《项目4霍尔传感器》PPT课件.ppt

霍尔传感器霍尔传感器 霍尔传感器是基于霍尔效应的一种传感器1879年美国物理学家霍尔首先在金属材料中发现了霍尔效应，但由于金属材料的霍尔效应太弱而没有得到应用 由于霍尔传感器具有体积小体积小、成本低成本低、灵敏灵敏度高度高、性能可靠性能可靠、频率响应宽频率响应宽、动态范围大的特点动态范围大的特点，并可采用集成电路工艺，因此被广泛用于电磁测量、压力、加速度、振动等方面的测量 1. 霍尔效应 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霍尔效应该电动势称霍尔电势霍尔电势，半导体薄片称霍尔元件霍尔元件 霍尔效应实验山东农业大学物理实验教学中心山东农业大学物理实验教学中心Edwin Hall（1855～1938） 霍尔效应是霍尔霍尔效应是霍尔 (Hall)24岁时在美国霍普岁时在美国霍普金斯大学研究生期间，研金斯大学研究生期间，研究关于载流导体在磁场中究关于载流导体在磁场中的受力性质时发现的一种的受力性质时发现的一种现象霍尔效应测试仪霍尔效应测试仪霍尔效应实验仪霍尔效应实验仪 由由电磁铁（电磁铁（2500GS/A）、霍尔样品及调节架、双刀双掷开关构成）、霍尔样品及调节架、双刀双掷开关构成。

霍尔效应实验仪的部件之一：电磁铁霍尔效应实验仪的部件之一：电磁铁（（2500GS/A）） 霍尔样品及调节架霍尔样品及调节架 调节架上的水平和垂直刻度调节架上的水平和垂直刻度 霍尔效应测试仪霍尔效应测试仪 实验原理YXZ4312dB (1-1) 上式中比例系数R称为霍尔系数，对同一材料R为一常数因成品霍尔元件（根据霍尔效应制成的器件）d也是一常数故R/d常用另一常数K来表示，有K称为霍尔元件的灵敏度，它是一个重要参数，表示该元件在单位磁感应强度和单位电流作用时霍尔电压的大小如果霍尔元件的灵敏度K知道（一般由实验室给出），测出电流 和霍尔电压 ，就可以根据下式求出磁感应强度B霍尔效应的解释+ + + + + + + + - - - - - - - LxBbYd 现研究一个长度为L、宽度为d的N型半导体材料制成的霍尔元件当沿X方向通以电流 后，载流子（对N型半导体是电子）e将以平均速度v沿与电流相反的方向运动，在磁感应强度为B的磁场中，电子将受到洛仑兹力的作用，其大小为ezv 的方向可以由左手定则决定在 的作用下，电荷将在元件沿y的两端面堆积形成电场 它会对载流子产生一静电力 ，其大小为它的方向与洛仑兹力相反，即它是阻止电荷继续堆积。

+ + + + + + + - - - - - - - LxBbYZdeV当 和 达到静态平衡后，有 即于是电荷堆积的两端面（Z方向）的电势差为 通过的电流可表示为 式中n是电子浓度，得（1- 4）（1- 5）=将 代入 可得可改写为就是霍尔系数 2. 2. 霍尔元件结构及测量电路霍尔元件结构及测量电路 1) 霍尔元件结构 霍尔元件的结构很简单，如图中所示，霍尔元件是由具有霍尔效应的半导体薄片、电极引线及壳体组成  霍尔片是一块矩形半导体单晶薄片，在两个相互垂直方向侧面上，分别引出一对电极，共四个电极其中a、b 电极用于控制电流，称控制电极，c、d 电极用于引出霍尔电势，称为霍尔电势霍尔电势输出极输出极在霍尔基片外面用非导磁金属、陶瓷或环氧树脂封装作为外壳 霍尔电极在基片上的位置及它的宽度对霍尔电势UH的影响很大通常霍尔电极位于极片长度的中间，其宽度远小于基片的长度在电路中霍尔元件可用两种符号表示，如下图：1．锗(Ge) 输出小，但温度性能和线性度较好； 2．硅(Si) 线性度最好，但带负载能力较差，通常不作单个霍尔元件；3．砷化铟(InAs) 输出较大，受温度影响小，线性度较好，应用较多； 4．锑化铟(InSb) 输出大，但受温度影响大（尤其是低温）v 霍尔元件材料：  2) 2) 测量电路测量电路 图中控制电流I由电源UE供给，可以是直流电源直流电源或交流电源交流电源，调节电阻RW是用来调节控制电流I的大小；RL是霍尔输出电压UH的负载电阻，通常是放大电路的输入电阻或表头内阻。

