3.4 霍尔式传感器（课件）-高一《传感器及应用》同步精品课堂（高教版—第2版）

3.4 霍尔式传感器 传感器及应用 第一章 常用低压电器 1 学习目标 知识目标 熟悉和掌握霍尔式传感器的基本原理和结构。 能力目标 理解和运用尔元件的基本参数与温度误差的补偿、集成霍尔元件等内容进行掌握。 情感目标 注重基本概念、基本原理、基本方法的阐述，并考虑中等职业教育的特点，避免了理论推导，增强了实际应用等方面的知识。 新课导入 思考：分小组总结霍尔元件的工作原理及结构。 新知学习 一 、霍尔元件的工作原理及结构 早在1879年，人们就在金属中发现了霍尔效应，但由于这种效应在金属中非常微弱，当 时并没有引起重视。直到1948年，由于半导体提纯工艺的不断改进，发现霍尔效应在高纯度 半导体中表现较为显著,由此人们对霍尔效应的机理、材料、制造工艺和应用等方面的研究空 前地活跃起来。现在霍尔元件已广泛应用于非电量检测、自动控制、电磁测量、计算装置以及 现代军事技术等各个领域中。 新知学习 一 、霍尔元件的工作原理及结构 如图所示， 一块长 l、宽 b 、厚 d 的半导体，在外加磁场B 作用下，当有电流 I 流过时，运动电子受洛仑兹力的作用而偏向一侧(图中“ - ” 侧),使该侧形成电子的积累，与它对立的侧面由于减少了电子浓度，出现了正电荷。这样，在两侧面间就形成了一个电场。运动电子在受洛仑兹力的同时，又受电场力的作用最后当这两作用力相等时，电子的积累达到动态平衡，这时两侧之间建立电场，称霍尔电场 E₁,相应的电压称霍尔电压 Un, 上述这种现象称霍尔效应。 1. 霍尔效应 新知学习 一 、霍尔元件的工作原理及结构 经分析推导，霍尔电压U为 式中 n—— 半导体单位体积中的载流子数； e——电子电量； K₄—— 霍尔元件灵敏度， K₁=1/(ned)。 1. 霍尔效应 新知学习 一 、霍尔元件的工作原理及结构 根据霍尔效应原理做成的器件叫做霍尔元件。霍尔元件一般采用具有 N 型的锗、锑化铟 和砷化铟等半导体单晶材料制成。锑化铟元件的输出较大，但受温度的影响也较大。 锗元件的 输出虽小，但它的温度性能和线性度却比较好。砷化铟元件的输出信号没有锑化铟元件大，但 是受温度的影响却比锑化铟的要小，而且线性度也较好。因此，采用砷化铟为霍尔元件的材料 得到普遍应用。 2.材料及结构特点 新知学习 一 、霍尔元件的工作原理及结构 霍尔元件结构很简单，是一种半导体四端薄片，它由霍尔片、引线和壳体组成。霍尔片的 相对两侧对称地焊上两对电极引出线，如图a所示。其中一对(即a、b 端)称为激励电 流端，另外一对(即 c、d 端)称为霍尔电势输出端，引线焊接处要求接触电阻小，而且呈现 纯电阻性质(欧姆接触)。霍尔片一般用非磁性金属、陶瓷或环氧树脂封装。 2.材料及结构特点 新知学习 一 、霍尔元件的工作原理及结构 霍尔元件的基本电路如图所示。控制电流由电源E供给 ，Rp 为调节电阻，调节控制 电流的大小。霍尔输出端接负载R,R, 可以是一般电阻，也可以是放大器的输入电阻或指示 器内阻。在磁场与控制电流的作用下，负载上就有电压输出。在实际使用时， I 或 B 或两者同 时作为信号输入，而输出信号则正比于I 或 B 或两者乘积。 3.基本电路 新知学习 1. 基数参数 二、 霍尔元件的基本参数与温度误差的补偿 01 02 03 (1)输入电阻 R, 霍尔元件两激励电流端的直流电阻称为输入电阻 它的数值从几欧到 几百欧，视不同型号的元件而定。温度升高，输入电阻变小，从而使输入电流变大，最终引起 霍尔电势变化。为了减少这种影响，最好采用恒流源作为激励源。 (2)输出电阻 R 两个霍尔电势输出端之间的电阻称为输出电阻。它的数值与输入电阻 属同一数量级，并也随温度改变而改变。选择适当的负载电阻R, 与之匹配，可以使由温度引 起的霍尔电势的漂移减至最小。 (3)最大激励电流 I 由于霍尔电势随激励电流增大而增大，故在应用中总希望选用较 大的激励电流。 新知学习 1. 基数参数 二、 霍尔元件的基本参数与温度误差的补偿 01 02 03 04 (4)灵敏度 K₁ Kʙ =U/(IB), 它的数值约为10 mV/(mA·T)。 (5)最大磁感应强度B 磁感应强度为B。时，霍尔电势的非线性误差将明显增大，B。 的数值一般为零点几特斯拉。 (6)不等位电势 在额定激励电流下，当外加磁场为零时，霍尔元件输出端之间的开路 电压称为不等位电势，它是由于四个电极的几何尺寸不对称引起的，使用时多采用电桥法来补 偿不等位电势引起的误差。 (7)霍尔电势温度系数 在一定磁场强度和激励电流的作用下，温度每变化1℃霍尔电 势变化的百分数称为霍尔电势温度系数，它与霍尔元件的材料有关。 新知学习 2. 温度误差及其补偿 二、 霍尔元件的基本参数与温