-霍爾傳感器的工作原理及應(yīng)用

1、霍爾傳感器.1 霍爾傳感器工作原理.2 霍爾元件的結(jié)構(gòu)和基本電路.3 霍爾元件的主要特性參數(shù).4 霍爾元件誤差及補(bǔ)償.5 霍爾式傳感器的應(yīng)用.1 霍爾傳感器工作原理 半導(dǎo)體薄片置于磁場中，當(dāng)它的電流方向與磁場方向不一致時(shí)，半導(dǎo)體薄片上平行于電流和磁場方向的兩個(gè)面之間產(chǎn)生電動(dòng)勢，這種現(xiàn)象稱霍爾效應(yīng)。 產(chǎn)生的電動(dòng)勢稱霍爾電勢 半導(dǎo)體薄片稱霍爾元件霍爾效應(yīng)原理dIBRUHH長l寬b高dBeFbUEHHBveeEH載流子受洛侖茲力載流子受洛侖茲力 霍爾電場強(qiáng)度霍爾電場強(qiáng)度平衡狀態(tài)平衡狀態(tài) BvEHbdneIv 電子運(yùn)動(dòng)平均速度電子運(yùn)動(dòng)平均速度 evnbdI 因?yàn)殚Ll寬b高ddIBneUH1霍爾電勢霍爾

2、電勢長l寬b高d霍爾常數(shù)霍爾常數(shù) neRH1霍爾常數(shù)大小取決于導(dǎo)體的載流子密度：霍爾常數(shù)大小取決于導(dǎo)體的載流子密度：金屬的自由電子密度太大，因而霍爾常數(shù)小，霍爾電勢也小，金屬的自由電子密度太大，因而霍爾常數(shù)小，霍爾電勢也小，所以金屬材料不宜制作霍爾元件。所以金屬材料不宜制作霍爾元件。霍爾電勢與導(dǎo)體厚度霍爾電勢與導(dǎo)體厚度d成反比：成反比：為了提高霍爾電勢值，為了提高霍爾電勢值， 霍爾元件制成薄片形狀。霍爾元件制成薄片形狀。 BIKUHHneddRKHH1霍爾元件靈敏度（靈敏系數(shù)）霍爾元件靈敏度（靈敏系數(shù)） 半導(dǎo)體中電子遷移率（電子定向運(yùn)動(dòng)平均速度）比空穴遷移率高，半導(dǎo)體中電子遷移率（電子定向運(yùn)動(dòng)

3、平均速度）比空穴遷移率高，因此因此N型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體較適合于制造靈敏度高的霍爾元件，較適合于制造靈敏度高的霍爾元件， .2 霍爾元件的結(jié)構(gòu)和基本電路霍爾元件霍爾元件能測量哪些參數(shù)？能測量哪些參數(shù)？ BIKUHHp圖（a）中，從矩形薄片半導(dǎo)體基片上的兩個(gè)相互垂直方向側(cè)面上，引出一對(duì)電極，其中1-1電極用于加控制電流，稱控制電極。另一對(duì)2-2電極用于引出霍爾電勢，稱霍爾電勢輸出極。在基片外面用金屬或陶瓷、環(huán)氧樹脂等封裝作為外殼。p圖（b）是霍爾元件通用的圖形符號(hào)。p圖（c）所示，霍爾電極在基片上的位置及它的寬度對(duì)霍爾電勢數(shù)值影響很大。通常霍爾電極位于基片長度的中間，其寬度遠(yuǎn)小于基片的長度。 p圖（

4、d）是基本測量電路 。 .3 霍爾元件的主要特性參數(shù)當(dāng)磁場和環(huán)境溫度一定時(shí): 霍爾電勢與控制電流I成正比當(dāng)控制電流和環(huán)境溫度一定時(shí): 霍爾電勢與磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度B成正比當(dāng)環(huán)境溫度一定時(shí): 輸出的霍爾電勢與I和B的乘積成正比 測量以上電阻時(shí)，應(yīng)在沒有外磁場和室溫變化的條件下進(jìn)行。 BIKUHH霍爾元件的主要特性參數(shù)：(1) 輸入電阻和輸出電阻 輸入電阻：控制電極間的電阻 輸出電阻：霍爾電極之間的電阻(2) 額定控制電流和最大允許控制電流 額定控制電流：當(dāng)霍爾元件有控制電流使其本身在 空氣中產(chǎn)生10溫升時(shí)，對(duì)應(yīng)的控制電流值 最大允許控制電流：以元件允許的最大溫升限制所對(duì) 應(yīng)的控制電流值 (3) 不

5、等位電勢Uo和不等位電阻ro p不等位電勢：當(dāng)霍爾元件的控制電流為額定值時(shí)，若元件所處位置的磁感應(yīng)強(qiáng)度為零，測得的空載霍爾電勢。p不等位電勢是由霍爾電極2和之間的電阻決定的， r 0稱不等位電阻 霍爾元件的主要特性參數(shù) (4) 寄生直流電勢 霍爾元件零位誤差的一部分當(dāng)沒有外加磁場，霍爾元件用交流控制電流時(shí)，霍爾電極的輸出有一個(gè)直流電勢控制電極和霍爾電極與基片的連接是非完全歐姆接觸時(shí)，會(huì)產(chǎn)生整流效應(yīng)。兩個(gè)霍爾電極焊點(diǎn)的不一致，引起兩電極溫度不同產(chǎn)生溫差電勢(5) 霍爾電勢溫度系數(shù) 在一定磁感應(yīng)強(qiáng)度和控制電流下，溫度每變化1度時(shí)，霍爾電勢變化的百分率。3.4 霍爾元件誤差及補(bǔ)償1. 不等位電勢誤差

