華科檢測技術(shù)-霍爾傳感器

霍爾式傳感器是利用霍爾效應(yīng)把被測信號轉(zhuǎn)換成電勢變化信號的傳感器。第4章霍爾傳感器1編輯版pppt背景知識1霍爾效應(yīng)的工作原理23霍爾元件的主要技術(shù)指標4霍爾元件的溫度特性及補償主要內(nèi)容5霍爾傳感器及應(yīng)用2編輯版pppt背景知識1霍爾效應(yīng)的工作原理23霍爾元件的主要技術(shù)指標4霍爾元件的溫度特性及補償主要內(nèi)容5霍爾傳感器及應(yīng)用3編輯版pppt霍爾效應(yīng)1879年由JohnsHopkins大學(xué)的研究生EdwinHall發(fā)現(xiàn),其導(dǎo)師是HenryA.Rowland教授.是在探索“電”與“磁”的相互影響的過程中偶然發(fā)現(xiàn)的。只觀察到現(xiàn)象，而不能解釋該現(xiàn)象?！罢摯盆F對電流的新作用”發(fā)表在《美國數(shù)學(xué)雜志》上。這種“新作用”就是后來被人們稱作的“霍耳效應(yīng)”。EdwinHall(1855-1938)HenryAugustusRowland(1848-1901)背景知識14編輯版pppt1978年KlausvonKlitzing在極低溫度和強磁場（凝聚態(tài)）中的半導(dǎo)體中研究霍爾效應(yīng)，意外發(fā)現(xiàn)霍爾常數(shù)的躍變。直到1980年,KlausvonKlitzing才注意到霍爾平臺的量子化單位。1985年,KlausvonKlitzing因?qū)α孔踊魻栃?yīng)的突出貢獻獲諾貝爾物理獎.KlausvonKlitzing(1943--)背景知識15編輯版pppt1982年,受到KlausvonKlitzing研究成果的影響，崔琦(Princeton),H.L.Stormer(Columbia)與RobertLaughlin(Stanford)在更低溫度和更強磁場下驗證霍爾效應(yīng)，意外的發(fā)現(xiàn)了新的霍爾平臺。1983年,R.B.Laughlin寫下了一個波函數(shù),對這種現(xiàn)象給出了很好的解釋。1998年，諾貝爾物理獎授予HorstStormer,崔琦和RobertLaughlin,以表彰他們發(fā)現(xiàn)分數(shù)量子霍爾效應(yīng)及對這一新效應(yīng)的深刻理解.崔琦(1939--)Stormer(1949--)Laughlin(1950--)背景知識16編輯版pppt科學(xué)研究工作有繼承性、偶然性。以史為鑒，繼往開來持之以恒，變偶然為必然背景知識17編輯版pppt背景知識1霍爾效應(yīng)的工作原理23霍爾元件的主要技術(shù)指標4霍爾元件的溫度特性及補償主要內(nèi)容5霍爾傳感器及應(yīng)用8編輯版pppt①霍爾效應(yīng)霍爾效應(yīng)：把一個導(dǎo)體（半導(dǎo)體薄片）兩端通以控制電流I，在薄片垂直方向施加磁感應(yīng)強度B的磁場，在薄片的另外兩側(cè)會產(chǎn)生一個與控制電流I和磁場強度B的乘積成比例的電動勢?；魻栃?yīng)的工作原理21820年，安培（法國化學(xué)家、物理學(xué)家、數(shù)學(xué)家）發(fā)現(xiàn)了安培力，總結(jié)為左手定則。9編輯版pppt習(xí)題：

