第九章霍爾式傳感器

第九章霍爾式傳感器第一節(jié)

霍爾元件的基本工作原理

霍爾式傳感器是以霍爾元件作為其敏感和轉(zhuǎn)換元件的傳感器?；魻栐t是利用某些半導(dǎo)體材料的霍爾效應(yīng)原理制成的。

霍爾效應(yīng)

在垂直于半導(dǎo)體薄片平面的方向上，施加磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的磁場(chǎng)，在其長(zhǎng)度方向上通以電流I，則在半導(dǎo)體的另外兩邊將產(chǎn)生一個(gè)大小與控制電流I和磁感應(yīng)強(qiáng)度B的乘積（IB）成正比的電動(dòng)勢(shì)。這種現(xiàn)象稱(chēng)為霍爾效應(yīng)。計(jì)算公式假設(shè)自由電子以勻速按圖9-1所示方向運(yùn)動(dòng)，則在磁感應(yīng)強(qiáng)度B作用下，每個(gè)電子所受洛侖茲力為

FL=evBRH=-1/ne：稱(chēng)為霍爾系數(shù)KH=RH/d由上式

可見(jiàn)，當(dāng)I、B大小一定時(shí)，KH越大，則霍爾元件的輸出電勢(shì)越大。

對(duì)于P型半導(dǎo)體，其多數(shù)載流子是空穴，也存在與N型半導(dǎo)體類(lèi)似的霍爾效應(yīng)。

用空穴濃度p戶(hù)代替電子濃度

n

若B與霍爾元件平面的法線(xiàn)成一角度，則作用于霍爾元件的有效磁感應(yīng)強(qiáng)度為Bcos則UH=KHIBcos

UH正比于BI。只要通過(guò)測(cè)量電路測(cè)出UH，那么B和I兩個(gè)參數(shù)中，一個(gè)參數(shù)已知就可求出另一個(gè)參數(shù)。因而任何可轉(zhuǎn)換成B或I的未知量均可利用霍爾元件進(jìn)行測(cè)量。此外，可轉(zhuǎn)換成B和I乘積的未知量亦可進(jìn)行測(cè)量。第二節(jié)霍爾元件的基本結(jié)構(gòu)和主要技術(shù)指標(biāo)一、基本結(jié)構(gòu)

導(dǎo)線(xiàn)1、2稱(chēng)為控制電流引線(xiàn)端，與之焊接的一對(duì)電極稱(chēng)為控制電極（紅色導(dǎo)線(xiàn)標(biāo)記）;導(dǎo)線(xiàn)3、4稱(chēng)為霍爾電勢(shì)輸出端，與之焊接的一對(duì)電極稱(chēng)為霍爾電極（綠色導(dǎo)線(xiàn)標(biāo)記）。國(guó)產(chǎn)霍爾元件型號(hào)的命名方法二、主要技術(shù)指標(biāo)1·額定控制電流Ic和最大控制電流Icm霍爾元件在空氣中產(chǎn)生l0oC的溫升時(shí)所施加的控制電流值稱(chēng)為額定控制電流Ic?；魻栐臏厣_(dá)到最大允許溫升Tm時(shí)的Ic就是最大控制電流Icm。2·乘積靈敏度KH霍爾元件的乘積靈敏度定義為在單位控制電流和單位磁感應(yīng)強(qiáng)度下，霍爾電勢(shì)輸出端開(kāi)路時(shí)的電勢(shì)值，其單位為V/(AT)，它反應(yīng)了霍爾元件本身所具有的磁電轉(zhuǎn)換能力。

KH=UH/IB3·輸人電阻Ri和輸出電阻Ro

霍爾片中兩個(gè)控制電極之間的電阻稱(chēng)為輸人電阻Ri而兩個(gè)霍爾電極之間的電阻稱(chēng)為輸出電阻Ro。由于Ri、Ro是純電阻，故可用直流電橋或歐姆表直接測(cè)量，需要說(shuō)明的是測(cè)量要求在沒(méi)有外磁場(chǎng)和室溫(20士5)C條件下進(jìn)行。

4·不等位電勢(shì)UM和不等位電阻RM

由于兩個(gè)霍爾電極安裝位置不對(duì)稱(chēng)或不在同一等電位面上，半導(dǎo)體材料的電阻率不均勻，或幾何尺寸不均勻，以及控制電極接觸不良等原因，當(dāng)I0B=0時(shí)UH0為此引入了不等位電勢(shì)UM來(lái)加以表征，即在額定直流控制電流作用下，不加外磁場(chǎng)時(shí)霍爾電極之間的空載(即開(kāi)路)電勢(shì)。不等位電勢(shì)UM與額定控制電流Ic之比，稱(chēng)為不等位電阻RM。即RM=UM/Ic5·霍爾電勢(shì)溫度系數(shù)由于溫度的變化，霍爾電勢(shì)也會(huì)隨之有一些變化。溫度對(duì)霍爾電勢(shì)的影響程度，用霍爾電勢(shì)溫度系數(shù)來(lái)表征，即在一定的控制電流和磁感應(yīng)強(qiáng)度下，溫度每變化loC所引起的霍爾電勢(shì)變化的百分率。第三節(jié)霍爾元件的測(cè)量電路

一、基本電路控制電流I由電源E提供，R是調(diào)節(jié)電阻?；魻栯妱?shì)輸出端的負(fù)載電阻RL，可以是放大器的輸入電阻或表頭內(nèi)阻等。所施加的外磁場(chǎng)B一般與霍爾元件的平面垂直。實(shí)際測(cè)量中，可以把I或者B單獨(dú)作為輸入信號(hào)，也以把二者的乘積作為輸入信號(hào)，通過(guò)霍爾電勢(shì)輸出得到測(cè)量結(jié)果?？刂齐娏饕部梢允墙涣髁?，控制電流的頻率可高達(dá)1O9Hz以上。二、溫度誤差的補(bǔ)償（一）采用恒流源提供控制電流TRi，KH，R。RiIcUHKHUHRIcUH當(dāng)R=Ri（--）/UH不變（二）合理選擇負(fù)載電阻TUH，RoUHULRoUL當(dāng)RL=Ro（-）/時(shí)UL不變（三）采用熱敏元件a.用Rt變化補(bǔ)償KH和Ri的變化。b.用Rt變化補(bǔ)償KH和Ro的變化。三、不等位電勢(shì)的補(bǔ)償?shù)刃щ娐防硐肭闆r：R1=R2=R3=R4，電橋平衡UM=0實(shí)際情況：R1、R2、R3、R4有差異UM0（一）基本補(bǔ)償電路（二）具有溫度補(bǔ)償?shù)难a(bǔ)償電路Rt121，2端為輸出端在工作溫度下限T1，調(diào)RP1使B=0時(shí)輸出為零。在工作溫度