常用传感器工作原理（霍尔式）课件.ppt

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1、第3章常用传感器的工作原理13.9霍尔式传感器霍尔传感器是利用半导体材料的霍尔效应进行测量的一种磁敏式传感器，一般由锗、硅、锑化铟、砷化铟等半导体材料制成。它可以直接测量磁场及微位移量，已经广泛应用于电磁、压力、加速度、振动等的测量领域。目前霍尔传感器已从分立元件发展到了集成电路的阶段，正越来越受到人们的重视，应用日益广泛。2§1霍尔效应在与磁场垂直的N型半导体薄片上通以电流I，由于N型半导体的载流子为电子，因此电子将沿与电流相反的方向运动。由于洛仑磁力的作用，电子发生偏转，一侧形成电子累积，另一侧形成正电荷累积，

2、于是元件的横向便形成了电场。该电场阻止电子继续向侧面偏移，当电子所受电场力与洛仑兹力相等时，电子的累积达到动态平衡。这时在两端横面之间建立的电场称为霍尔电场，相应的电势称为霍尔电势N型半导体薄片h3电子所受洛仑磁力为：同时霍尔电场作用于电子的力：当两者达到动态平衡时，(N型)设激励电流I在霍尔片（N型半导体片）内均匀分布，根据电流的概念可得：n—N型半导体中的电子浓度4设称为霍尔系数（N型），反映霍尔效应的强弱，则：对于P型半导体材料，p—P型半导体中的空穴浓度设为霍尔片的灵敏度系数（N型），则1）由于金属的电子浓

3、度很高，所以它的霍尔系数或灵敏度都很小，因此不适宜制作霍尔元件；对绝缘材料，虽然电阻率很大，但迁移率很小，也不宜作霍尔元件。因此霍尔元件都是由半导体材料制成的。一般电子（N型）迁移率大于空穴迁移率（P型），因而霍尔元件多用N型半导体材料。2）元件的厚度越小，灵敏度越高，因而制作霍尔片时可采取减小的方法来增加灵敏度，但是不能认为越小越好，因为这会导致元件的输入和输出电阻增加。52）霍尔元件的应用根据霍尔输出与控制电流和磁感应强度的乘积成正比的关系可知，霍尔元件主要用在下述三个方面：1）保持元件的控制电流恒定，则元件的

4、输出正比于磁感应强度。因此，可以测定恒定和交变磁感应强度，如高斯计；同时凡是能转化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。2）保持元件感受的磁感应强度不变时，则元件的输出正比于控制电流。因此，主要的应用有交、直流的电流表、电压表等；同时凡能转换为电流变化的量，均能进行测量。3）当元件的控制电流和磁感应强度均变化时，元件输出与两者乘积成正比。因此，它可用于乘法、功率等的测量，如乘法计、功率计等。6霍尔元件的组成：由霍尔片、四根引线和壳体组成，如下图示。霍尔元件是一种四端元件3）霍尔元件型号命名

5、方法：7霍尔片是一块矩形半导体薄片。控制电流端引线（激励电极）霍尔电势输出端引线（霍尔电极）基本电路形式81）零位误差及其补偿4）霍尔传感器测量误差补偿常见的产生误差的因素有：半导体本身固有的特性、半导体制造工艺水平、环境温度变化、霍尔传感器的安装是否合理等，测量误差一般表现为零位误差和温度误差。当霍尔元件的激励电流I不为零时，若所处位置的磁感应强度B为零，则霍尔电势仍应为零，但实际中若不为零，则此时空载的霍尔电势称为零位误差。它一般由以下两种电势组成。9不等位电势是产生零位误差的主要因素。a）不等位电势霍尔电极安

6、装位置不对称或不在同一电位面半导体材料不均匀引起电阻率的不均匀或霍尔片几何尺寸不均匀激励电极接触不良而造成激励电流I的不均匀分布等等10b）寄生直流电势及其补偿元件的两对电极与半导体片不是完全欧姆接触，而形成整流效应两个霍尔电极的焊点大小不等、热容量不同引起温差效应所产生的当霍尔元件控制电极上通以交流控制电流而不加外磁场时，霍尔输出除了交流不等位电势外，还有一直流分量，称为寄生直流电势。从而导致了控制电流存在直流分量，通过不等位电极反映成霍尔电极上的直流寄生电势。11c）零位电势补偿电路同时，除了工艺上采取措施，尽

7、量使霍尔电极对称来降低零位电势，还需采用补偿电路加以补偿。霍尔元件可等效为一个四臂电桥，如图。因此可在某一桥臂上并联上一定电阻而将零位电势降到最小，甚至为0。寄生直流电势很容易导致输出漂移。因此在元件制作和安装时，应尽量使电极欧姆接触，并做到均匀散热，有良好的散热条件。12下面给出了几种常用的不等位电势的补偿电路，其中，不对称补偿简单，对称补偿温度稳定性好。132）温度误差及补偿由于半导体材料的电阻率、迁移率和载流子浓度都随温度而变化，用此材料制成的霍尔元件的性能参数（如内阻、霍尔电势等）必然随温度变化，致使霍尔电

8、势变化，产生温度误差。为了减小温度误差，除选用温度系数较小的材料如砷化铟外，还可以采取一些恒温措施，或采用恒流源或恒压源配合补偿电阻供电，这样可以减小元件内阻随温度变化而引起的控制电流的变化。14a）恒流源供电和输入回路并联电阻当温度上升为时，设在某基准温度时，有设补偿后，输出电势不随温度变化，则应满足条件将等式整理化简后，得到在时，有15b）恒压源供电和输