《霍尔传感器》PPT课件.ppt

第七章第七章 霍尔式传感器霍尔式传感器 （磁电式传感器磁电式传感器）磁电式传感器是通过磁电式传感器是通过磁电作用磁电作用将被测量转换成电信将被测量转换成电信号的一种传感器。号的一种传感器。分类：分类：磁电感应式磁电感应式（利用导体与磁场发生相对运动产生（利用导体与磁场发生相对运动产生感应电动势）感应电动势）霍尔式霍尔式（利用载流半导体在磁场中的霍尔效应而（利用载流半导体在磁场中的霍尔效应而输出电动势）输出电动势）第七章第七章 霍尔式传感器霍尔式传感器|霍尔效应和霍尔元件材料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构造及测量电路|霍尔元件的主要技术指标霍尔元件的主要技术指标|霍尔元件的补偿电路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的应用举例 霍霍尔尔式式传传感感器器是是利利用用霍霍尔尔元元件件基基于于霍霍尔尔效效应应原原理理而而将将被被测测量量、如如电电流流、磁磁场场、位位移移、压压力力等等转转换换成电动势输出的一种传感器。成电动势输出的一种传感器。长长l l、宽、宽b b、厚、厚 d d，N N型半导体材料型半导体材料沿水平方向通以沿水平方向通以控制电流控制电流 I I半导体中的载流子即半导体中的载流子即电子电子e e沿与沿与电流相反的方向运动电流相反的方向运动，速度为，速度为v v由于磁场的作用，使得电子受到由于磁场的作用，使得电子受到洛仑兹力洛仑兹力f fL L的作用而发生偏转的作用而发生偏转半导体的前后端面上各自积累起数目相等的半导体的前后端面上各自积累起数目相等的正、负电荷，形成电场正、负电荷，形成电场电场产生的作用力电场产生的作用力f fE E阻止电子的偏转，最终阻止电子的偏转，最终二力平衡，形成稳定的霍尔电场二力平衡，形成稳定的霍尔电场E EH H霍霍尔尔效效应应11推导目的：得到霍尔电推导目的：得到霍尔电势势U UH H与与I I、B B的关系的关系二力动态平衡时，有：二力动态平衡时，有：n n：N N型半导体中的电型半导体中的电子浓度子浓度电流密电流密度度霍尔霍尔电势电势霍霍尔尔效效应应霍尔系数霍尔系数，由载流子的物理性质所决定，由载流子的物理性质所决定灵敏度系数灵敏度系数，表示在单位，表示在单位 B B 和单位和单位 I I 时的霍尔电势的大小。时的霍尔电势的大小。金属材料的自由电子浓度金属材料的自由电子浓度n n很大，不适于做霍尔元件很大，不适于做霍尔元件绝缘材料的几乎没有自由电子，不适于做霍尔元件绝缘材料的几乎没有自由电子，不适于做霍尔元件霍尔元件都是由半导体材料做成（尤其是霍尔元件都是由半导体材料做成（尤其是N N型）型）锗锗(Ge)(Ge)、硅、硅(Si)(Si)、砷化铟砷化铟(InAs)(InAs)、锑化铟锑化铟(InSb)(InSb)霍尔元件一般做得都较薄（霍尔元件一般做得都较薄（0.10.2mm）z材料要求:z金属材料:z绝缘材料:z半导体材料:(霍尔系数)(灵敏度系数)载流子的载流子的迁移率迁移率霍尔元件都是由半导体材料做成（尤其是霍尔元件都是由半导体材料做成（尤其是N N型）：型）：锗锗(Ge)(Ge)、硅、硅(Si)(Si)、砷化铟砷化铟(InAs)(InAs)、锑化铟锑化铟(InSb)(InSb)霍霍 尔尔 电电 势（续）势（续）UHIB成正比关系成正比关系.KHn(半导体的电子浓度半导体的电子浓度)、e(电子当量电子当量)、d(霍霍尔元件的厚度尔元件的厚度)成反比关系成反比关系.霍尔元件的构造霍尔元件的构造控制电流端控制电流端引线，红色（黑端）引线，红色（黑端）霍尔输出端霍尔输出端引线，引线，绿色（白端）绿色（白端）4 4端器件端器件霍尔元件的测量电路霍尔元件的测量电路提供激励电流提供激励电流调节激励电流的大小调节激励电流的大小负载电阻，通常是显示仪表、负载电阻，通常是显示仪表、记录装置、放大器的输入阻抗记录装置、放大器的输入阻抗UH一般在毫伏量级，实际使一般在毫伏量级，实际使用后端应加放大器用后端应加放大器霍尔元件的特性曲线霍尔元件的特性曲线1 1、额定激励电流、额定激励电流I IH H 使使霍霍尔尔元元件件温温升升1010所所施施加加的的控控制制电电流流值值称称为为额额定定激激励电流。通常用励电流。通常用I IH H表示。表示。2 2、输入电阻、输入电阻R Ri i 它它是是指指控控制制电电流流极极间间的的电电阻阻值值。它它规规定定要要在在室室温温(205)(205)的环境温度中测取。的环境温度中测取。3 3、输出电阻、输出电阻R Rs s 它它是是指指霍霍尔尔电电极极间间的的电电阻阻值值。规规定定中中要要求求在在(205)(205)的条件下测取。的条件下测取。