6、的補(bǔ)償2. 溫度誤差及其補(bǔ)償1. 不等位電勢誤差的補(bǔ)償不等位電勢誤差的補(bǔ)償p可以把霍爾元件視為一個(gè)四臂電阻電橋，不等位電勢就相當(dāng)于電橋的初始不平衡輸出電壓。 電勢的補(bǔ)償電路 對(duì)稱電路 當(dāng)溫度變化時(shí)，補(bǔ)償?shù)姆€(wěn)定性要好些當(dāng)溫度變化時(shí)，補(bǔ)償?shù)姆€(wěn)定性要好些 2. 溫度誤差及其補(bǔ)償溫度誤差及其補(bǔ)償溫度誤差產(chǎn)生原因：霍爾元件的基片是半導(dǎo)體材料，因而對(duì)溫度的變化很敏感。其載流子濃度和載流子遷移率、電阻率和霍爾系數(shù)都是溫度的函數(shù)。當(dāng)溫度變化時(shí)，霍爾元件的一些特性參數(shù)，如霍爾電勢、輸入電阻和輸出電阻等都要發(fā)生變化，從而使霍爾式傳感器產(chǎn)生溫度誤差。 減小霍爾元件的溫度誤差 選用溫度系數(shù)小的元件 采用恒溫措施 采用

7、恒流源供電 恒流源電路如何實(shí)現(xiàn)？恒流源溫度補(bǔ)償 (1)HHOKKT 霍爾元件的靈敏系數(shù)也是溫度的函數(shù)，它隨溫度的霍爾元件的靈敏系數(shù)也是溫度的函數(shù)，它隨溫度的變化引起霍爾電勢的變化，霍爾元件的靈敏系數(shù)與變化引起霍爾電勢的變化，霍爾元件的靈敏系數(shù)與溫度的關(guān)系溫度的關(guān)系 KH0 為溫度為溫度T0時(shí)的時(shí)的KH值；值； 溫度變化量；溫度變化量； 霍爾電勢的溫度系數(shù)。霍爾電勢的溫度系數(shù)。 T大多數(shù)霍爾元件的溫度系數(shù)是正值時(shí)，它們的霍爾電勢隨溫度的升高而增加（1+t）倍。同時(shí)，讓控制電流I相應(yīng)地減小，能保持KHI不變就抵消了靈敏系數(shù)值增加的影響。 恒流源溫度補(bǔ)償電路 當(dāng)霍爾元件的輸入電阻隨溫度升高而增加時(shí)，

8、當(dāng)霍爾元件的輸入電阻隨溫度升高而增加時(shí)，旁路分流電阻自動(dòng)地加強(qiáng)分流，減少了霍爾元件的控制電流旁路分流電阻自動(dòng)地加強(qiáng)分流，減少了霍爾元件的控制電流控制電流控制電流 siPPIRRRI00020溫度升到溫度升到T時(shí)，電路中各參數(shù)變?yōu)闀r(shí)，電路中各參數(shù)變?yōu)?)1 (0TRRii)1 (0TRRPP溫度為溫度為T0時(shí)時(shí)霍爾元件輸入電阻溫度系數(shù)；分流電阻溫度系數(shù)。 SiPPsiPpITRTRTRIRRRI)1 ()1 ()1 (0002 為使霍爾電勢不變，補(bǔ)償電路必須滿足為使霍爾電勢不變，補(bǔ)償電路必須滿足: 升溫前、后的霍爾電勢不變，升溫前、后的霍爾電勢不變， BIKUBIKUHHHH220002200I

9、KIKHHSiPPHsiPPHITRTRTRTKIRRRK)1 ()1 ()1 ()1 (00000000經(jīng)整理，忽略經(jīng)整理，忽略 高次項(xiàng)后得高次項(xiàng)后得 2T00iPRR當(dāng)霍爾元件選定后，它的輸入電阻 和溫度系數(shù) 及霍爾電勢溫度系數(shù) 可以從元件參數(shù)表中查到（ 可以測量出來），用上式即可計(jì)算出分流電阻 及所需的分流電阻溫度系數(shù) 值。 0iR0iR0pR.5 霍爾式傳感器的應(yīng)用優(yōu)點(diǎn): 結(jié)構(gòu)簡單，體積小，重量輕，頻帶寬，動(dòng)態(tài)特性好和壽命長應(yīng)用：電磁測量：測量恒定的或交變的磁感應(yīng)強(qiáng)度、有功功率、無功功率、相位、電能等參數(shù)；自動(dòng)檢測系統(tǒng)：多用于位移、壓力的測量。1. 微位移和壓力的測量微位移和壓力的測量p測量原理：霍爾電勢與磁感應(yīng)強(qiáng)度成正比，若磁感應(yīng)強(qiáng)度是位置的函數(shù)，則霍爾電勢的大小就可以用來反映霍爾元件的位置。 p應(yīng)用：位移測量、力、壓力、應(yīng)變、機(jī)械振動(dòng)、加速度 產(chǎn)生梯度磁場的示意圖 位移量較小，適于測量微位移和機(jī)械振動(dòng)位移量較小，適于測量微位移和機(jī)械振動(dòng) 霍爾式壓力傳感器 1. 彈簧管彈簧管 2. 磁鐵磁鐵 3. 霍爾片霍爾片 加速度傳感器 2. 磁場的測量磁場的測量在控制電流恒定條件下，霍爾電勢大小與磁感應(yīng)強(qiáng)度成正比，由于霍爾元件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，它特別適用于微小氣隙中的磁感應(yīng)強(qiáng)度、高梯度磁場參數(shù)的測