第5章 压电式传感器和霍尔式传感器ppt课件.ppt

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1、5.2霍尔式传感器利用霍尔元件的霍尔效应制成的传感器称为霍尔式传感器。霍尔式传感器是将电流、磁场、位移、压力等非电量信号转换成电动势输出的一种传感器。虽然它的转换率较低，受温度影响大，要求转换精度较高时必须进行温度补偿，但霍尔传感器结构简单，体积小，坚固，频率响应宽，动态范围大，无触点，使用寿命长，可靠性高，易微型化和集成电路化。5.2.1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

2、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。如图所示，半导体材料的长、宽、厚分别为L、和d。在与x轴相垂直的两个端面C和D上各装一个金属电极，称为控制电极。在控制电极上外加电压u，材料中便形成一个沿x方向流动的电流I，称为控制电流。在ｚ轴方向的磁场作用下，电子将受到一个沿ｙ轴负方向力的作

3、用，这个力就是洛仑兹力。它的大小为：FL=－qvBzxyIADBCBlLdUHA、B-霍尔电极C、D-控制电极2霍尔电势电荷的聚积必将产生静电场，即为霍尔电场，该静电场对电子的作用力为FE与洛仑兹力方向相反，将阻止电子继续偏转，其大小为式中EH为霍尔电场，q为载流子电荷，UH为霍尔电势。当FL=FE时，电子的积累达到动平衡，即所以5-1由上式式可见，霍尔电压的大小决定于载流体中电子的运动速度，它随载流体材料的不同而不同。材料中电子在电场作用下运动速度的大小常用载流子迁移率来表征，所谓载流子迁移率是指在

4、单位电场强度作用下，载流子的平均速度值。载流子迁移率用符号μ表示，μ=v/EI。其中EI是C、D两端面之间的电场强度。它是由外加电压U产生的，即。因此可以把电子运动速度表示为。这时上式可改写为当材料中的电子浓度为n时，有如下关系式:I=nqbdv即(5-2)将5-2代入5-1，得令RH则被定义为霍尔传感器的霍尔系数。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

5、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)

6、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

7、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

8、≠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