霍爾效應傳感器變換原理課件

霍爾效應傳感器變換原理

霍爾傳感器是基于霍爾效應的一種傳感器。1879年美國物理學家霍爾首先在金屬材料中發(fā)現(xiàn)了霍爾效應,但由于金屬材料的霍爾效應太弱而沒有得到應用。隨著半導體技術(shù)的發(fā)展,開始用半導體材料制成霍爾元件,由于它的霍爾效應顯著而得到應用和發(fā)展?；魻杺鞲衅鲝V泛用于電磁測量、壓力、加速度、振動等方面的測量?；魻栃獋鞲衅髯儞Q原理霍爾傳感器是基于霍爾效應1一、霍爾效應及霍爾元件1.霍爾效應置于磁場中的靜止載流導體,當它的電流方向與磁場方向不一致時,載流導體上平行于電流和磁場方向上的兩個面之間產(chǎn)生電動勢,這種現(xiàn)象稱霍爾效應。該電勢稱霍爾電勢。一、霍爾效應及霍爾元件1.霍爾效應2基本原理任何帶電質(zhì)點在磁場中沿著和磁力線垂直的方向運動，都要受到磁場力fm的作用（洛侖磁力），其值大?。?/p>

Fm=eBve——電子電荷;v——電荷運動平均速度;B——磁場的磁感應強度方向—左手定則基本原理任何帶電質(zhì)點在磁場中沿著和磁力線垂直的方向運動31）P型半導體dB+++++++++aib

-------------cP型(空穴)1）P型半導體4

空穴收力F的方向是向上的,此時空穴除了沿電流方向作定向運動外,還在F的作用下向上漂移,結(jié)果使金屬導電板上底面積累空穴,而下底面積累負電荷,從而形成了附加內(nèi)電場EH,稱霍爾電場,該電場強度為

EH=

式中UH為電位差,b為上、下極板距離?；魻栯妶龅某霈F(xiàn),使定向運動的電子除了受洛侖磁力作用外,還受到霍爾電場的作用力,其大小為eEH，此力阻止電荷繼續(xù)積累。隨著上、下底面積累電荷的增加,霍爾電場增加,電子受到的電場力也增加,當電子所受洛侖磁力與霍爾電場作用力大小相等、方向相反時,即空穴收力F的方向是向上的,此時空5（霍爾電場力）eEH=evB（洛侖磁力）則EH=vBEH——霍爾電場強度；v——電荷運動平均速度；B——磁場的磁感應強度（霍爾電場力）eEH=evB（洛侖磁力）63）N型半導體在磁場和電流方向相同的情況下，所產(chǎn)生的霍爾電勢與P型相反。實驗證明，霍爾電勢UH的大小和控制電流i及磁感應強度B成正比。即：

UH=kiBsinα

k—霍爾系數(shù)，取決于溫度、材質(zhì)和尺寸；α為電流和磁場方向的夾角改變i和B或兩者都改變，霍爾電勢發(fā)生變化。3）N型半導體在磁場和電流方向相同的情況下，所產(chǎn)生的霍爾電勢7二、霍爾元件基本結(jié)構(gòu)霍爾元件由霍爾片、引線和殼體組成?；魻柶且粔K矩形半導體單晶薄片，引出四個引線。1、1′兩根引線加激勵電壓或電流，稱為激勵電極；2、2′引線為霍爾輸出引線，稱為霍爾電極。霍爾元件殼體由非導磁金屬、陶瓷或環(huán)氧樹脂封裝而成。在電路中霍爾元件可用兩種符號表示，如圖(b)所示。二、霍爾元件基本結(jié)構(gòu)霍爾元件由霍爾片、引線和殼體組8三、霍爾元件基本特性1）額定激勵電流和最大允許激勵電流當霍爾元件自身溫升10℃時所流過的激勵電流稱為額定激勵電流。以元件允許最大溫升為限制所對應的激勵電流稱為最大允許激勵電流。因霍爾電勢隨激勵電流增加而增加,所以,使用中希望選用盡可能大的激勵電流,因而需要知道元件的最大允許激勵電流,改善霍爾元件的散熱條件,可以使激勵電流增加。2）輸入電阻和輸出電阻激勵電極間的電阻值稱為輸入電阻?；魻栯姌O輸出電勢對外電路來說相當于一個電壓源,其電源內(nèi)阻即為輸出電阻。以上電阻值是在磁感應強度為零且環(huán)境溫度在20℃±5℃時確定的。三、霍爾元件基本特性1）額定激勵電流和最大允許激勵9

