項(xiàng)目4霍爾傳感器課件

霍爾傳感器 霍爾傳感器是基于霍爾效應(yīng)的一種傳感器。1879年美國(guó)物理學(xué)家霍爾首先在金屬材料中發(fā)現(xiàn)了霍爾效應(yīng)，但由于金屬材料的霍爾效應(yīng)太弱而沒(méi)有得到應(yīng)用。 由于霍爾傳感器具有體積小、、靈敏度高、性能可靠、頻率響應(yīng)寬、動(dòng)態(tài)范圍大的特點(diǎn)，并可采用集成電路工藝，因此被廣泛用于電磁測(cè)量、壓力、加速度、振動(dòng)等方面的測(cè)量。

1.霍爾效應(yīng) 金屬或半導(dǎo)體薄片置于磁場(chǎng)中，當(dāng)有電流流過(guò)時(shí)，在垂直于電流和磁場(chǎng)的方向上將產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)，這種物理現(xiàn)象稱(chēng)為霍爾效應(yīng)。該電動(dòng)勢(shì)稱(chēng)霍爾電勢(shì)，半導(dǎo)體薄片稱(chēng)霍爾元件?；魻栃?yīng)實(shí)驗(yàn)山東農(nóng)業(yè)大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心實(shí)驗(yàn)裝置霍爾效應(yīng)測(cè)試儀霍爾效應(yīng)實(shí)驗(yàn)儀

由電磁鐵（2500GS/A）、霍爾樣品及調(diào)節(jié)架、雙刀雙擲開(kāi)關(guān)構(gòu)成。

霍爾樣品及調(diào)節(jié)架

調(diào)節(jié)架上的水平和垂直刻度

霍爾效應(yīng)測(cè)試儀

上式中比例系數(shù)R稱(chēng)為霍爾系數(shù)，對(duì)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(lái)表示，有K稱(chēng)為霍爾元件的靈敏度，它是一個(gè)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(shí)霍爾電壓的大小。如果霍爾元件的靈敏度K知道（一般由實(shí)驗(yàn)室給出），測(cè)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?；魻栃?yīng)的解釋+++++++

+-------LxBbYd現(xiàn)研究一個(gè)長(zhǎng)度為L(zhǎng)、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(duì)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(dòng)，在磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的磁場(chǎng)中，電子將受到洛侖茲力的作用，其大小為ezv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(chǎng)它會(huì)對(duì)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，即它是阻止電荷繼續(xù)堆積。+++++++

+-------LxBbYZdeV將代入可得可改寫(xiě)為就是霍爾系數(shù)

2.霍爾元件結(jié)構(gòu)及測(cè)量電路

1)霍爾元件結(jié)構(gòu) 霍爾元件的結(jié)構(gòu)很簡(jiǎn)單，如圖中所示，霍爾元件是由具有霍爾效應(yīng)的半導(dǎo)體薄片、電極引線及殼體組成。

霍爾片是一塊矩形半導(dǎo)體單晶薄片，在兩個(gè)相互垂直方向側(cè)面上，分別引出一對(duì)電極，共四個(gè)電極。其中a、b電極用于控制電流，稱(chēng)控制電極，c、d電極用于引出霍爾電勢(shì)，稱(chēng)為霍爾電勢(shì)輸出極。在霍爾基片外面用非導(dǎo)磁金屬、陶瓷或環(huán)氧樹(shù)脂封裝作為外殼。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(gè)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）

霍爾元件材料：

2)測(cè)量電路

圖中控制電流I由電源UE供給，可以是直流電源或交流電源，調(diào)節(jié)電阻RW是用來(lái)調(diào)節(jié)控制電流I的大?。籖L是霍爾輸出電壓UH的負(fù)載電阻，通常是放大電路的輸入電阻或表頭內(nèi)阻?；魻栯妷篣H一般為毫伏數(shù)量級(jí)，因而實(shí)際應(yīng)用時(shí)要后接差動(dòng)放大器。