霍尔电压UH一般为毫伏数量级，因而实际应用时要后接差动放大器 3.3.误差及其补偿误差及其补偿 在实际使用中，存在着各种影响霍尔元件精度的因素，即在霍尔电动势中叠加着各种误差电势，这些误差电势产生的主要原因有两类：一类是由于由于制造工艺的缺陷制造工艺的缺陷；另一类是由于半导体本身固有的由于半导体本身固有的特性特性不等位电势和温度是影响霍尔元件主要误差的两个因素 当霍尔元件的控制电流为IN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不等位电势不等位电势与霍尔电势具有相同的数量级，有时甚至超过霍尔电势 1) 不等位电势及其补偿霍尔元件不等位电势原理图 不等位电势补偿电路,图(a)是在电阻值较大的桥臂上并联电阻，图(b)是在两相邻桥臂上并联电阻，以增加电极等效电桥的对称性 霍尔元件是采用半导体材料制成的，因此它们的许多参数都具有较大的温度系数当温度变化时，霍尔元件的载流子浓度、迁移率、电阻率及霍尔系数都将发生化，从而使霍尔元件产生温度误差 2) 温度误差及其补偿 为了减小温度误差，除了选择温度系数小的霍尔元件(如InAs)或采取恒温措施外，由UH=KHIB可看出：采用恒流源供电是个有效措施，减小元件内阻随温度变化而引起的控制电流的变化，但是还不能完全解决霍尔电动势的稳定问题。

温度补偿电路 电流I为恒定电流，不受温度影响；电阻rH为霍尔元件等效输入电阻；在霍尔元件的控制电极并联一个合适的补偿电阻rT，rT具有与rH相同的正温度系数，起分流作用当霍尔元件的输入电阻随温度升高而增加时，rT会自动加强分流，减小了霍尔元件的控制电流IH，从而达到补偿的目的补偿原理：桥路补偿法的温度补偿电路 3）寄生直流电压 在无磁场的情况下，元件通入交流电流，输出端除交流不等位电压以外的直流分量称为寄生直流电压产生寄生直流电压的原因大致上的两个方面： 1) 由于控制极焊接处欧姆接触不良而造成一种整流效应，使控制电流因正、反向电流大小不等而具有一定的直流分量 2) 输出极焊点热容量不相等产生温差电动势 制做和封装霍尔元件时，发送电极欧姆接触性能和元件的散热条件，是减少寄生直流电压的有效措施   4 4、集成霍、集成霍尔尔传传感器感器 集成霍尔传感器是利用硅集成电路工艺将霍尔元件和测量线路集成在一起的一种传感器它取消了传感器和测量电路之间的界限，实现了材料、元件、电路三位一体集成霍尔传感器与分立相比，由于减少了焊点，因此显著地提高了可靠性。

此外，它具有体积小、重量轻、功耗低等优点，正越来越爱到众的重视 集成霍尔传感器的输出是经过处理的霍尔输出信号按照输出信号的形式，可以分为开关型集成霍尔传感器和线性集成霍尔传感器两种类型(1) 开关型集成霍尔传感器 开关型集成霍尔传感器是把霍尔元件的输出经过处理后输出一个高电平或低电平的数字信号其典型电路见图   集成霍尔传感器的输出电平与磁场B之间的关系见图6-2-7，可以看出，集成霍尔传感器的导通磁感应强度和截止磁感应强度之间存在滞后效应 开关型集成霍尔传感器的这一特性，正是我们所需要的，它大大增强了开关电路的抗干扰能力，保证开关动作稳定，不产生振荡现象 (2) 线性集成霍尔传感器 线性集成霍尔传感器是把霍尔元件与放大线路集成在一起的传感器其输出信号与磁感应强度成比例通常由霍尔元件、差分放大、射极跟随输出及稳压四部分组成，其典型线路见图图中，霍尔元件的输出经由V1、V2、R1至R5组成的第一级差分放大器放大，放大后的信号再由V3、V6、R6、R7组成的第二级差分放大器放大第二级放大采用达林顿对管，射极电阻R8外接，适当选取R8的阻值，可以调整该极的工作点，从而改变电路增益。

在电源电压为9V，R8取2K时，全电路的增益可达1000倍左右，与分立元件霍尔传感器相比，灵敏度大为提高  4. 霍尔式传感器的应用霍尔式传感器的应用l I保持恒定，UH∝B 可测量位移、角度、转速及加速度等l B保持恒定， UH∝Il UH ∝B、I（乘法器） 可测量P(=U×I)等 1) 1) 位移传感器位移传感器 2) 2) 霍尔式汽车点火器霍尔式汽车点火器 霍尔汽车点火器结构示意图 3) 3) 转速计转速计霍尔式压力传感器结钩原理图及磁钢外形 4) ) 压力传感器压力传感器¡１、属于四端元件的 ¡A. 应变片 B. 压电晶片 C. 霍尔元件 D. 热敏电阻¡2、霍尔元件采用恒流源激励是为了 ¡A. 提高灵敏度 B. 克服温漂 C. 减小不等位电势¡3、减小霍尔元件的输出不等位电势的办法是 ¡A. 减小激励电流 B. 减小磁感应强度 C. 使用电桥调零电位器¡4、多将开关型霍尔IC制作成具有史密特特性是为了 ，其回差（迟滞）越大，它的 能力就越强。

¡5、霍尔集成电路可分为 和 ¡作业：P113 3、5。