《電氣測試技術(shù)第5版》 課件 3.15 霍爾式傳感器

02December20243.15霍爾式傳感器3.15.1

霍爾式傳感器工作原理3.15.2霍爾元件的特性及其補償3.15.3霍爾集成電路3.15.4霍爾傳感器的應(yīng)用及實例02December20243.15.1霍爾式傳感器工作原理霍爾式傳感器是基于某些半導體材料的霍爾效應(yīng)原理制成的。半導體薄片的兩端通以電流，而在垂直方向施加磁感應(yīng)強度，在半導體的兩側(cè)會產(chǎn)生電動勢，這一現(xiàn)象稱為霍爾效應(yīng)，見圖3-145a。產(chǎn)生的電動勢稱為霍爾電動勢；半導體薄片稱為霍爾元件。圖3-145霍爾效應(yīng)及基本電路02December2024設(shè)霍爾元件為N型半導體材料制成，電子為多數(shù)載流子，施加電流后，多數(shù)載流子沿著相反的方向運動，電子在磁場中受到洛侖茲力的作用，即：式中，為電子電量；為電子的速度。在的作用下，電子向一側(cè)偏轉(zhuǎn)，見圖3-145a的虛線所示。因此，在半導體薄片的一側(cè)有電子積累而帶負電荷，而另一側(cè)因缺少電子而帶正電荷，于是在半導體薄片兩側(cè)建立靜電場。作用于運動電子的電場力為：式中，為霍爾元件的寬度。02December2024電場力阻止電子繼續(xù)偏轉(zhuǎn)。當時，達到動態(tài)平衡，由式（3-153）和（3-154）得：

（3-155）半導體的電流密度可用其電子濃度

來表示，即：因此，電流為：由上式求得為：

（3-156）將上式代入式（3-155），得：

（3-157）為霍爾元件的厚度；為霍爾元件的靈敏度，，其量綱為[mV/（mA·T）]。02December2024霍爾元件的靈敏度是極為重要的參數(shù)。表示霍爾元件在單位電流、單位磁感應(yīng)強度作用下，元件輸出霍爾電勢的大小。一般要求愈大愈好。半導體的電子濃度適中，而且可通過摻雜來控制電子濃度，因此，毫不例外地應(yīng)采用半導體作為霍爾元件的材料。此外，愈小，愈大，但是不能做得太薄，否則增加霍爾元件的輸入和輸出電阻。式（3-157）是在磁感應(yīng)強度

與元件平面垂直條件下導出的。若與元件平面法線成一角度，則作用于元件的有效磁感應(yīng)強度為，因此，式（3-157）變?yōu)椋夯魻栐幕具B接電路見圖3-145b。圖中，RP調(diào)節(jié)元件的電流；為霍爾元件的負載電阻，通常為放大器或測量電路的輸入阻抗。02December20243.15.2霍爾元件的特性及其補償霍爾元件的特性：特性

磁感應(yīng)強度

為常數(shù)，在一定溫度下，電流

與

之間的關(guān)系稱為元件的

特性，見圖3-146a。特性

電流

固定，霍爾元件開路輸出

與磁感應(yīng)強度

的關(guān)系稱為元件的

特性，見圖3-146b。特性

霍爾元件的輸入電阻或輸出電阻與磁感應(yīng)強度

的關(guān)系稱為元件的

特性，見圖3-146c。圖3-146霍爾元件的特性02December2024霍爾元件特性補償如前所述，霍爾元件用半導體材料制成。由于半導體的特性受環(huán)境溫度的影響較嚴重，故必須對霍爾元件的特性進行補償。溫度補償圖3-147霍爾元件的特性補償a）恒流源b）熱敏電阻補償電流c）熱敏電阻補償

02December2024不等位電動勢的補償作用于霍爾元件的磁感應(yīng)強度

，控制電流

，

，而

，

稱為不等位電動勢。產(chǎn)生不等位電動勢的原因有兩種：其一為元件的電流極或電勢極不焊接在等位面上；其二為元件的電阻率不均勻。圖3-148不等位電動勢及其補償a）不等位電動勢的產(chǎn)生

b）補償電路02December20243.15.3霍爾集成電路隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，目前霍爾元件與測量電路已集成化，二者融為一體?；魻柤蓧K有線性集成塊和開關(guān)集成塊兩種。線性集成塊又有內(nèi)部有線性化補償和內(nèi)部無線性化補償兩種。開關(guān)型集成電路

開關(guān)型霍爾集成電路內(nèi)部組成框圖見圖3-149a。線性集成電路

線性霍爾集成電路的組成框圖見圖3-149b?；魻柤呻娐返耐庑我妶D3-149c。使用時磁敏感面應(yīng)正對磁感應(yīng)強度。圖3-149霍爾集成電路框圖及其外形a）開關(guān)型集成電路框圖

b）線性集成電路框圖

c）外形圖02December20243.15.4霍爾傳感器的應(yīng)用及實例圖3-150無觸點照明控制器原理電路無觸點照明控制器

該控制器電路原理見圖3-150。采用永久磁鋼開關(guān)和開關(guān)型集成霍爾傳感器UGN3040L。GTJ3-1A為具有高低壓隔離的光電固體繼電器。02December2024交直流鉗形數(shù)字電流表

儀表原理見圖3-151。在環(huán)形鉗口式磁集束器的空氣隙中放置一塊線性霍爾集成片。磁集束器的作用是將載流導線與磁集束器相互作用產(chǎn)生的磁場集中到霍