3）不等位電勢

當霍爾元件的激勵電流為I時,若元件所處位置磁感應強度為零,則它的霍爾電勢應該為零,但實際不為零。這時測得的空載霍爾電勢稱不等位電勢。產(chǎn)生的原因有:①霍爾電極安裝位置不對稱或不在同一等電位面上;②半導體材料不均勻造成了電阻率不均勻或是幾何尺寸不均勻;③激勵電極接觸不良造成激勵電流不均勻分布。不等位電勢與霍爾電勢具有相同的數(shù)量級,有時甚至超過霍爾電勢,而實用中要消除不等位電勢是極其困難的,因而必須采用在電路中補償?shù)姆椒ā?）不等位電勢104）霍爾電勢溫度系數(shù)

在一定磁感應強度和激勵電流下,溫度每變化1℃時,霍爾電勢變化的百分率稱霍爾電勢溫度系數(shù)。它同時也是霍爾系數(shù)的溫度系數(shù)。必須在電路上對霍爾元件溫度系數(shù)進行補償4）霍爾電勢溫度系數(shù)11四、霍爾傳感器的應用

1.霍爾式微位移傳感器霍爾元件具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小、動態(tài)特性好和壽命長的優(yōu)點,它不僅用于磁感應強度,有功功率及電能參數(shù)的測量,也廣泛應用在位移測量。圖給出了一些霍爾式位移傳感器的工作原理圖。圖（a）是磁場強度相同的兩塊永久磁鐵,同極性相對地放置,霍爾元件處在兩塊磁鐵的中間。由于磁鐵中間的磁感應強度B=0,因此霍爾元件輸出的霍爾電勢UH也等于零,此時位移Δx=0。若霍爾元件在兩磁鐵中產(chǎn)生相對位移,霍爾元件感受到的磁感應強度也隨之改變,這時UH不為零,其量值大小反映出霍爾元件與磁鐵之間相對位置的變化量,這種結(jié)構(gòu)的傳感器,其動態(tài)范圍可達5mm,分辨率為0.001mm。四、霍爾傳感器的應用1.霍爾式微位移傳感器1213

圖（b）所示是一種結(jié)構(gòu)簡單的霍爾位移傳感器,由一塊永久磁鐵組成磁路的傳感器,在Δx=0時,霍爾電壓不等于零。圖（c）是一個由兩個結(jié)構(gòu)相同的磁路組成的霍爾式位移傳感器,為了獲得較好的線性分布,在磁極端面裝有極靴,霍爾元件調(diào)整好初始位置時,可以使霍爾電壓UH=0。

這種傳感器靈敏度很高,但它所能檢測的位移量較小,適合于微位移量及振動的測量。圖（b）所示是一種結(jié)構(gòu)簡單的霍爾位移傳感器,由一塊永久磁142.霍爾式轉(zhuǎn)速傳感器

圖是幾種不同結(jié)構(gòu)的霍爾式轉(zhuǎn)速傳感器。磁性轉(zhuǎn)盤的輸入軸與被測轉(zhuǎn)軸相連,當被測轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動時,磁性轉(zhuǎn)盤隨之轉(zhuǎn)動,固定在磁性轉(zhuǎn)盤附近的霍爾傳感器便可在每一個小磁鐵通過時產(chǎn)生一個相應的脈沖,檢測出單位時間的脈沖數(shù),便可知被測轉(zhuǎn)速。磁性轉(zhuǎn)盤上小磁鐵數(shù)目的多少決定了傳感器測量轉(zhuǎn)速的分辨率。2.霍爾式轉(zhuǎn)速傳感器圖是幾種不同結(jié)構(gòu)的霍爾式15霍爾效應傳感器變換原理課件16霍爾效應傳感器變換原理

霍爾傳感器是基于霍爾效應的一種傳感器。1879年美國物理學家霍爾首先在金屬材料中發(fā)現(xiàn)了霍爾效應,但由于金屬材料的霍爾效應太弱而沒有得到應用。隨著半導體技術(shù)的發(fā)展,開始用半導體材料制成霍爾元件,由于它的霍爾效應顯著而得到應用和發(fā)展?；魻杺鞲衅鲝V泛用于電磁測量、壓力、加速度、振動等方面的測量?；魻栃獋鞲衅髯儞Q原理霍爾傳感器是基于霍爾效應17一、霍爾效應及霍爾元件1.霍爾效應置于磁場中的靜止載流導體,當它的電流方向與磁場方向不一致時,載流導體上平行于電流和磁場方向上的兩個面之間產(chǎn)生電動勢,這種現(xiàn)象稱霍爾效應。該電勢稱霍爾電勢。一、霍爾效應及霍爾元件1.霍爾效應18基本原理任何帶電質(zhì)點在磁場中沿著和磁力線垂直的方向運動，都要受到磁場力fm的作用（洛侖磁力），其值大小：