由N型半導(dǎo)體材料和P型半導(dǎo)體材料制成的霍爾元件各一塊，若激勵電流和施加磁場完全相同，則兩個霍爾電勢的方向：

A.相同B.相反C.不確定10編輯版pppt問題2什么材料最適合制作霍爾元件？問題3如何提高霍爾元件的靈敏度？與霍爾效應(yīng)相關(guān)的幾個問題：問題1為什么第一個霍爾元件的出現(xiàn)經(jīng)歷了近百年的時間？11編輯版pppt自由電子在磁場的作用下做定向運動，受洛侖茲力作用：霍爾電場作用于電子的力霍爾電場②霍爾電勢霍爾效應(yīng)的工作原理212編輯版pppt

當(dāng)兩作用力相等時電荷不再向兩邊積累，達到動態(tài)平衡：霍爾電勢：通過（半）導(dǎo)體薄片的電流I與載流子濃度n，電子運動速度v，薄片橫截面積b*d

有關(guān)：霍爾電勢與電子運動速度ν、霍爾片寬度b、磁感應(yīng)強度B呈正比關(guān)系？13編輯版pppt代入后：霍爾常數(shù)與材料有關(guān)（量子霍爾效應(yīng)）霍爾靈敏度與薄片尺寸有關(guān)材料中電子在電場作用下，運動速度的大小常用載流子遷移率μ來表示，指在單位電場強度作用下，載流子的平均速度值。ρ為材料電阻率?；魻栯妱菖c激勵電流I、磁感應(yīng)強度B呈正比關(guān)系，與霍爾片厚度d、呈反比關(guān)系，還與材料特性有關(guān)。14編輯版pppt載流體的電阻率與霍爾系數(shù)和載流子遷移率之間的關(guān)系為可以看出1）霍爾電壓UH與材料的性質(zhì)有關(guān)。材料的ρ、μ大，RH就大2）霍爾電壓UH與元件的尺寸有關(guān)。d愈小，KH愈大，霍爾靈敏度愈高，所以霍爾元件的厚度都比較薄。3）霍爾電壓UH與控制電流及磁場強度有關(guān)，UH正比于I及B，當(dāng)控制電流恒定時，B愈大，UH愈大，當(dāng)磁場方向改變時，UH也改變方向。同樣，當(dāng)霍爾靈敏度RH及磁感應(yīng)強度恒定時，增加控制電流I，也可以提高霍爾電壓的輸出。15編輯版pppt問題1幾個問題的回答：為什么第一個霍爾元件的出現(xiàn)經(jīng)歷了近百年的時間？問題2什么材料最適合制作霍爾元件？問題3如何提高霍爾元件的靈敏度？理論的突破（微電子理論）、材料的發(fā)展（從導(dǎo)體到半導(dǎo)體）絕緣材料電阻率很大，但電子遷移率很小，不適用；金屬材料電子濃度很高，故RH很小，UH很小。半導(dǎo)體電子遷移率一般大于空穴的遷移率，所以霍爾元件多采用N型半導(dǎo)體（多電子）。增大霍爾常數(shù)RH，選用高性能材料；減小厚度d，霍爾靈敏度KH越大，所以霍爾元件做的較薄，通常近似1微米。16編輯版pppt背景知識1霍爾效應(yīng)的工作原理23霍爾元件的主要技術(shù)指標4霍爾元件的溫度特性及補償主要內(nèi)容5霍爾傳感器及應(yīng)用17編輯版pppt3霍爾元件的主要技術(shù)指標①霍爾元件的結(jié)構(gòu)和符號霍爾元件是利用霍爾效應(yīng)（常溫常態(tài)）制作的元器件。問題4怎樣才能制作一個理想的霍爾元件？18編輯版pppt霍爾元件示意圖三極直插式三極直插式四極直插式三極貼片式19編輯版pppt②霍爾元件的材料3霍爾元件的主要技術(shù)指標問題4怎樣才能制作一個理想的霍爾元件？首先，需要性能優(yōu)越的材料。禁帶寬度（eV）遷移率（cm2V-1S-1）300K0K電子空穴InSb0.170.23800001250InAs0.340.4233000460GaAs1.421.528500400Si1.121.171500450Ge0.660.743900190020編輯版pppt③霍爾元件的性能指標3霍爾元件的主要技術(shù)指標問題4怎樣才能制作一個理想的霍爾元件？其次，需要良好的線性度和穩(wěn)定性。額定激勵電流IH:使霍爾元件溫升10℃所施加的控制電流值稱為額定激勵電流。通常用IH表示。

