霍尔传感器汇编.ppt

传感器原理及工程应用 湖南科技大学学物电学院 占世平 Tel： 15084835245 E_mail :spzhan86@ :451316182 霍尔式传感器 案例（智能皮套） • 打开皮套 屏幕开启 • 合上皮套 屏幕关闭 霍尔式传感器 • 1 霍尔传感器的原理 • 2 霍尔元件的结构和材料 • 3 霍尔元件的温度误差补偿 • 4 霍尔传感器的应用 传感器的内涵传感器的内涵 传感器（Sensor）：能够感知规定的被测量并按照 一定规律转换成电信号输出的器件或装置 霍尔传感器是一种基于霍尔效应的传感器，能将 被测量如：磁场、位移、压力等转换成电动势输出 1 霍尔传感器的原理 麦克斯韦的《电磁学》卷二中写道： “在导线中流动的电流完全不受附近磁铁 的影响” Edwin Hall (1855-1938) James Maxwell(1831〜1879) 1879年，年仅24岁的美国物理学 家霍尔研究载流导体在磁场中受力的 性质时发现：在磁场中载流导体上出 现横向电势差（垂直于电流和磁场方 向），这种现象叫做霍尔效应 1.1 霍尔效应的发现 1.2 霍尔效应原理 a b d I b 霍尔电场EH阻碍电子的偏转 1. 洛伦兹力FL（向下） 洛伦兹力使电子偏转 。

3. 达到动态平衡 (FE=FL)： 正电荷 负电荷 l 2. 电场力FE(向上) 电场力阻碍电子偏转 e：电子电荷、v：电子运动平均速度、B：磁场强度 霍尔电压 若金属导电板单位体积内电子数为n，导电板内电子数 nbdl, 其电荷量Q=nbdle; 电子定向运动平均速度为v，电子从导电板右侧运动到左侧 时间为：t=l/v, 则激励电流I=Q/t=nevbd， 将v带入（1）式，有： （1） 电子平均运动速度 （2） 1.2 霍尔效应原理 令上式中RH=1/ne，称之为霍尔系数则 （3） 式中, KH=RH/d称为霍尔灵敏度 （2-2） 1.2 霍尔效应原理 重要推论： 1.UH与KH成正比，与d成反比，霍尔片须作成薄片 2.UH与激励电流I成正比 3.UH与外加磁场强度B成正比，可用来探测磁场， 制作霍尔开关 其中, RH=1/ne称为霍尔系数, 1.2 霍尔效应原理 KH=RH/d称为霍尔灵敏度 思考：如何利用霍尔效应测量轮子转速？ 智能皮套原理 ： 电脑机身装 载了微型霍尔传 感器；而皮套上 装载了磁性材料 利用霍尔电压触 发屏幕开关指令 几种霍尔式转速传感器的结构 思考：如何利用霍尔效应测量轮子转速？ 检测出单位时间的脉冲数，便可知被测转速 霍尔式传感器 • 1 霍尔传感器的原理 • 2 霍尔元件的结构和材料 • 3 霍尔元件的温度误差补偿 • 4 霍尔传感器的应用 2. 霍尔元件的结构和材料 霍尔传感器的核心是霍尔元件，霍尔元 件的结构如何？怎样的材料适合做霍尔元 件？ 霍尔元件激励极间电阻： R=ρl/(bd) (4) 联立(4)(5) 得： RH=μρ (6) 同时: 激励极间电阻 R=U/I=El/I 电子迁移率 μ=v/E， 激励电流 I=nevbd R=vl/(μnevbd) (5) 而: RH=1/ne 霍尔系数=迁移率x电阻率 2.1霍尔元件的材料 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。

RH=μρ （6） 金属材料, μ很高，但ρ很小； 绝缘材料,ρ极高，但μ极低; 故只有半导体材料才适于制造霍尔片目前常用的 霍尔元件材料有：锗、硅、砷化铟等半导体材料 材料选择： 2.1 霍尔元件的材料 对于金属铜，其霍尔系数为RH≈7×10-5cm3/C; 对于N型硅，霍尔系数可达RH≈2.3×103cm3/C 结论：半导体中的霍尔效应远强于金属中的 霍尔效应 RH=μρ （6） 2.1霍尔元件的材料 霍尔元件是由霍尔片、四根引线和壳体组成的， 如图（a） 所示 霍尔片是一块矩形半导体单晶薄片， 引出四根引线： 1 、 1′两根引线加激励电压或电流，称激励电极（对应输入电阻 ）； 2、 2′引线为霍尔电压输出引线， 称霍尔电极（对应输出 电阻） 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， 如图（b ）所示 2. 2 霍尔元件的结构 霍尔式传感器 • 1 霍尔传感器的原理 • 2 霍尔元件的结构和材料 • 3 霍尔元件的温度误差补偿 • 4 霍尔传感器的应用 3. 霍尔元件温度补偿 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RH 都将发生变化，从而使霍尔元件产生温度误差 3. 1 霍尔元件温度误差 霍尔元件的灵敏度KH是温度的函数: KH=KH0(1+αΔT) （7-20） 式中： KH0——温度T0时的KH值； ΔT=T-T0——温度变化量； α——KH温度系数 霍尔元件的载流子浓度、迁移率、电阻率 及霍尔系数RH都是温度的函数 KH=RH/d 为了减小霍尔元件的温度误差，可采用以下两种方法： 1，选用温度系数小的元件或采用恒温措施； 2，采用分流电阻法补偿 结论：温度T升高，灵敏度KH增大，当激励电流I恒定 时，霍尔电压UH增大（温度的函数） KH=KH0(1+αΔT) 霍尔元件的灵敏度KH: 3. 1 霍尔元件温度误差 3. 2 分流电阻法 思考：但如果能在KH随温度增大的同时，让激励电 流I随温度相应地减小， 并保持KH· I 乘积不变，那 么霍尔元件输出的UH就恒定不变，也就抵消了温度 对霍耳电压的影响 可知：温度T升高，灵敏度KH增大，霍尔电压UH增大 分流电阻的温度补偿电路 3. 2 分流电阻法 下图为补偿电路，电路中Is为恒流源，分流电阻Rp与霍 尔元件的激励电极相并联。