3.誤差及其補(bǔ)償

在實(shí)際使用中，存在著各種影響霍爾元件精度的因素，即在霍爾電動(dòng)勢(shì)中疊加著各種誤差電勢(shì)，這些誤差電勢(shì)產(chǎn)生的主要原因有兩類(lèi)：一類(lèi)是由于制造工藝的缺陷；另一類(lèi)是由于半導(dǎo)體本身固有的特性。不等位電勢(shì)和溫度是影響霍爾元件主要誤差的兩個(gè)因素?；魻栐坏任浑妱?shì)原理圖

不等位電勢(shì)補(bǔ)償電路,圖(a)是在電阻值較大的橋臂上并聯(lián)電阻，圖(b)是在兩相鄰橋臂上并聯(lián)電阻，以增加電極等效電橋的對(duì)稱(chēng)性。

霍爾元件是采用半導(dǎo)體材料制成的，因此它們的許多參數(shù)都具有較大的溫度系數(shù)。當(dāng)溫度變化時(shí)，霍爾元件的載流子濃度、遷移率、電阻率及霍爾系數(shù)都將發(fā)生化，從而使霍爾元件產(chǎn)生溫度誤差。

2)溫度誤差及其補(bǔ)償溫度補(bǔ)償電路電流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(gè)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(shí)，rT會(huì)自動(dòng)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：橋路補(bǔ)償法的溫度補(bǔ)償電路3）寄生直流電壓在無(wú)磁場(chǎng)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(chēng)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(gè)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。2)輸出極焊點(diǎn)熱容量不相等產(chǎn)生溫差電動(dòng)勢(shì)。制做和封裝霍爾元件時(shí)，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。

4、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(cè)量線路集成在一起的一種傳感器。它取消了傳感器和測(cè)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(lái)越愛(ài)到眾的重視。集成霍爾傳感器的輸出是經(jīng)過(guò)處理的霍爾輸出信號(hào)。按照輸出信號(hào)的形式，可以分為開(kāi)關(guān)型集成霍爾傳感器和線性集成霍爾傳感器兩種類(lèi)型。(1)開(kāi)關(guān)型集成霍爾傳感器

開(kāi)關(guān)型集成霍爾傳感器是把霍爾元件的輸出經(jīng)過(guò)處理后輸出一個(gè)高電平或低電平的數(shù)字信號(hào)。其典型電路見(jiàn)圖。

集成霍爾傳感器的輸出電平與磁場(chǎng)B之間的關(guān)系見(jiàn)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(kāi)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(kāi)關(guān)電路的抗干擾能力，保證開(kāi)關(guān)動(dòng)作穩(wěn)定，不產(chǎn)生振蕩現(xiàn)象。(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(hào)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(jiàn)圖。圖中，霍爾元件的輸出經(jīng)由V1、V2、R1至R5組成的第一級(jí)差分放大器放大，放大后的信號(hào)再由V3、V6、R6、R7組成的第二級(jí)差分放大器放大。第二級(jí)放大采用達(dá)林頓對(duì)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(shí)，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。

4.霍爾式傳感器的應(yīng)用

I保持恒定，UH∝B

可測(cè)量位移、角度、轉(zhuǎn)速及加速度等。

B保持恒定，UH∝IUH∝B、I（乘法器）可測(cè)量P(=U×I)等。

1)位移傳感器

2)霍爾式汽車(chē)點(diǎn)火器

霍爾汽車(chē)點(diǎn)火器結(jié)構(gòu)示意圖

3)轉(zhuǎn)速計(jì)霍爾式壓力傳感器結(jié)鉤原理圖及磁鋼外形

4)壓力傳感器１、屬于四端元件的

。A.應(yīng)變片B.壓電晶片C.霍爾元件D.熱敏電阻2、霍爾元件采用恒流源激勵(lì)是為了

。A.提高靈敏度B.克服溫漂C.減小不等位電勢(shì)3、減小霍爾元件的輸出不等位電勢(shì)的