传感器与检测技术霍尔传感器

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1、传感与检测技术武汉理工大学自动化学院Copyright©2004WUT.AllRightsReserved.第七章霍尔传感器第一节霍尔效应第二节霍尔元件的基本特性第三节霍尔元件的误差及其补偿第四节测量电路第五节集成霍尔传感器第六节霍尔传感器的应用第一节霍尔效应1879年美国物理学家霍尔发现霍尔效应。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。半导体中的电子受洛伦兹力FL的作用：电子又受到霍尔电场的作用力当达到动态平衡时霍尔电场强度X为电荷的迁移率（m2/vs）电流密度电阻率霍尔电

2、压为：令则霍尔常数RH等于材料的电阻率与电子迁移率的乘积，金属材料电子迁移率大，但电阻率很小；绝绝材料电阻率极高，但载流子迁移率极低；只有半导体材料适于作霍尔元件，其电阻率和载流子的迁移率都比较大。目前常用的半导体材料有硅、锗、锑化铟和砷化铟等，这些材料不但有较大的霍尔常数，而且有较好的线性度。其中N型锗容易加工制造，其霍尔系数、温度性能和线性度都较好。N型硅的线性度最好，其霍尔系数、温度性能同N型锗相近。锑化铟对温度最敏感，尤其在低温范围内温度系数大，但在室温时其霍尔系数较大。砷化铟的霍尔系数较小，温度系数也较小，输出特性线性度好。KH表示为

3、一个霍尔元件在单位B和电位I时输出霍尔电压的大小。与霍尔常数RH成正比，而与霍尔片厚度d成反比。为了提高灵敏度，霍尔元件常制成薄片形状。则称之为霍尔元件灵敏度令第二节霍尔元件的基本特性一、霍尔元件二、霍尔元件的基本特性1.UH—B特性当控制电流不变时，霍尔电压与磁场具有单值关系，在磁不饱和时，UH与B具有线性关系。如使传感器处于非均匀磁场中，传感器的输出正比于磁感应强度，因此，对凡是能转换为磁感应强度变化的量都能进行测量，如位移、角度、转速和加速度等。二、霍尔元件的基本特性2.UH—I特性特性磁场不变，传感器输出值正比于控制电流值，因此，凡能转

4、换为电流变化的量，均能进行测量。3.UH——IB特性传感器输出值正比于磁感应强度和控制电流之积，因此，它可以用于乘法、功率等方面的计算与测量。霍尔元件主要特性参数：1.输入电阻和输出电阻霍尔元件工作时需要加控制电流，这就需要知道控制电极间的电阻，称输入电阻。霍尔电极输出霍尔电势对外电路来说相当于一个电压源，其电源内阻即为输出电阻。以上电阻值是在磁感应强度为零且环境温度在20℃±5℃时确定的。2.额定控制电流和最大允许控制电流当霍尔元件自身温升10℃时所流过的控制电流称为额定控制电流。以元件允许的最大温升为限制所对应的控制电流称为最大允许控制电流

5、。3.不等位电势和不等位电阻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。产生这一现象的原因有：（1）霍尔电极安装位置不对称或不在同一等电位面上；（2）半导体材料不均匀造成了电阻率不均匀或是几何尺寸不均匀。（3）控制电极接触不良造成控制电流不均匀分布等。不等位电势是由霍尔电势c和d之间的电阻ro决定的，称为不等位电阻4.寄生直流电势其产生的原因有：（1）控制电极和霍尔电极与基片的连接属于金属与半导体的连接，这种连接是非完全欧姆接触时。会产生整流效应；（2）控

6、制电流和霍尔电势都是交流时，经整流效应，它们各自都在霍尔电极之间建立直流电势。（3）两个霍尔电极焊点的不一致，造成两焊点热容量、散热状态的不一致，因而引起两电极温度不同产生温差电势，也是寄生直流电势的一部分。5.寄生感应电势当控制电流I为交变电流时，此电流形成的交变磁场在电极引线上要产生寄生感应电势。为了减小寄生感应电势，要求各电极引线尽可能短，且布线合理以减少磁交链。6.霍尔电势温度系数在一定磁感应强度和控制电流下，温度每变化1℃时，霍尔电势变化的百分率称霍尔电势温度系数。三、误差及其补偿1、零位误差及其补偿霍尔元件在控制电流I=0或磁场B=

7、0时出现的霍尔电压ΔUH，称之为零位误差。（1）直流寄生电势霍尔元件控制电流或霍尔电压两引线电极焊点大小不等、热容量不同，或接触不良、欧姆电阻大小不等，因而引起温差电势。提高电极焊点结构上的对称性，保持电极引线接触良好，且散热条件相同，可以减小这种直流寄生电势。（2）寄生感应电势当控制电流I为交变电流时，此电流形成的交变磁场在电极引线上要产生寄生感应电势。为了减小寄生感应电势，要求各电极引线尽可能短，且布线合理以减少磁交键。（3）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。实用中，若想消除不等位电势极其困难的，因而只有

8、采用补偿的方法。由于不等位电势由不等位电阻产生，因而可以用分析电阻的方法找到一个不等位电势的补偿方法。霍尔元件不等位电势原理图（a）不对称电极（b）电