第七章霍爾傳感器ppt課件

1、2022-4-161第第7章章 霍爾傳感器霍爾傳感器2022-4-162引言引言n霍爾傳感器是基于霍爾效應(yīng)的一種傳感器?；魻杺鞲衅魇腔诨魻栃?yīng)的一種傳感器。n1879年美國(guó)物理學(xué)家霍爾首先在金屬材料中年美國(guó)物理學(xué)家霍爾首先在金屬材料中發(fā)現(xiàn)了霍爾效應(yīng)，但由于金屬材料的霍爾效應(yīng)發(fā)現(xiàn)了霍爾效應(yīng)，但由于金屬材料的霍爾效應(yīng)太弱而沒(méi)有得到應(yīng)用。太弱而沒(méi)有得到應(yīng)用。n隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，開(kāi)始用半導(dǎo)體材料制隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，開(kāi)始用半導(dǎo)體材料制成霍爾元件，由于它的霍爾效應(yīng)顯著而得到應(yīng)成霍爾元件，由于它的霍爾效應(yīng)顯著而得到應(yīng)用和發(fā)展。用和發(fā)展。n霍爾傳感器廣泛用于電磁測(cè)量、壓力、加速度、霍爾傳感器廣泛用于

2、電磁測(cè)量、壓力、加速度、振動(dòng)等方面的測(cè)量。振動(dòng)等方面的測(cè)量。2022-4-1637.1 霍爾傳感器的工作原理霍爾傳感器的工作原理n金屬或半導(dǎo)體薄片置于磁感應(yīng)強(qiáng)度金屬或半導(dǎo)體薄片置于磁感應(yīng)強(qiáng)度B的磁的磁場(chǎng)磁場(chǎng)方向垂直與薄片中，當(dāng)有電場(chǎng)磁場(chǎng)方向垂直與薄片中，當(dāng)有電流流I通過(guò)時(shí)，在垂直于電流和磁場(chǎng)的方向通過(guò)時(shí)，在垂直于電流和磁場(chǎng)的方向上將產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)上將產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)UH，這種物理現(xiàn)象稱(chēng)為，這種物理現(xiàn)象稱(chēng)為霍爾效應(yīng)。該電勢(shì)霍爾效應(yīng)。該電勢(shì)UH 稱(chēng)霍爾電勢(shì)。稱(chēng)霍爾電勢(shì)。n霍爾效應(yīng)的產(chǎn)生是由于運(yùn)動(dòng)電荷受磁場(chǎng)霍爾效應(yīng)的產(chǎn)生是由于運(yùn)動(dòng)電荷受磁場(chǎng)中洛倫茲力作用的結(jié)果。中洛倫茲力作用的結(jié)果。7.1.1 霍霍 爾爾 效

3、效 應(yīng)應(yīng) 2022-4-164霍爾效應(yīng)霍爾效應(yīng)n一塊長(zhǎng)為一塊長(zhǎng)為L(zhǎng)、寬為、寬為W、厚為、厚為d的的N型半導(dǎo)型半導(dǎo)體薄片，位于磁感應(yīng)強(qiáng)度為體薄片，位于磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的磁場(chǎng)中，的磁場(chǎng)中，B垂直于垂直于L-W平面，沿平面，沿L通電流通電流I，N型半型半導(dǎo)體的載流體導(dǎo)體的載流體-電子將受到電子將受到B產(chǎn)生的洛侖產(chǎn)生的洛侖茲力茲力FB的作用的作用 BeFvB2022-4-165n洛侖茲力洛侖茲力FL使電子向垂直于使電子向垂直于B和自由電子運(yùn)和自由電子運(yùn)動(dòng)方向偏移，其方向符合右手螺旋定律，即動(dòng)方向偏移，其方向符合右手螺旋定律，即電子有向某一端積聚的現(xiàn)象，使半導(dǎo)體電子有向某一端積聚的現(xiàn)象，使半導(dǎo)體端端面產(chǎn)生

4、負(fù)電荷積聚，另一端面則為正電荷積面產(chǎn)生負(fù)電荷積聚，另一端面則為正電荷積聚。由于電荷積聚，產(chǎn)生靜電場(chǎng)，稱(chēng)為霍爾聚。由于電荷積聚，產(chǎn)生靜電場(chǎng)，稱(chēng)為霍爾電場(chǎng)。該靜電場(chǎng)對(duì)電子的作用力電場(chǎng)。該靜電場(chǎng)對(duì)電子的作用力FE與洛侖茲與洛侖茲力力FL的方向相反，將阻止電子繼續(xù)偏轉(zhuǎn)，其的方向相反，將阻止電子繼續(xù)偏轉(zhuǎn)，其大小為大小為 7.1.2 基本原理基本原理bUeeEFHHE2022-4-166n電場(chǎng)力阻止電子繼續(xù)向原側(cè)面積累，當(dāng)電場(chǎng)力阻止電子繼續(xù)向原側(cè)面積累，當(dāng)電子所受電場(chǎng)力和洛侖茲力相等時(shí)，電電子所受電場(chǎng)力和洛侖茲力相等時(shí)，電荷的積累達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，由于存在荷的積累達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，由于存在EH，半導(dǎo)體片兩側(cè)面間出

