项目一开关量检测（课件）- 《传感器与检测技术（第3版）》同步教学（北京邮电版）

项目一 开关量检测 任 务 一 认识接近开关 霍尔效应 霍尔效应是霍尔(Hall) 24岁时在美国霍普金斯大学研究生期间，研究关于载流导体在磁场中的受力性质时发现的一种现象。 在长方形导体薄板.上通以电流，沿电流的垂直方向施加磁场，就会在与电流和磁场两者垂直的方向上产生电势差，这种现象称为霍尔效应，所产生的电势差称为霍尔电压。 知识拓展——背景介绍 3 长时期以来，霍尔效应是在室温和中等强度磁场条件下进行实验的。在霍尔效应发现100年后，1980年， 德国物理学家克利青(Klaus von Klitzing) 在研究极低温和强磁场中的半导体时，发现在低温条件下半导体硅的霍尔效应不是常规的那种直线，而是随着磁场强度呈跳跃性的变化，这种跳跃的阶梯大小由被整数除的基本物理常数所决定。这是当代凝聚态物理学令人惊异的进展之一，这在后来被称为整数量子霍尔效应。由于这个发现，克利青在1985年获得了诺贝尔物理奖。 知识拓展——背景介绍 4 霍尔效应应被发现100多年以来，它的应用发展经历了三个阶段: 第一阶段:从霍尔效应的发现到20世纪40年代前期。最初由于金属材料中的电子浓度很大而霍尔效应十分微弱所以没有引起人们的重视。这段时期也有人利用霍尔效应霍尔效制成磁场传感器，但实用价值不大,到了1910年有人用金属铋制成霍尔元件，作为磁场传感器。但是，由于当时未找到更合适的材料，研究处于停顿状态。 知识拓展——背景介绍 5 第二阶段:从20世纪40年代中期半导体技术出现之后，随着半导体材料、制造工艺和技术的应用，出现了各种半导体霍尔元件，特别是锗的采用推动了霍尔元件的发展，相继出现了采用分立霍尔元件制造的各种磁场传感器。 知识拓展——背景介绍 6 第三阶段;自20世纪60年代开始，,随着集成电路技术的发展，出现了将霍尔半导体元件和相关的信号调节电路集成在一起的霍尔传感器。进入20世纪80年代，随着大规模超大规模集成电路和微机械加工技术的进展，:霍尔元件从平面向三维方向发展，出现了三端口或四端口固态霍尔传感器，实现了产品的系列化、加工的批量化、体积的微型化。霍尔集成电路出现以后，很快便得到了广泛应用。 知识拓展——背景介绍 7 一、霍尔效应型接近开关 8 霍尔效应型接近开关是将检测磁性物体的霍尔效应元器件集成至一个传感器继电器中。由于普通情况下磁场很难自然生成,所以这种传感器检测灵敏且很少产生误报现象。但是,霍尔效应型接近开关只能检测磁性物体。 霍尔效应型接近开关具有无触点、无磨损、无火花、低功耗、寿命长敏度高、工作频率高等特点,能在各种恶劣环境下可靠稳定地工作。 霍尔效应的产生是运动电荷在磁场作用下受到洛仑兹力作用的结果。如图1-2所示,把N型半导体薄片放在磁场中,通以固定方向的电流i(从a点至b点),那么半导体中的载流子(电子)将沿着与电流方向相反的方向运动。从物理学上讲,任何带电质点在磁场中沿磁力线垂直方向运动时,均受到磁场力的作用,这个力又称为洛伦兹力。 1.霍尔效应 9 由于洛伦兹力,电子向一边偏移,并形成电子积累,而另一图1-2霍尔效应边则积累正电荷,于是形成了电场。该电场将阻止运动电子继续偏移,当电场力与洛伦兹力相等时,电子的积累便达到了动态平衡。这时元件c、d两端之间建立的电场称为霍尔电场, 相应的电动势称为霍尔电动势。 1.霍尔效应 10 1.霍尔效应 霍尔常数等于霍尔片材料的电阻率与电子迁移率的乘积。若要霍尔效应强,则希望有较大的霍尔常数,因此要求霍尔片材料有较大的电阻率和载流子迁移率。一般金属材料载流子迁移率很高,但电阻率很小;而绝缘材料电阻率极高,但载流子迁移率极低,故只有半导体材料才适于制造霍尔片。目前常用的霍尔元件材料有锗、硅、砷化铟、锑化铟等半导体材料。其中N型锗容易加工制造,其霍尔常数、温度性能和线性度都较好。N型硅的线性度最好,其霍尔常数、温度性能同N型锗。锑化铟对温度最敏感,尤其在低温范围内温度系数大,但在室温时其霍尔常数较大。砷化铟的霍尔常数较小,温度系数也较小,输出特性线性度好。 11 教学视频——霍尔效应 霍尔元件是根据霍尔效应,用半导体材料制成的元件,一般具有对磁场敏感、结构简单、输出电压变化较大及寿命长等优点。其可分为线性霍尔元件和开关型霍尔元件两种 霍尔元件的结构简单,由霍尔片、四根引线和壳体组成,其结构示意如图1-3(a)所示。在电路中,霍尔元件一般可用两种符号表示,如图1-3(b)所示。霍尔片是一块矩形半导体单晶薄片,引出四根引线:1、1'两根引线加激励电压或电流,称为激励电极(或控制电极);2、2' 引线为霍尔输出引线,称为霍尔电极。霍尔元件的壳体是用非导磁金属、陶瓷或环氧树脂封装的。 图1-3 霍尔元件 2.霍尔元件 通常,霍尔电动势的转换效率比较低,为了获