最新第5章 压电式传感器和霍尔式传感器11教学讲义PPT课件.ppt

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1、第5章压电式传感器和霍尔式传感器115.2.1霍尔元件的基本工作原理霍尔元件是一种基于霍尔效应的磁传感器，得到广泛的应用。可以检测磁场及其变化，可在各种与磁场有关的场合中使用。霍尔器件以霍尔效应为其工作基础。特点：霍尔器件具有许多优点，它们的结构牢固，体积小，重量轻，寿命长，安装方便，功耗小，频率高，耐震动，不怕灰尘、油污、水汽及盐雾等的污染或腐蚀。1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。将5-2代入5-1，得令RH则被定义为霍尔传感器的霍尔

2、系数。由于金属导体内的载流子浓度大于半导体内的载流子浓度，所以，半导体霍尔系数大于导体。3霍尔系数及灵敏度则KH为霍尔元件的灵敏度。由上式看出：霍尔元件的灵敏度不仅与元件材料的霍尔系数有关，还与霍尔元件的几何尺寸有关。一般要求霍尔元件灵敏度越大越好，霍尔元件灵敏度的公式可知，霍尔元件的厚度d与KH成反比。令则1）霍尔电压UH与材料的性质有关n愈大，KH愈小，霍尔灵敏度愈低；n愈小，KH愈大，但n太小，需施加极高的电压才能产生很小的电流。因此霍尔元件一般采用N型半导体材料通过以上分析可知：2）霍尔电压UH与元件的尺寸有关d

3、愈小，KH愈大，霍尔灵敏度愈高，所以霍尔元件的厚度都比较薄，但d太小，会使元件的输入、输出电阻增加。霍尔电压UH与控制电流及磁场强度成正比，当磁场改变方向时，也改变方向。3)霍尔电势与磁感应强度的方向有关若磁场B和霍尔元件平面的法线成一角度θ，则作用于霍尔元件的有效磁感应强度为Bcosθ，因此UH=KHIBcosθ4）P型半导体，其多数载流子是空穴，也存在霍尔效应，但极性和N型半导体的相反。5）霍尔电压UH与磁场B和电流I成正比，只要测出UH，那么B或I的未知量均可利用霍尔元件进行测量。4霍尔元件的基本结构及特性1)霍尔

4、元件的基本结构组成由霍尔片、四根引线和壳体组成，如下图示。1，2—控制电流端3，4—霍尔电势端2)额定控制电流IC和最大控制电流ICm霍尔元件在空气中产生10℃的温升时所施加的控制电流称为额定控制电流IC。在相同的磁感应强度下，IC值较大则可获得较大的霍尔输出。霍尔元件限制IC的主要因素是散热条件。一般锗元件的最大允许温升ΔTm<80℃，硅元件的ΔTm<175℃。当霍尔元件的温升达到ΔTm时的IC就是最大控制电流ICm。3)输入电阻Ri和输出电阻R0Ri是流过控制电流的电极间的电阻值R0是霍尔元件的霍尔电势输出电极间的电

5、阻可以在无磁场即B＝0和室温(20±5)℃时，用欧姆表等测量。在额定控制电流Ic之下，不加磁场即B＝0时，霍尔电极间的空载霍尔电势UH≠0，称为不平衡(不等位)电势，单位为mV。一般要求霍尔元件的UH<1mV，好的霍尔元件的UH小于0.1mV。不等位电势和额定控制电流Ic之比为不等位电阻RM，即4)不等位电势UM和不等位电阻RM不平衡电势UH是主要的零位误差。因为在工艺上难以保证霍尔元件两侧的电极焊接在同一等电位面上。如下图(a)所示。当控制电流I流过时，即使未加磁场，A、B两电极此时仍存在电位差，此电位差被称为不等位电

6、势（不平衡电势）UH。5集成霍尔传感器集成霍尔传感器是利用集成电路工艺将霍尔元件和测量线路集成在一起的一种传感器。它取消了传感器和测量电路之间的界限，实现了材料、元件、电路三位一体。集成霍尔传感器与分立相比，由于减少了焊点，因此显著地提高了可靠性。此外，它具有体积小、重量轻、功耗低等优点，正越来越爱到众的重视。集成霍尔传感器的输出是经过处理的霍尔输出信号。按照输出信号的形式，可以分为开关型集成霍尔传感器和线性集成霍尔传感器两种类型。(一)开关型集成霍尔传感器开关型集成霍尔传感器是把霍尔元件的输出经过处理后输出一个高电平或

7、低电平的数字信号。电路的工作原理是：1)图中的霍尔元件是在N型硅外延层上制作的，N型硅的各项参数很适合做霍尔元件。2)由于在制造工艺中采用了光刻技术，电极的对称性好，零位误差大大减小。3)由于厚度d很小，提高了霍尔元件的灵敏度。4)在0.1T磁场作用下，元件开路时可输出20mV左右的霍尔电压。5)霍尔输出经前置放大的后送到史密特触发器，通过整形成为矩形脉冲输出。6)当B为0时，UH=0。1)集成霍尔传感器的导通磁感应强度和截止磁感应强度之间存在滞后效应。其回差宽度ΔB为ΔB=B(H→L)-B(L→H)2)开关型集成霍尔传

8、感器的这一特性，正是我们所需要的，它大大增强了开关电路的抗干扰能力，保证开关动作稳定，不产生振荡现象。(二)线性集成霍尔传感器线性集成霍尔传感器是把霍尔元件与放大线路集成在一起的传感器。其输出信号与磁感应强度成比例。通常由霍尔元件、差分放大、射极跟随输出及稳压四部分组成，其典型线路如下图所示。全电路的增益可设置到10