模块九 霍尔传感器（课件）- 《传感器与检测技术》同步教学（西南交大版）

模块九 霍尔传感器 本章主要学习霍尔传感器 的工作原理、霍尔集成电路的特性及其在检测技术中的应用，还涉及磁场测量技术。 霍尔元件是一种四端元件 1/4/2024 1 霍尔元件具有许多优点， 它们的结构牢固，体积小，重 量轻，寿命长，安装方便，功 耗小，频率高，耐震动，不怕 灰尘、油污、水汽及烟雾等的 污染或腐蚀。 霍尔传感器是一种基于 霍尔效应的磁传感器。 用它们可以检测磁场及其 变化，可在各种与磁场有 关的场合中使用。 1/4/2024 2 单元一 霍尔元件的工作原理及特性 磁感应强度B较大时 c d a b c d a b 磁感应强度B为零时 1/4/2024 3 作用在半导体薄片上的磁场强度B越强，霍尔电 势也就越高。霍尔电势EH可用下式表示：EH=KH IB KH—霍尔灵敏度 KH==RH/δ （霍尔系数RH=μ*ρ即霍尔材料的电阻率ρ与电子迁移率μ的乘积， δ为霍尔片的厚度） 半导体薄片置于磁感应强度为B 的磁场中，磁场方向垂直于薄片，当有电流I 流过薄片时，在垂直于电流和磁场的方向上将产生电动势EH，这种现象称为霍尔效应。 1/4/2024 4 霍尔效应演示 当磁场垂直于半导体薄片时，电子受到洛仑兹力FL的作用，向内侧偏 移，电子同时受到该电场力FE的作用，两种力的方向恰好相反，电子积累越 多，FE越大，而FL不变，当| FL| =| FE|时，电子积累达到动态平衡，在半 导体薄片c、d方向的端面之间建立起霍尔电动势。 c d a b 1/4/2024 5 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，而是与其法线成某一角度 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Bcos，这时的霍尔电势为 EH=KHIBcos 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。 1/4/2024 6 霍尔元件材料 金属导体与绝缘体霍尔效应非常微弱，不易做成霍尔元件。半导体材料N型比P型灵敏度高，目前霍尔元件常用材料是N型硅。锑化铟（InSb）、砷化铟（InAs）、锗（Ge）也是常用的霍尔元件材料。砷化镓（GaAs）是新型的霍尔元件材料。 因此霍尔传感器是比较典型的半导体传感器，通常用于非接触式测量。 1/4/2024 7 霍尔元件的主要特性参数 最大磁感应强度BM 右图所示霍尔元件的线性范围是负的多少高斯至正的多少高斯？ 1/4/2024 8 最大激励电流IM 激励电流增大，霍尔元件的功耗增大，元件的温度升高，从而引起霍尔电势的温漂增大，因此每种型号的元件均规定了相应的最大激励电流(以霍尔元件允许最大温升为限制所对应的激励电流 )，它的数值从几毫安至几十毫安。 一般的GaAs霍尔元件对激励电流有限制，不大于10mA，典型为1mA 。 1/4/2024 9 1/4/2024 10 1/4/2024 11 不等位电动势 在额定激励电流下，外加磁场为零时霍尔元件输出 端的开路电压称为不等位电动势。一般是由四个电 极焊接不对称、厚薄不均匀等几何因素引起的，多 用电桥法利用电位器调零。 霍尔输入电阻 霍尔激励电极间的电阻值称为输入电阻。环境温度 变化，引起输入电阻变化，霍尔元件的激励电流变化， 最终引起霍尔电动势产生误差，为减少这种温漂现象， 常采用恒流源作为激励源。 1/4/2024 12 单元二 集成霍尔传感器 集成霍尔传感器可分为线性型和开关型两大类。 线性型集成电路是将霍尔元件和恒流源、线性差动放大器等做在一个芯片上，输出电压为伏级，比直接使用霍尔元件方便得多。较典型的线性型霍尔器件如UGN3501等。 线性型三端 霍尔集成电路 1/4/2024 13 线性型霍尔特性 右图示出了具有双端差动输出特性的线性霍尔器件的输出特性曲线。当磁场为零时，它的输出电压等于零；当感受的磁场为正向时， 输出为正；磁场反向时，输出为负。线性型霍尔集成电路常用于相关参数测量。 请画出线性范围 1/4/2024 14 开关型霍尔集成电路