熱阻RQ:它表示在霍爾電極開路情況下，在霍爾元件上輸入lmW的電功率時產(chǎn)生的溫升，單位為C／mW。所以稱它為熱阻是因為這個溫升的大小在一定條件下與電阻有關(guān)。輸入電阻Ri

:它是指控制電流極間的電阻值。它規(guī)定要在室溫(20±5℃)的環(huán)境溫度中測取。輸出電阻Rs:它是指霍爾電極間的電阻值。規(guī)定中要求在(20±5℃)的條件下測取。21編輯版pppt霍爾元件的主要技術(shù)指標:不等位電勢

當(dāng)霍爾元件通以控制電流IH而不加外磁場時，它的霍爾輸出端之間仍有空載電勢存在，該電勢就稱為不等位電勢(或零位電勢)。寄生直流電勢當(dāng)不加外磁場，控制電流改用額定交流電流時，霍爾電極間的空載電勢為直流與交流電勢之和。其中的交流霍爾電勢與前述零位電勢相對應(yīng)，而直流霍爾電勢是個寄生量，稱為寄生直流電勢V。問題5不等位電勢與寄生直流電勢的本質(zhì)區(qū)別是什么？22編輯版pppt不等位電勢U0產(chǎn)生的原因：

（1）制造工藝不可能保證將兩個霍爾電極對稱地焊在霍爾片的兩側(cè)，致使兩電極點不能完全位于同一等位面上（2）霍爾片電阻率不均勻或厚薄不均勻或控制電流極接觸不良都將使等位面歪斜，致使兩霍爾電極不在同一等位面上而產(chǎn)生不等位電動勢?；魻栆鲭姌O安裝不對稱半導(dǎo)體材料不均勻問題5不等位電勢與寄生直流電勢的本質(zhì)區(qū)別是什么？23編輯版pppt寄生直流電勢：當(dāng)控制磁場為零，激勵電流用額定交流電流時，霍爾電極間的空載電勢為直流電勢與交流電勢之和。在此情況下，直流電勢稱為寄生直流電勢；交流電勢稱為交流不等位電勢。寄生直流電勢產(chǎn)生的原因是電極與基片間存在非歐姆接觸（接觸不良），以及兩個霍爾電極焊點大小不同而導(dǎo)致的直流溫差電勢。電極與基片之間的接觸電勢電極之間的溫差電勢24編輯版pppt產(chǎn)生原因不同

不等位電勢－－電極安裝不對稱、半導(dǎo)體材料不均勻寄生直流電勢－－接觸電勢、溫差電勢表現(xiàn)形式不同不等位電勢－－與激勵電流相關(guān)寄生直流電勢－－與激勵電流不相關(guān)補償方法不同不等位電勢－－補償較為容易寄生直流電勢－－難于完全補償問題5不等位電勢與寄生直流電勢的本質(zhì)區(qū)別是什么？問題5的回答問題6如何有效補償這兩種電勢？25編輯版pppt不等位電勢的補償霍爾元件可以等效為一個四臂電阻電橋，不等位電勢就相當(dāng)于電橋的初始不平衡輸出電壓。理想的霍爾元件：R1＝R2；R3＝R426編輯版pppt不等位電勢補償?shù)谋举|(zhì)：R’1＝R’2；R’3＝R’427編輯版pppt問題6如何有效補償這兩種電勢？寄生直流電勢的補償：減去固定值。28編輯版pppt背景知識1霍爾效應(yīng)的工作原理23霍爾元件的主要技術(shù)指標4霍爾元件的溫度特性及補償主要內(nèi)容5霍爾傳感器及應(yīng)用29編輯版pppt4霍爾元件的溫度特性及補償