5、現(xiàn)電位差半導(dǎo)體片兩側(cè)面間出現(xiàn)電位差UH ，稱(chēng)，稱(chēng)為霍爾電勢(shì)為霍爾電勢(shì) IBdIBdRUHH2022-4-167n磁場(chǎng)與薄片法線(xiàn)夾角為磁場(chǎng)與薄片法線(xiàn)夾角為 HHcosUK IB2022-4-168常用的霍爾元件材料常用的霍爾元件材料 n鍺、硅、砷化銦、銻化銦等半導(dǎo)體材料。其鍺、硅、砷化銦、銻化銦等半導(dǎo)體材料。其中中N型鍺容易加工制造，其霍爾系數(shù)、溫度型鍺容易加工制造，其霍爾系數(shù)、溫度性能和線(xiàn)性度都較好。性能和線(xiàn)性度都較好。N型硅的線(xiàn)性度最好，型硅的線(xiàn)性度最好，其霍爾系數(shù)、溫度性能同其霍爾系數(shù)、溫度性能同N型鍺相近。銻化型鍺相近。銻化銦對(duì)溫度最敏感，尤其在低溫范圍內(nèi)溫度系銦對(duì)溫度最敏感，尤其在低溫

6、范圍內(nèi)溫度系數(shù)大，但在室溫時(shí)其霍爾系數(shù)較大。砷化銦數(shù)大，但在室溫時(shí)其霍爾系數(shù)較大。砷化銦的霍爾系數(shù)較小，溫度系數(shù)也較小，輸出特的霍爾系數(shù)較小，溫度系數(shù)也較小，輸出特性線(xiàn)性度好。性線(xiàn)性度好。 霍爾元件霍爾元件2022-4-1610 霍爾元件的材料特性霍爾元件的材料特性2022-4-16117.1.3 霍爾元件的主要參數(shù)霍爾元件的主要參數(shù)n1. 額定功耗額定功耗 n2. 輸入電阻和輸出電阻輸入電阻和輸出電阻 n3. 不平衡電勢(shì)不平衡電勢(shì) n4. 霍爾電勢(shì)溫度系數(shù)霍爾電勢(shì)溫度系數(shù) n5. 內(nèi)阻溫度系數(shù)內(nèi)阻溫度系數(shù) n6. 靈敏度靈敏度 1主要特性參數(shù)主要特性參數(shù)霍爾元件基本特性 n線(xiàn)性特性與開(kāi)關(guān)特性

7、線(xiàn)性特性與開(kāi)關(guān)特性n不等位電阻不等位電阻n負(fù)載特性負(fù)載特性 n溫度特性溫度特性 霍爾元件的零位誤差及補(bǔ)償 n不等位電動(dòng)勢(shì)的補(bǔ)償不等位電動(dòng)勢(shì)的補(bǔ)償n寄生直流電動(dòng)勢(shì)的補(bǔ)償寄生直流電動(dòng)勢(shì)的補(bǔ)償n元件在制作安裝時(shí)，盡量做到使電極歐元件在制作安裝時(shí)，盡量做到使電極歐姆接觸，并做到均勻散熱。姆接觸，并做到均勻散熱。n歐姆接觸：金屬與半導(dǎo)體的接觸，其接歐姆接觸：金屬與半導(dǎo)體的接觸，其接觸面的電阻值遠(yuǎn)小于半導(dǎo)體本身的電阻觸面的電阻值遠(yuǎn)小于半導(dǎo)體本身的電阻?；魻栐臏囟日`差及其補(bǔ)償0(1)HHKKT0000IPPHRRIRI)1 (0TRRII)1 (0TRRPP)1 ()1 ()1 (000TRTRITRR

