霍尔磁敏传感器原理与应用报告

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1、霍尔磁敏传感器原理与应用一．引言随着自动检测控制和信息技术的发展，对传感器的性能要求越来越高，一方面要求尽可能精确，可靠性要求高；另一方面要求价格尽可能廉价。霍尔传感器是一种理想器件。磁敏传感器，顾名思义就是感知磁性物体的存在或者磁性强度(在有效范围内)这些磁性材料除永磁体外，还包括顺磁材料(铁、钴、镍及其它们的合金)当然也可包括感知通电(直、交)线包或导线周围的磁场。传统的磁检测中首先被采用的是电感线圈为敏感元件。特点正是无须在线圈中通电，一般仅对运动中的永磁体或电流载体起敏感作用。后来发展为用线圈组成振荡槽路的。如探雷器，金属异物探测器，测磁通的磁通计等.(磁通门，振动样品

2、磁强计)。霍尔传感器是依据霍尔效应制成的器件。　　霍尔效应：通电的载体在受到垂直于载体平面的外磁场作用时，则载流子受到洛伦兹力的作用，并有向两边聚集的倾向,由于自由电子的聚集(一边多一边必然少)从而形成电势差，在经过特殊工艺制备的半导体材料这种效应更为显著。从而形成了霍尔元件。早期的霍尔效应的材料Insb(锑化铟)。为增强对磁场的敏感度,在材料方面半导体IIIV元素族都有所应用。近年来，除Insb之外，有硅衬底的，也有砷化镓的。霍尔器件由于其工作机理的原因都制成全桥路器件，其内阻大约都在150Ω~500Ω之间。对线性传感器工作电流大约在2~10mA左右，一般采用恒流供电法。　　

3、Insb与硅衬底霍尔器件典型工作电流为10mA。而砷化镓典型工作电流为2mA。作为低弱磁场测量，我们希望传感器自身所需的工作电流越低越好。（因为电源周围即有磁场，就不同程度引进误差。另外，目前的传感器对温度很敏感，通的电流大了，有一个自身加热问题。（温升）就造成传感器的零漂。这些方面除外附补偿电路外，在材料方面也在不断的进行改进。霍尔传感器主要有两大类，一类为开关型器件，一类为线性霍尔器件，从结构形式（品种）及用量、产量前者大于后者。霍尔器件的响应速度大约在1us量级。  以磁场作为媒介，利用霍尔传感器可以检测多种物理量，如位移、振动、转速、加速度、流量、电流、电功率等。它不仅

4、可以实现非接触测量，并且采用永久磁铁产生磁场，不需附加能源。另外，霍尔传感器尺寸小、价格便宜、应用电路简单、性能可靠，因而获得极为广泛的应用。除了直接利用霍尔传感器外，还利用它开发出各种派生的传感器。一．工作原理1.霍尔效应通电的导体或半导体，在垂直于电流和磁场的方向上将产生电动势的现象。2.霍尔磁敏传感器工作原理设霍耳片的长度为l，宽度为w，厚度为d。又设电子以均匀的速度v运动，则在垂直方向施加的磁感应强度B的作用下，它受到洛仑兹力e—电子电量(1.62×10-19C)；v—电于运动速度。同时，作用于电子的电场力当达到动态平衡时电流密度霍耳电势VH与I、B的乘积成正比，而与d

5、成反比。于是可改写成：—霍耳系数，由载流材料物理性质决定。ρ—材料电阻率μ—载流子迁移率,μ=v/E,即单位电场强度作用下载流子的平均速度。金属材料，电子μ很高但ρ很小，绝缘材料，ρ很高但μ很小。故为获得较强霍耳效应，霍耳片全部采用半导体材料制成。设KH=RH/dVH＝KHIBKH—霍耳器件的乘积灵敏度。它与载流材料的物理性质和几何尺寸有关，表示在单位磁感应强度和单位控制电流时霍耳电势的大小。若磁感应强度B的方向与霍耳器件的平面法线夹角为θ时，霍耳电势应为：VH＝KHIBcosθ注意：当控制电流的方向或磁场方向改变时，输出霍耳电势的方向也改变。但当磁场与电流同时改变方向时，霍耳

6、电势并不改变方向。三．霍耳磁敏传感器（霍耳器件）器件电流(控制电流或输入电流):流入到器件内的电流。电流端子A、B相应地称为器件电流端、控制电流端或输入电流端。霍耳输出端的端子C、D相应地称为霍耳端或输出端。若霍耳端子间连接负载,称为霍耳负载电阻或霍耳负载。电流电极间的电阻，称为输入电阻，或者控制内阻。霍耳端子间的电阻，称为输出电阻或霍耳侧内部电阻。图中控制电流I由电源E供给,R为调节电阻,保证器件内所需控制电流I。霍耳输出端接负载R3,R3可是一般电阻或放大器的输入电阻、或表头内阻等。磁场B垂直通过霍耳器件,在磁场与控制电流作用下，由负载上获得电压。实际使用时,器件输入信号可

7、以是I或B，或者IB,而输出可以正比于I或B,或者正比于其乘积IB。实际使用时,器件输入信号可以是I或B，或者IB,而输出可以正比于I或B,或者正比于其乘积IB。同样，若给出控制电压V，由于V=R1I，可得控制电压和霍耳电势的关系式上两式是霍耳器件中的基本公式。即：输入电流或输入电压和霍耳输出电势完全呈线性关系。如果输入电流或电压中任一项固定时，磁感应强度和输出电势之间也完全呈线性关系。四．基本特性1、直线性：指霍耳器件的输出电势VH分别和基本参数I、V、B之间呈线性关系。2、灵敏度：可以用