一般半導(dǎo)體材料的電阻率、遷移率和載流子濃度等都隨溫度而變化?；魻栐砂雽?dǎo)體材料制成，因此它的參數(shù)如輸入和輸出電阻、霍爾常數(shù)等也隨溫度而變化，致使霍爾電動勢變化，產(chǎn)生溫度誤差。①溫度誤差產(chǎn)生機理30編輯版pppt選用溫度系數(shù)小的霍爾元件（RH?。┎捎眠m當(dāng)?shù)难a償電路采用恒流源供電（消除Ri的影響）采用恒流源供電，合理選取負載電阻RL的阻值（補償RH與Ro影響）采用恒壓源和輸入回路串聯(lián)電阻（開路工作，與Ro無關(guān)，補償RH、Ri）采用溫度補償元件（全面補償）4霍爾元件的溫度特性及補償②如何減小溫度誤差31編輯版pppt溫度對霍爾元件的參數(shù)影響：ΔT：溫度變化量；α：霍爾電勢的溫度系數(shù)；β：霍爾元件輸入輸出電阻的溫度系數(shù)。4霍爾元件的溫度特性及補償③恒流源激勵時的補償32編輯版pppt溫度為To時為使負載上的電壓不隨溫度而變化，應(yīng)使即得溫度為To＋ΔT時RL應(yīng)該具有良好的溫度穩(wěn)定性。33編輯版pppt溫度對霍爾元件的參數(shù)影響：ΔT：溫度變化量；α：霍爾電勢的溫度系數(shù)；β：霍爾元件輸入輸出電阻的溫度系數(shù)。4霍爾元件的溫度特性及補償③恒壓源激勵時的補償34編輯版pppt溫度為To時為使霍爾電勢不隨溫度而變化，應(yīng)使即得溫度為To＋ΔT時R應(yīng)該具有良好的溫度穩(wěn)定性。35編輯版pppt習(xí)題：某霍爾片的霍爾溫度系數(shù)α＝0.0005（1/℃），霍爾電阻溫度系數(shù)β＝0.004（1/℃），輸出電阻120Ω，輸入電阻100Ω，額定電流20mA，請采用合適的方法進行溫度補償，并畫出電路圖。36編輯版pppt背景知識1霍爾效應(yīng)的工作原理23霍爾元件的主要技術(shù)指標4霍爾元件的溫度特性及補償主要內(nèi)容5霍爾傳感器及應(yīng)用37編輯版pppt乘法作用：指當(dāng)霍爾傳感器的KH恒定時，霍爾電壓與控制電流及外加磁場磁感應(yīng)強度的乘積成正比?？捎糜诔朔?、功率等方面的計算與測量。5霍爾傳感器及應(yīng)用霍爾傳感器是利用霍爾元件制成的測量裝置。傳遞電阻基準（量子霍爾效應(yīng)）電流比例性：磁場強度恒定時，霍爾電壓和控制電流之間的關(guān)系。磁場比例性:指控制電流恒定時，霍爾電壓和磁場之間的關(guān)系?？梢詼y量磁場、位移等。38編輯版pppt霍爾傳感器用于測量磁場強度

霍爾元件測量鐵心氣隙的B值①霍爾傳感器用以測量磁場39編輯版pppt霍爾特斯拉計（高斯計）

40編輯版pppt②霍爾傳感器用以測量電流II線性霍爾IC開環(huán)型閉環(huán)型41編輯版pppt點陣式空芯霍爾電流傳感器42編輯版pppt③霍爾傳感器用以測量位移43編輯版pppt④霍爾傳感器用以測量壓力壓力產(chǎn)生形變，形變轉(zhuǎn)換成位移。44編輯版pp