第5章 霍尔传感器与位移检测（课件）- 《传感器与检测技术》同步教学（西安电子科大·2021）

【教学目标】 熟悉霍尔传感器的结构及种类 掌握霍尔传感器的测量原理及应用 了解霍尔传感器的特性与技术参数 学会合理选用霍尔传感器构成检测电路 【教学重点】 霍尔传感器的结构及特性 压电霍尔传感器的工作原理 【教学难点】 霍尔传感器的检测机理 霍尔传感器的典型应用 第五章 霍尔传感器与位移检测 【教学内容】 霍尔传感器的工作原理 霍尔效应 霍尔元件的基本原理 霍尔元件的基本结构及特性参数 霍尔元件的基本误差及其补偿检测技术理论基础 第五章 霍尔传感器与位移检测 【教学内容】 集成霍尔传感器 开关型集成霍尔传感器 线性型集成霍尔传感器 第五章 霍尔传感器与位移检测 【教学内容】 霍尔传感器的应用 霍尔式位移传感器 霍尔式电流传感器 霍尔式压力传感器 霍尔式转速传感器 霍尔式功率传感器 第五章 霍尔传感器与位移检测 5 5.1 霍尔传感器的工作原理 1. 霍尔效应 2. 霍尔元件的基本原理 3. 霍尔元件的基本结构及特性参数 4. 霍尔元件的基本误差及其补偿 霍尔传感器是基于霍尔效应的一种传感器。 1879年美国物理学家霍尔首先在金属材料中发现了霍尔效应，但由于金属材料的霍尔效应太弱而没有得到应用。 随着半导体技术的发展，开始用半导体材料制成霍尔元件，由于它的霍尔效应显著而得到应用和发展 霍尔传感器广泛用于电磁测量、压力、加速度、振动等方面的测量。 1 霍尔效应 在半导体薄片中通以电流I,在与薄片垂直方向加磁场B，则在半导体薄片的另外两端，产生一个垂直于电流和磁场的方向的电动势，这种现象称为霍尔效应。该电势称为霍尔电势，该薄片称为霍尔元件。 1 霍尔效应 霍尔效应演示： 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c、d方向的端面之间建立起霍尔电势。 c d a b 2 霍尔元件的基本原理 霍尔电势： 在磁感应强度Ｂ作用下，半导体中电子受到的洛仑兹力ＦL的作用： 洛仑兹力FL使电子向垂直于B和自由电子运动方向偏移，使半导体一端面产生负电荷积聚，另一端面则为正电荷积聚。 由于电荷积聚，产生静电场，称为霍尔电场。该静电场对电子的作用力FE与洛仑兹力FL的方向相反，将阻止电子继续偏转，其大小为 ： 2 霍尔元件的基本原理 电场力阻止电子继续向原侧面积累，当FL=FE时，电荷的积累达到动态平衡，由于存在EH，半导体片两侧面间出现电位差UH ，称为霍尔电势，由FL=FE可得： 设载流子浓度为n，单位时间内,体积为v*b*d里的载流子全部通过横截面,则电流强度与载流子平均速度的关系为: 代入上式可得： n-载流子浓度， d-霍尔片的厚度， e-电子电量； 2 霍尔元件的基本原理 磁场不垂直于霍尔元件时的霍尔电动势： 若磁感应强度B不垂直于霍尔元件，而是与其成某一角度 时，实际上作用于霍尔元件上的有效磁感应强度是其法线方向（与薄片垂直的方向）的分量，即Bsin，这时的霍尔电势为： UH=KHIBsin 令： 上式可写为： KH ——霍尔传感器的灵敏度，与材料的物理性质和几何尺寸有关，决定霍尔电势的强弱。 2 霍尔元件的基本原理 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。 要提高霍尔传感器灵敏度，需减小d和n。 材料的厚度 d 愈小，则 KH 就愈大、灵敏度愈高，霍尔元件薄膜化是提高灵敏度的一个途径； 纯金属中自由电子浓度过高，霍尔效应微弱，无实用价值； 半导体是霍尔元件的常用材料。 3 霍尔元件的基本结构和特性参数 霍尔元件基本结构： 霍尔元件的结构非常简单，由霍尔片、引线和外壳组成。 将半导体材料做成矩形霍尔薄片，四个侧面各有一个电极，分别焊接上两对导线； 在长边的两个端面为控制电流端引线（激励电极）； 在短边上为两根霍尔输出端引线（霍尔电极），输出霍尔电势； 一般用非磁性金属、陶瓷或环氧树脂封装。 3 霍尔元件的基本结构和特性参数 红色导线 H A B C D A B C D B A C D 红色导线 绿色导线 绿色导线 C、D：霍尔电极端，霍尔端或输出端。 A、B：激励电极端，元件电流端、控制电流端或输入电流端。 霍尔元件符号： 霍尔元件在电路中常用图示的三种符号之一表示： 一般为4mm×2mm×0.1mm。 3 霍尔元件的基本结构和特性参数 灵敏度低、温度特性及线性度好 灵敏度最高、受温度影响大 输入1 输入2 输出1 输出2 磁性顶端 引线 衬底 霍尔元件 溅射工艺制作的 锑化铟霍尔元件 材料：锗 、硅、砷化镓、砷化铟、锑化铟 常用的霍尔元件材料及结构特点： 3 霍尔元件的基本结构和特性参数