項(xiàng)目霍爾傳感器PPT學(xué)習(xí)教案

1、會計(jì)學(xué)1第1頁/共45頁山東農(nóng)業(yè)大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心山東農(nóng)業(yè)大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心第2頁/共45頁Edwin Hall（18551938） 霍爾效應(yīng)是霍爾霍爾效應(yīng)是霍爾 (Hall)24歲時在美國霍普金斯大學(xué)歲時在美國霍普金斯大學(xué)研究生期間，研究關(guān)于載研究生期間，研究關(guān)于載流導(dǎo)體在磁場中的受力性流導(dǎo)體在磁場中的受力性質(zhì)時發(fā)現(xiàn)的一種現(xiàn)象。質(zhì)時發(fā)現(xiàn)的一種現(xiàn)象。第3頁/共45頁第4頁/共45頁霍爾效應(yīng)測試霍爾效應(yīng)測試儀儀霍爾效應(yīng)實(shí)驗(yàn)霍爾效應(yīng)實(shí)驗(yàn)儀儀 第5頁/共45頁由電磁鐵（由電磁鐵（2500GS/A）、霍爾樣品及調(diào)節(jié)架、雙刀雙擲開關(guān)構(gòu)成。）、霍爾樣品及調(diào)節(jié)架、雙刀雙擲開關(guān)構(gòu)成。 第6頁/共45頁霍爾

2、效應(yīng)實(shí)驗(yàn)儀的部件之一：電磁鐵（霍爾效應(yīng)實(shí)驗(yàn)儀的部件之一：電磁鐵（2500GS/A） 第7頁/共45頁霍爾樣品及調(diào)節(jié)霍爾樣品及調(diào)節(jié)架架 第8頁/共45頁調(diào)節(jié)架上的水平和垂直刻度調(diào)節(jié)架上的水平和垂直刻度 第9頁/共45頁霍爾效應(yīng)測試儀霍爾效應(yīng)測試儀 第10頁/共45頁YXZ4312dBHI (1-1)dBRIVHHHV第11頁/共45頁 上式中比例系數(shù)R稱為霍爾系數(shù)，對同一材料R為一常數(shù)。因成品霍爾元件（根據(jù)霍爾效應(yīng)制成的器件）d也是一常數(shù)。故R/d常用另一常數(shù)K來表示，有BKIVHHK稱為霍爾元件的靈敏度，它是一個重要參數(shù)，表示該元件在單位磁感應(yīng)強(qiáng)度和單位電流作用時霍爾電壓的大小。如果霍爾元件的

3、靈敏度K知道（一般由實(shí)驗(yàn)室給出），測出電流 和霍爾電壓 ，就可以根據(jù)下式求出磁感應(yīng)強(qiáng)度B。HIHVHHKIVB第12頁/共45頁+ + + + + + + + - - - - - - - LxBbYdevBfB 現(xiàn)研究一個長度為L、寬度為d的N型半導(dǎo)體材料制成的霍爾元件。當(dāng)沿X方向通以電流 后，載流子（對N型半導(dǎo)體是電子）e將以平均速度v沿與電流相反的方向運(yùn)動，在磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的磁場中，電子將受到洛侖茲力的作用，其大小為HIHIeBfzv第13頁/共45頁 的方向可以由左手定則決定。在 的作用下，電荷將在元件沿y的兩端面堆積形成電場 它會對載流子產(chǎn)生一靜電力 ，其大小為它的方向與洛侖茲力相反，

4、即它是阻止電荷繼續(xù)堆積。+ + + + + + + + - - - - - - - LxBbYZdBfBfHEeEf EfEfBfeV第14頁/共45頁當(dāng) 和 達(dá)到靜態(tài)平衡后，有 即于是電荷堆積的兩端面（Z方向）的電勢差為 通過的電流可表示為 式中n是電子濃度，得vbBVH（1- 4）nevbdIH（1- 5）nebdIvHBfBfEf=EfbVeeEevbHH第15頁/共45頁將 代入 可得vbBVHnebdIvHnedBIvH可改寫為BKIdBRIVHHH就是霍爾系數(shù)neR1第16頁/共45頁第17頁/共45頁第18頁/共45頁 霍爾電極在基片上的位置及它的寬度對霍爾電勢UH的影響很大。通