Fm=eBve——電子電荷;v——電荷運動平均速度;B——磁場的磁感應強度方向—左手定則基本原理任何帶電質(zhì)點在磁場中沿著和磁力線垂直的方向運動191）P型半導體dB+++++++++aib

-------------cP型(空穴)1）P型半導體20

空穴收力F的方向是向上的,此時空穴除了沿電流方向作定向運動外,還在F的作用下向上漂移,結(jié)果使金屬導電板上底面積累空穴,而下底面積累負電荷,從而形成了附加內(nèi)電場EH,稱霍爾電場,該電場強度為

EH=

式中UH為電位差,b為上、下極板距離?；魻栯妶龅某霈F(xiàn),使定向運動的電子除了受洛侖磁力作用外,還受到霍爾電場的作用力,其大小為eEH，此力阻止電荷繼續(xù)積累。隨著上、下底面積累電荷的增加,霍爾電場增加,電子受到的電場力也增加,當電子所受洛侖磁力與霍爾電場作用力大小相等、方向相反時,即空穴收力F的方向是向上的,此時空21（霍爾電場力）eEH=evB（洛侖磁力）則EH=vBEH——霍爾電場強度；v——電荷運動平均速度；B——磁場的磁感應強度（霍爾電場力）eEH=evB（洛侖磁力）223）N型半導體在磁場和電流方向相同的情況下，所產(chǎn)生的霍爾電勢與P型相反。實驗證明，霍爾電勢UH的大小和控制電流i及磁感應強度B成正比。即：

UH=kiBsinα

k—霍爾系數(shù)，取決于溫度、材質(zhì)和尺寸；α為電流和磁場方向的夾角改變i和B或兩者都改變，霍爾電勢發(fā)生變化。3）N型半導體在磁場和電流方向相同的情況下，所產(chǎn)生的霍爾電勢23二、霍爾元件基本結(jié)構(gòu)霍爾元件由霍爾片、引線和殼體組成?；魻柶且粔K矩形半導體單晶薄片，引出四個引線。1、1′兩根引線加激勵電壓或電流，稱為激勵電極；2、2′引線為霍爾輸出引線，稱為霍爾電極?；魻栐んw由非導磁金屬、陶瓷或環(huán)氧樹脂封裝而成。在電路中霍爾元件可用兩種符號表示，如圖(b)所示。二、霍爾元件基本結(jié)構(gòu)霍爾元件由霍爾片、引線和殼體組24三、霍爾元件基本特性1）額定激勵電流和最大允許激勵電流當霍爾元件自身溫升10℃時所流過的激勵電流稱為額定激勵電流。以元件允許最大溫升為限制所對應的激勵電流稱為最大允許激勵電流。因霍爾電勢隨激勵電流增加而增加,所以,使用中希望選用盡可能大的激勵電流,因而需要知道元件的最大允許激勵電流,改善霍爾元件的散熱條件,可以使激勵電流增加。2）輸入電阻和輸出電阻激勵電極間的電阻值稱為輸入電阻?；魻栯姌O輸出電勢對外電路來說相當于一個電壓源,其電源內(nèi)阻即為輸出電阻。以上電阻值是在磁感應強度為零且環(huán)境溫度在20℃±5℃時確定的。三、霍爾元件基本特性1）額定激勵電流和最大允許激勵25

3）不等位電勢

當霍爾元件的激勵電流為I時,若元件所處位置磁感應強度為零,則它的霍爾電勢應該為零,但實際不為零。這時測得的空載霍爾電勢稱不等位電勢。產(chǎn)生的原因有:①霍爾電極安裝位置不對稱或不在同一等電位面上;②半導體材料不均勻造成了電阻率不均勻或是幾何尺寸不均勻;③激勵電極接觸不良造成激勵電流不均勻分布。不等位電勢與霍爾電勢具有相同的數(shù)量級,有時甚至超過霍爾電勢,而實用中要消除不等位電勢是極其困難的,因而必須采用在電路中補償?shù)姆椒ā?）不等位電勢264）霍爾電勢溫度系數(shù)

在一定磁感應強度和激勵電流下,溫度每變化1℃時,霍爾電勢變化的百分率稱霍爾電勢溫度系數(shù)。它同時也是霍爾系數(shù)的溫度系數(shù)。必須在電路上對霍爾元件溫度系數(shù)進行補償4）霍爾電勢溫度系數(shù)27四、霍爾傳感器的應用

1.霍爾式微位移傳感器霍爾元件具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小、動態(tài)特性好和壽命長的優(yōu)點,它不僅用于磁感應強度,有功功率及電能參數(shù)的測量,也廣泛應用在位移測量。圖給出了一些霍爾式