8、RIRIPIPPIPHHHHHIKIK0000)(IPRR2022-4-16167.1.4 霍爾元件的基本測(cè)量電路霍爾元件的基本測(cè)量電路+-U UH HI RPVCCRL2022-4-16177.2 集成霍爾傳感器集成霍爾傳感器集成霍爾傳感器是利用硅集成電路工藝將霍爾元件和測(cè)量線(xiàn)路集成在一起的一種傳感器。集成霍爾傳感器與分立元件相比，它具有可靠性高、體積小、重量輕、功耗低等優(yōu)點(diǎn)，正越來(lái)越受到重視。 集成霍爾傳感器的輸出是經(jīng)過(guò)處理的霍爾輸出信號(hào)。按照輸出信號(hào)的形式，可以分為開(kāi)關(guān)型集成霍爾傳感器和線(xiàn)性集成霍爾傳感器兩種類(lèi)型。 2022-4-16187.2.1 開(kāi)關(guān)型集成霍爾傳感器開(kāi)關(guān)型集成霍爾傳感

9、器n霍爾片、引線(xiàn)和殼體組成霍爾片、引線(xiàn)和殼體組成 1. 開(kāi)關(guān)型集成霍爾傳感器的結(jié)構(gòu)開(kāi)關(guān)型集成霍爾傳感器的結(jié)構(gòu)2022-4-16197.2.1 開(kāi)關(guān)型集成霍爾傳感器開(kāi)關(guān)型集成霍爾傳感器2開(kāi)關(guān)型霍爾集成傳感器的工作原理穩(wěn)壓電路VCC輸出UOUTGND231霍爾元件放大器整形電路VT +-UH2022-4-16207.2.1 開(kāi)關(guān)型集成霍爾傳感器開(kāi)關(guān)型集成霍爾傳感器3. 開(kāi)關(guān)型集成霍爾傳感器的工作特性UOUTOPBKPB開(kāi)關(guān)B（V）HB02022-4-16217.2.1 開(kāi)關(guān)型集成霍爾傳感器開(kāi)關(guān)型集成霍爾傳感器4. 開(kāi)關(guān)型集成霍爾傳感器的接口電路2022-4-16227.2.2 線(xiàn)性集成霍爾傳感器線(xiàn)

10、性集成霍爾傳感器1.線(xiàn)性集成霍爾傳感器的結(jié)構(gòu)及工作原理mAVVCC12VDC10mASL3501TNS123+_DC2022-4-16237.2.2 線(xiàn)性集成霍爾傳感器線(xiàn)性集成霍爾傳感器2.線(xiàn)性集成霍爾傳感器的主要技術(shù)特性磁感應(yīng)強(qiáng)度B（T）輸出電壓UOUT（V）R=15R=0R=1000.080.040.120.16 0.20 0.24 0.280.3200.51.01.52.02.52022-4-16247.3 霍爾傳感器的應(yīng)用霍爾傳感器的應(yīng)用7.3.1 霍爾式位移傳感器霍爾式位移傳感器n微位移的測(cè)量 2022-4-16267.3 霍爾傳感器的應(yīng)用霍爾傳感器的應(yīng)用7.3.2 霍爾式壓力傳感器

11、霍爾式壓力傳感器2022-4-16277.3 霍爾傳感器的應(yīng)用霍爾傳感器的應(yīng)用7.3.3 霍爾電子點(diǎn)火器霍爾電子點(diǎn)火器隔磁罩隔磁罩缺口霍爾元件(a)磁鋼轉(zhuǎn)速的測(cè)量 2022-4-1630常用傳感器：國(guó)產(chǎn)常用傳感器：國(guó)產(chǎn)YSH-1型霍型霍爾壓力變送器爾壓力變送器 2022-4-1631霍爾轉(zhuǎn)速傳感器在汽車(chē)防抱死裝置ABS中的應(yīng)用 若汽車(chē)在剎車(chē)時(shí)車(chē)輪被抱死，將產(chǎn)生危險(xiǎn)。用霍爾轉(zhuǎn)速傳感器來(lái)檢測(cè)車(chē)輪的轉(zhuǎn)動(dòng)狀態(tài)有助于控制剎車(chē)力的大小。帶有微帶有微型磁鐵型磁鐵的霍爾的霍爾傳感器傳感器鋼質(zhì)鋼質(zhì)霍爾霍爾2022-4-1632ABS的工作原理的工作原理 1車(chē)速齒輪傳感器 2壓力調(diào)節(jié)器 3控制器 2022-4-1633霍爾轉(zhuǎn)速表 在被測(cè)轉(zhuǎn)速的轉(zhuǎn)軸上安裝一個(gè)齒盤(pán)，也可選取機(jī)械系統(tǒng)中的一個(gè)齒輪，將線(xiàn)性型霍爾器件及磁路系統(tǒng)靠近齒盤(pán)。齒盤(pán)的轉(zhuǎn)動(dòng)使磁路的磁阻隨氣隙的改變而周期性地變化，霍爾器件輸出的微小脈沖信號(hào)經(jīng)隔直、放大、整形后可以