5、?；魻栯姌O位于極片長度的中間，其寬度遠(yuǎn)小于基片的長度。在電路中霍爾元件可用兩種符號表示，如下圖：第19頁/共45頁1鍺(Ge) 輸出小，但溫度性能和線性度較好； 2硅(Si) 線性度最好，但帶負(fù)載能力較差，通常不作單個霍爾元件；3砷化銦(InAs) 輸出較大，受溫度影響小，線性度較好，應(yīng)用較多； 4銻化銦(InSb) 輸出大，但受溫度影響大（尤其是低溫）v 霍爾元件材料： 第20頁/共45頁第21頁/共45頁第22頁/共45頁 1) 不等位電勢及其補(bǔ)償?shù)?3頁/共45頁霍爾元件不等位電勢原理圖第24頁/共45頁第25頁/共45頁2) 溫度誤差及其補(bǔ)償?shù)?6頁/共45頁第27頁/共45頁溫度補(bǔ)償

6、電路 電流I為恒定電流，不受溫度影響；電阻rH為霍爾元件等效輸入電阻；在霍爾元件的控制電極并聯(lián)一個合適的補(bǔ)償電阻rT，rT具有與rH相同的正溫度系數(shù)，起分流作用。當(dāng)霍爾元件的輸入電阻隨溫度升高而增加時，rT會自動加強(qiáng)分流，減小了霍爾元件的控制電流IH，從而達(dá)到補(bǔ)償?shù)哪康?。補(bǔ)償原理：第28頁/共45頁橋路補(bǔ)償法的溫度補(bǔ)償電路第29頁/共45頁 3）寄生直流電壓 在無磁場的情況下，元件通入交流電流，輸出端除交流不等位電壓以外的直流分量稱為寄生直流電壓。產(chǎn)生寄生直流電壓的原因大致上的兩個方面： 1) 由于控制極焊接處歐姆接觸不良而造成一種整流效應(yīng)，使控制電流因正、反向電流大小不等而具有一定的直流分量

7、。 2) 輸出極焊點(diǎn)熱容量不相等產(chǎn)生溫差電動勢。 制做和封裝霍爾元件時，發(fā)送電極歐姆接觸性能和元件的散熱條件，是減少寄生直流電壓的有效措施。 第30頁/共45頁 4 4、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量線路集成在一起的一種傳感器。它取消了傳感器和測量電路之間的界限，實(shí)現(xiàn)了材料、元件、電路三位一體。集成霍爾傳感器與分立相比，由于減少了焊點(diǎn)，因此顯著地提高了可靠性。此外，它具有體積小、重量輕、功耗低等優(yōu)點(diǎn)，正越來越愛到眾的重視。 集成霍爾傳感器的輸出是經(jīng)過處理的霍爾輸出信號。按照輸出信號的形式，可以分為開關(guān)型集成霍爾傳感器和線性集成霍爾傳感器兩種類

8、型。第31頁/共45頁(1) 開關(guān)型集成霍爾傳感器 開關(guān)型集成霍爾傳感器是把霍爾元件的輸出經(jīng)過處理后輸出一個高電平或低電平的數(shù)字信號。其典型電路見圖。 第32頁/共45頁 第33頁/共45頁 集成霍爾傳感器的輸出電平與磁場B之間的關(guān)系見圖6-2-7，可以看出，集成霍爾傳感器的導(dǎo)通磁感應(yīng)強(qiáng)度和截止磁感應(yīng)強(qiáng)度之間存在滯后效應(yīng)。 開關(guān)型集成霍爾傳感器的這一特性，正是我們所需要的，它大大增強(qiáng)了開關(guān)電路的抗干擾能力，保證開關(guān)動作穩(wěn)定，不產(chǎn)生振蕩現(xiàn)象。第34頁/共45頁 (2) 線性集成霍爾傳感器 線性集成霍爾傳感器是把霍爾元件與放大線路集成在一起的傳感器。其輸出信號與磁感應(yīng)強(qiáng)度成比例。通常由霍爾元件、差分放大、射極跟隨輸出及穩(wěn)壓四部分組成，其典型線路見圖。圖中，霍爾元件的輸出經(jīng)由V1、V2、R1至R5組成的第一級差分放大器放大，放大后的信號再由V3、V6、R6、R7組成的第二級差分放大器放大。第二級放大采用達(dá)林頓對管，射極電阻R8外接，適當(dāng)選取R8的阻值，可以調(diào)整該極的工作點(diǎn)，從而改變電路增益。在電源電壓為9V，R8取2K時，全電路的增益可達(dá)1000倍左右，與分立元件霍爾傳感器相比，靈敏度大為提高。 第35頁/共45頁第36頁/共45頁4. 霍爾式傳感器的應(yīng)用霍爾式傳感器的應(yīng)用l I保持恒定，UHB 可測量位移、角度、轉(zhuǎn)速及加速度等