当霍尔元件的输入电阻Ri随温度 升高而增加时，旁路分流电阻Rp增大分流，减小了霍尔元件 的激励电流IH，从而达到补偿的目的 分流原理 半导体的电阻温度系数 远大于普通电阻 设初始温度为T0，霍尔元件输入电阻 为Ri0，灵敏系数为KH0，分流电阻为 Rp0，根据分流概念得 当温度升至T时，电路中输入电阻和分流电阻变为 式中：δ——霍尔元件输入电阻温度系数； β——分流电阻温度系数 注 ： 则 （7-24） 虽然温度升高了ΔT，为使霍尔电势不变，补偿电路必须满 足温升前、 后的霍尔电势不变，即UH0=UH，则 KH0IH0B=KHIHB （7-25） 有 KH0IH0=KHIH （7-26） 3. 2 分流电阻法 （7-27） 当霍尔元件选定后，它的输入电阻Ri0和温度系数δ及霍尔电 势温度系数α是确定值由式（7-27）即可计算出分流电阻Rp0及 所需的温度系数β值 KH0IH0=KHIH KH=KH0(1+αΔT) 带入 霍尔式传感器 • 1 霍尔传感器的原理 • 2 霍尔元件的结构和材料 • 3 霍尔元件的温度误差补偿 • 4 霍尔传感器的应用 霍尔传感器在静止状态下具有感受磁场的独 特能力，同时 结构简单、可靠、体积小、噪声 低、寿命长、价格低、易于集成等优势。

可以广泛应用于测量：磁场变化、位移、可 转化为位移的力和加速度等 4 霍尔传感器的应用 4.1 钢缆探伤 磁化后的钢缆绳会在 缺陷处的存在磁漏现象， 进而产生的漏磁场，可用 霍尔传感器进行探测 钢缆 4.2 霍尔计数器 霍尔开关传感器具有较高灵敏度的集成霍尔元 件，能感受到很小的磁场变化,因而可对黑色金属 零件进行计数检测当钢球通过霍尔开关传感器 时，传感器可输出峰值 20 mV的脉冲电压 4.3 磁流体发电 使高温导电流体以高速进入发电通道(发电通道前后两 面有磁极)，由于洛仑兹力作用，结果在发电通道左右两侧 电极上产生电势差不断提供高温高速的导电流体，就能在 电极上连续输出电能 导电流体 发电通道 电极 磁流体发电原理图 4.4 电流监测 关/开门警示 管道流量测量 量子反常霍尔效应 ，首次由清华大学 薛其坤院士领衔的 研究团队在《科学 》杂志上报道【1】 华裔物理学家崔琦 (1939- )和美国物理学 家劳克林(1950-)、施 特默(1949-)在强磁场 下研究量子霍尔效应 时发现了分数量子霍 尔效应他们为此获 得了1998年的诺贝尔 物理学奖 德国物理学家克 利青(1943-)等在研 究极低温度和强磁 场中的半导体时发 现了量子霍尔效应 ，为此拿到了1985 年诺贝尔物理学奖 。

量子家族中的霍尔效应 [1]Xue.et al. 2013, Science.1234414. 在当今信息社会，半导体技术飞速发展，但电脑运行中热 量如何散发成为困扰半导体和信息产业发展的一个瓶颈问题 而量子霍尔效应则可以对电子的运动制定一个规则，让它 们在各自的跑道上“一往无前”地前进这就好比一辆高级 跑车，常态下是在拥挤的农贸市场上前进，而在量子霍尔效应 下，则可以在‘各行其道、互不干扰’的高速路上前进然 而需要强大的磁场，体积庞大，价格昂贵，不利于普通电子设 备的使用 而量子反常霍尔效应的发现将有望解决这一难题因为这 一效应可能在未来电子器件中发挥特殊作用，可用于制备低能 耗的高速电子器件科学家可使电子在不需要强磁场的情况下 ，按照固定轨迹运动，减少电子无规则碰撞导致的发热和能量 损耗通过密度集成，将来计算机的体积也将大大缩小，千亿 次的超级计算机有望做成现在的iPad那么大因此，这一科研 成果的应用前景十分广阔【1】 知识延展 [1]Xue.et al. 2013, Science.1234414. 电子器件革新 ，让超级计算机 变平板电脑成为 可能 ！ 小结 • 1 霍尔传感器的原理 • 2 霍尔元件的结构和材料 激励电极与霍尔电极、 半导体材料 • 3 霍尔元件的温度误差补偿 • 4 霍尔传感器的应用 霍尔开关、探伤、计数、流体发电… 谢谢大家！ 。