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2019年-05磁电式传感器-霍尔传感器-PPT精选文档_图文

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霍尔传感器 Hall Sensor 霍尔式传感器是基于霍尔效应而将被测量转换成电动势输出的 一种传感器。霍尔器件是一种磁敏传感器,利用半导体元件对磁 场敏感的特性来实现磁电转换,它们可以检测磁场及其变化,可 在各种与磁场有关的场合中使用。 霍尔器件具有许多优点,它们的结构牢固,体积小,重量轻, 寿命长,安装方便,功耗小,频率高(可达1 MHz),耐振动,不 怕灰尘、油污、水汽及盐雾等的污染或腐蚀。 按照霍尔器件的功能可将它们分为:霍尔线性器件和霍尔开关 器件,前者输出模拟量,后者输出数字量。 霍尔线性器件的精度高、线性度好;霍尔开关器件无触点、无 磨损、输出波形清晰、无抖动、无回跳、位置重复精度高(可达 可达-55~+150℃。 ? m级)。采用了各种补偿和保护措施的霍尔器件的工作温度范围宽, 霍尔传感器的工作原理 1.霍尔效应 半导体薄片置于磁感应强度为B 的磁场中,磁场方向垂直于薄 片,当有电流I 流过薄片时,在垂直于电流和磁场的方向上将 产生电动势EH,这种现象称为霍尔效应。 B C A 磁感应强度B为零时的情况 D 当有图示方向磁场B作用时 作用在半导体薄片上的磁场强度B越强,霍尔电势也就越高。 霍尔电势UH可用下式表示: UH=KH IB 霍尔效应演示 B C D A 当磁场垂直于薄片时,电子受到洛仑兹力的作用,向内 侧偏移,在半导体薄片A、B方向的端面之间建立起霍尔电 势。 可以推出,霍尔电动势UH的大小为: U kI c o s ? H? HB 式中:kH为灵敏度系数,kH= RH/d,表示在单位磁感应强度和单 位控制电流时的霍尔电动势的大小,与材料的物理特性(霍尔系数) 和几何尺寸d有关; 霍尔系数RH=1/(nq),由材料物理性质所决定,q为电子电荷量 ; ? n为材料中的电子浓度。 为磁场和薄片法线夹角。 结论:霍尔电势与输入电流I、磁感应强度B成正比, 且当B的方向改变时,霍尔电势的方向也随之改变。如 果所施加的磁场为交变磁场,则霍尔电势为同频率的 交变电势。 金属材料中的自由电子浓度 n 很高,因此 RH 很小,不 宜作霍尔元件。霍尔元件多用载流子迁移率大的 N 型 半导体材料制作。另外,霍尔元件越薄(d越小),kH就 越大,所以通常霍尔元件都较薄。薄膜霍尔元件的厚 ?m 度只有1 左右。 2.霍尔元件 霍 尔 片 是 一 块 矩 形 半 导 体 单 晶 薄 片 ( 一 般 为 4 mm×2 mm×0.1 mm),经研磨抛光,然后用蒸发合金法或其 他方法制作欧姆接触电极,最后焊上引线并封装。而薄膜霍尔元 件则是在一片极薄的基片上用蒸发或外延的方法做成霍尔片,然 后再制作欧姆接触电极,焊上引线最后封装。一般控制端引线采 用红色引线,而霍尔输出端引线则采用绿色引线。霍尔元件的壳 体用非导磁金属、陶瓷或环氧树脂封装。 (a) 霍尔元件外形 (b)电路符号 (c) 基本应用电路 3.霍尔元件的主要特性及材料 1) 霍尔元件的主要特性参数 (1) 灵敏度kH:表示元件在单位磁感应强度和单位控制电流下所 得到的开路(RL=∞)霍尔电动势,单位为V/(A· T)。 (2) 霍尔输入电阻Ri:霍尔控制电流电极间的电阻值。 (3) 霍尔输出电阻Ro:霍尔输出电极间的电阻值。 (4) 霍尔电阻的温度系数α :表示在一定的磁感应强度和控 制电流的条件下,环境温度每变化1℃时霍尔元件材料的电 阻变化率,单位为%/℃。 1) 霍尔元件的主要特性参数 (5) 霍尔电动势的温度系数β :表示在一定的磁感应强度和控制 电流的条件下,环境温度每变化1℃时霍尔电势的相对变化率单 位为%/℃。 (6) 额 定 控 制 电 流 Icm : 空 气 中 的 霍 尔 元 件 产 生 允 许 温 升 Δ T=10℃时的控制电流,一般为几毫安到几百毫安。 I w2 ? d ? T /? c m? s (7) 不等位电势U0:外加磁场为0,霍尔元件在额定控制电流下, 两霍尔电极之间的开路电动势。U0越小越好,一般地,U0小于 1mV。 (8)不等位电阻r0: r0=U0/Icm。 3.霍尔元件的主要特性及材料 1) 霍尔元件的主要特性参数 (9) 霍尔最大允许激励电流Imax:以霍尔元件允许最大 温升为限制所对应的激励电流称为最大允许激励电流。 (10) 霍尔寄生直流电势UOD:在外加磁场为零、霍尔元 件用交流激励时,霍尔电极输出除了交流不等位电动势 外,还有一直流电势,称为寄生直流电势。 2) 霍尔元件的材料 锗(Ge)、硅(Si)、锑化铟(InSb)、砷化铟(InAs)和砷化镓 (GaAs)是常见的制作霍尔元件的几种半导体材料。表6-2所列 为制作霍尔元件的几种半导体材料主要参数。 材料(单晶) N型锗(Ge) N型硅(Si) 锑化铟(InSb) 禁带宽度 Eg/(eV) 0.66 1.107 0.17 电阻率 ? /(Ω · cm) 1.0 1.5 0.005 电子迁移率 ? /(cm? /V· s) 3500 1500 60000 霍尔系数 RH/(cm? · C-1) 4250 2250 350 ? ? 1/ 2 4000 1840 4200 砷化铟(InAs) 磷砷铟(InAsP) 0.36 0.63 0.0035 0.08 25000 10500 100 850 1530 3000 哪种材料制作的霍尔元件灵敏度高 4 霍尔元件的误差及补偿 1.霍尔元件的零位误差与补偿 霍尔元件的零位误差是指在无外加磁场或无控制电流的情况下, 霍尔元件产生输出电压并由此而产生的误差。它主要表现为以 下几种具体形式。 1) 不等位电动势 不等位电动势是零位误差中最主要的一种, 它是当霍尔元件在额定控制电流(元件在空气 中温升10℃所对应的电流)作用下,不加外磁 场时,霍尔输出端之间的空载电动势。 不等位电动势产生的原因是由于制造工艺 不可能保证将两



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