霍尔集成电路可分为线性型和开关型两大类。 线性型集成电路是将霍尔元件和恒流源线性型集成电路是将霍尔元件和恒流源、线性差线性差 动放大器等做在一个芯片上动放大器等做在一个芯片上,输出电压为伏级输出电压为伏级,比直比直 接使用霍尔元件方便得多接使用霍尔元件方便得多。较典型的线性型霍尔器件较典型的线性型霍尔器件 如如UGN3501等等。 线性型三端线性型三端 霍尔集成电路霍尔集成电路 线性型霍尔特性线性型霍尔特性 右图示出了具有双右图示出了具有双 端差动输出特性的线性端差动输出特性的线性 霍尔器件的输出特性曲霍尔器件的输出特性曲 线线。当磁场为零时当磁场为零时,它它 的输出电压等于零的输出电压等于零;当当 感受的磁场为正向感受的磁场为正向(磁磁 钢的钢的S S极对准霍尔器件极对准霍尔器件 的正面的正面)时时, 输出为输出为 正正;磁场反向时磁场反向时,输出输出 为负为负。 请请画出线性范围画出线性范围 开关型霍尔集成电路开关型霍尔集成电路 开关型霍尔集成电路是将开关型霍尔集
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