课题7 霍尔式传感器及其应用（课件）- 《传感器与检测技术应用》同步教学（北京理工大学版）

课题7 霍尔式传感器及其应用 任务1 熟悉霍尔效应及霍尔元件 任务2 集成霍尔传感器 任务3 霍尔传感器的应用 任务4 知识扩展—其他磁敏传感器 任务5 霍尔传感器项目实训—霍尔开关传感器测转速 返回 任务1 熟悉霍尔效应及霍尔元件 1.霍尔效应 金属或半导体薄片置于磁感应强度为B的磁场(磁场方向垂直与薄片)中，如图7-2所示，当有电流I通过时，在垂直于电流和磁场的方向上将产生电动势UH，这种物理现象称为霍尔效应。该电势UH称霍尔电势。 假设薄片为N型半导体，磁感应强度为B的磁场方向垂直于薄片，如图7 -2所示。在薄片左右两端通以控制电流I，那么半导体中的载流子(电子)将沿着与电流I相反的方向运动。由于外磁场B的作用，使电子受到磁场力FL(洛仑兹力)而发生偏转，结果在半导体的前端面上电子积累带负电，而后端面缺少电子带正电，在前后断面间形成电场。 下一页 返回 任务1 熟悉霍尔效应及霍尔元件 该电场产生的电场力FE阻止电子继续偏转。当FE和FL相等时，电子积累达到动态平衡。这时在半导体前后两端面之间(即垂直于电流和磁场方向)建立电场，称为霍尔电场EH,相应的电势UH称为霍尔电势。 如图7 -2所示，一块长为L、宽为W、厚为d的N型半导体薄片，位于磁感应强度为B的磁场中，B垂直于L一W平面，沿L通电流I, N型半导体的载流体—电子将受到B产生的洛仑兹力FB的作用 式中，e为电子的电量，e=1.602 x10-19C为半导体电子的运动速度，其方向与外电路I的方向相反，在讨论霍尔效应时，假设所有电子载流子的运动速度相同。 上一页 下一页 返回 任务1 熟悉霍尔效应及霍尔元件 在力FB的作用下，电子向半导体片的一个侧面偏转，在该侧面上形成电子的积累，而在相对的另一侧面上因缺少电子而出现等量的正电荷。在这两个侧面上产生霍尔电场EH。该电场使运动电子受到电场力FE。 电场力阻止电子继续向原侧面积累，当电子所受电场力和洛仑兹力相等时，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，即 式中，RH为霍尔系数;KH为霍尔元件的灵敏度。 上一页 下一页 返回 任务1 熟悉霍尔效应及霍尔元件 由式(7 -3)可见，霍尔电势正比于激励电流及磁感应强度，其灵敏度与霍尔系数RH成正比而与霍尔片厚度d成反比。为了提高灵敏度，霍尔元件常制成薄片形状。 如果磁场与薄片法线夹角为θ那么 又因R H=μρ ,即霍尔系数等于霍尔片材料的电阻率ρ与电子迁移率μ的乘积。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，故只有半导体材料适于制造霍尔片。目前常用的霍尔元件材料有:锗、硅、砷化锢、锑化锢等半导体材料。 上一页 下一页 返回 任务1 熟悉霍尔效应及霍尔元件 其中N型锗容易加工制造，其霍尔系数、温度性能和线性度都较好。N型硅的线性度最好，其霍尔系数、温度性能同N型锗相近。锑化锢对温度最敏感，尤其在低温范围内温度系数大，但在室温时其霍尔系数较大。砷化锢的霍尔系数较小，温度系数也较小，输出特性线性度好。表7-1为常用国产霍尔元件的技术参数。 2.霍尔元件 霍尔元件的结构很简单，它由霍尔片、引线和壳体组成，如图7-3 (a)所示。霍尔片是一块矩形半导体单晶薄片，引出四个引线。a、b两根引线加激励电压或电流，称为激励电极;c、d引线为霍尔输出引线，称为霍尔电极，如图7-3 (b)所示。霍尔元件壳体由非导磁金属、陶瓷或环氧树脂封装而成。在电路中霍尔元件的图形符号如图7-3 (c)所示。 上一页 下一页 返回 任务1 熟悉霍尔效应及霍尔元件 3.霍尔元件测量电路 (1)基本测量电路 霍尔元件的基本测量电路如图7 -4所示。激励电流由电压源E供给，其大小由可变电阻来调节。 2)霍尔元件的输出电路 在实际应用中，要根据不同的使用要求采用不同的连接电路方式。如在直流激励电流情况下，为了获得较大的霍尔电压，可将几块霍尔元件的输出电压串联，如图7 -5(a)所示。在交流激励电流情况下，几块霍尔元件的输出可通过变压器接成如图7 -5(b)所示的形式，以增加霍尔电压或输出功率。 上一页 下一页 返回 任务1 熟悉霍尔效应及霍尔元件 4.霍尔元件主要特性参数 霍尔元件主要特性参数如下: ①乘积灵敏度KH 在单位控制电流和单位磁感应强度作用下，霍尔器件输出端的开路电压，称为霍尔灵敏系数KH，霍尔灵敏系数K。的单位为V/( A·T)。 ②额定激励电流IN和最大允许激励电流Imax 霍尔元件在空气中产生的温升为10℃时，所对应的激励电流称为额定激励电流IN。以元件允许的最大温升为限制，所对应的激励电流称为最大允许激励电流Imax 。 上一页 下一页 返回 任务1 熟悉霍尔效