*4*4、不等位电势及零位电阻、不等位电势及零位电阻r r0 0 当当霍霍尔尔元元件件通通以以控控制制电电流流I IH H而而不不加加外外磁磁场场时时，它它的的霍霍尔尔输输出出端端之之间间仍仍有有空空载载电电势势存存在在，该该电电势势就就称称为为不不等等位位电电势势(或零位电势或零位电势)。霍尔元件主要技术指标霍尔元件主要技术指标不等位电阻：不等位电阻：r ro o=U=Uo o/I/IH H*5*5、寄生直流电势、寄生直流电势 当当不不加加外外磁磁场场，控控制制电电流流改改用用额额定定交交流流电电流流时时，霍霍尔尔电电极极间间的的空空载载电电势势为为直直流流与与交交流流电电势势之之和和。其其中中的的交交流流霍霍尔尔电电势势与与前前述述零零位位电电势势相相对对应应，而而直直流流霍霍尔尔电电势势是是个个寄寄生生量，称为寄生直流电势量，称为寄生直流电势V(V(一般在一般在1mV1mV以下以下)。6 6、热阻、热阻R RQ Q 它它表表示示在在霍霍尔尔电电极极开开路路情情况况下下，在在霍霍尔尔元元件件上上输输入入lmWlmW的的电电功功率率时时产产生生的的温温升升，单单位位为为C CmWmW。该该温温升升的的大大小小在在一一定条件下与电阻有关。定条件下与电阻有关。霍尔元件主要技术指标霍尔元件主要技术指标1.1.霍尔电极位置不对称或不在同一等位面上霍尔电极位置不对称或不在同一等位面上2.2.*2.2.材料不均匀或几何尺寸不均匀材料不均匀或几何尺寸不均匀3.3.激励电极接触不良激励电极接触不良产生不等位电势的主要原因产生不等位电势的主要原因:z理想状况下理想状况下UM=0，但由于，但由于霍尔元件的某种结构原因霍尔元件的某种结构原因造成造成UM0，则电桥处于不，则电桥处于不平衡状态，即四个分布电平衡状态，即四个分布电阻的阻值不等；阻的阻值不等；z可采用不等位电势补偿线可采用不等位电势补偿线路进行补偿路进行补偿.z1.1.电极接触不良电极接触不良z2.2.霍尔电极大小不对称形成极霍尔电极大小不对称形成极间温差电势间温差电势产生寄生直流电势的主要原因产生寄生直流电势的主要原因:补补偿偿将霍尔元件视为一个电桥，则将霍尔元件视为一个电桥，则A A、B B为控制电流极、为控制电流极、C C、D D为霍尔电极。为霍尔电极。在极间分布的电阻用在极间分布的电阻用4 4个电阻个电阻r r1 1、r r2 2、r r3 3、r r4 4表示。理想情况下，表示。理想情况下，4 4个电个电阻相等，则不等位电势为阻相等，则不等位电势为0 0；实际；实际情况下，情况下，4 4个电阻并不相等，即电个电阻并不相等，即电桥不平衡，所以对外显示有不等位桥不平衡，所以对外显示有不等位电势。电势。1.1.不等电位电势补偿不等电位电势补偿 不等位电势的补偿电路不等位电势的补偿电路2.2.2.2.感应电势（不加控制电流）及其补偿（感应电势（不加控制电流）及其补偿（感应电势（不加控制电流）及其补偿（感应电势（不加控制电流）及其补偿（了解了解了解了解）主要原因主要原因：霍尔电极引线不合理；：霍尔电极引线不合理；大小大小：不仅正比于磁场的变化率和磁感应强度的幅值，：不仅正比于磁场的变化率和磁感应强度的幅值，而且与霍尔电极引线所构成的感应面积成正比。而且与霍尔电极引线所构成的感应面积成正比。措施措施：1、合理布线；、合理布线；2、在磁路气缝中安装零一个辅助霍尔元件、在磁路气缝中安装零一个辅助霍尔元件恒流源供电恒流源供电半导体材料的电阻率、载流子浓度和迁移率等都易随温度而半导体材料的电阻率、载流子浓度和迁移率等都易随温度而变化。所以进行补偿是必要的。假设温度由变化。所以进行补偿是必要的。假设温度由T T0 0上升至上升至T T，则以，则以下参数分别变至：下参数分别变至：3.3.温度补偿温度补偿以前讲述（？）传感器也是用以前讲述（？）传感器也是用半导体材料做成的？也需要进半导体材料做成的？也需要进行温度补偿？行温度补偿？分分流流电电阻阻法法对于确定的霍尔元件，可由此式求得温度补偿电阻对于确定的霍尔元件，可由此式求得温度补偿电阻R RP P及温度系数的值及温度系数的值分分流流电电阻阻法法 桥路补偿法的温度补偿电路（桥路补偿法的温度补偿电路（了解了解）桥桥路路补补偿偿3.3.温度补偿温度补偿温度补偿桥温度补偿桥霍尔式传感器的应用霍尔式传感器的应用测量位移测量位移梯度磁场：磁场梯度变化越大，灵敏度越高；梯度变梯度磁场：磁场梯度变化越大，灵敏度越高；梯度变化越均匀，霍尔电势与位移的关系越接近线性。化越均匀，霍尔电势与位移的关系越接近线性。霍尔式位移传感器霍尔式位移传感器 霍尔式位移传感器原理示意图霍尔式位移传感器原理示意图梯度磁场：磁场梯度变化越大，灵敏度越高；梯度变梯度磁场：磁场梯度变化越大，灵敏度越高；梯度变化越均匀，霍尔电势与位移的关系越接近线性。化越均匀，霍尔电势与位移的关系越接近线性。霍尔式压力传感器霍尔式压力传感器 霍尔式压力传感器结钩原理图及磁钢外形霍尔式压力传感器结钩原理图及磁钢外形