8 霍尔式传感器（课件）- 《传感器与检测技术》同步教学（清华大学版）

项目八 霍尔式传感器 项目分析 任务8.1　认识霍尔式传感器 任务8.2　霍尔式传感器的应用 项目八　霍尔式传感器 项目分析 了解霍尔式传感器 熟悉霍尔式传感器的应用 能正确使用常用的霍尔式传感器 任务分析 1 任务一 传感器技术基础 任务8.1　认识霍尔式传感器 相关知识 2 技能训练 3 知识拓展 4 任务分析 本任务主要介绍霍尔式传感器的工作原理、结构、基本参数，以及霍尔式传感器的连接方式和输出电路。通过学习，了解常用霍尔式传感器的基本结构、工作原理及应用特点，初步具备识别各类霍尔式传感器的能力。 霍尔式传感器是基于霍尔效应的一种传感器。它具有结构简单、形小体轻、无触点（亿次通断）、频率响应范围宽（从直流到微波）、动态范围大（输出量的变化可达1000:1）、使用寿命长等优点。 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，由于他的霍尔效应显著而得到应用和发展。霍尔传感器广泛应用于电磁、压力、加速度、振动等方面的测量。图8－1为常见的几种霍尔传感器。 相关知识 图 8-1 常见霍尔传感器 1．霍尔效应 置于磁场中的静止载流导体，当他的电流方向与磁场方向不一致时，载流导体上平行于电流和磁场方向上的面之间产生电动势。如图8-2所示，在垂直于外磁场B的方向上放置一导电板，导电板通过电流I，方向如图所示。导电板中的电流是金属中自由电子在电场作用下的定向运动。此时，每个电子受洛伦磁力fm的作用， fm大小为： （8-1） 式中，e为电子电荷；v为电子运动平均速度；B为磁场的磁感应强度。 图 8-2 霍尔效应 则： （8-4） 将式（8-5）代入式（8-4）中得： 此时电荷不再向两底面积累，达到平衡状态。 若金属导电板单位体积内电子数为n，电子定向运动平均速度为v，则激励电流I=nevbd，得到： （8-5） （8-6） 将式（8-6）代入式（8-2）中得： （8-7） 式中，令 ，称之为霍尔常数，其大小取决于导体载流子密度，则： （8-8） 式中， 称为霍尔片的灵敏度。由式（8-8）可见，霍尔电势正比于激励电流及磁感应强度，其灵敏度与霍尔常数RH成正比，而与霍尔片厚度d成正比。为了提高灵敏度，霍尔元件常制成薄片形状。 对霍尔片材料的要求，希望有较大的霍尔常数 RH，霍尔元件激励极间电阻 ，同时 。其中， UI为加在霍尔元件两端的激励电压，E1为霍尔元件激励极间内电场，V为电子移动的平均速度。则： （8-9） 解得： （8-10） 从式（8-10）可知，霍尔常数等于霍尔片材料的电阻率ρ与电子迁移率μ的乘积，若要霍尔效应强，则RH值大，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，但在室温时其霍尔系数较大。砷化铟的霍尔系数较小，温度系数也较小，输出特性线性度好。 2．霍尔元件的基本参数 1）输入电阻Ri 霍尔元件两激励电流端的直流电阻称为输入电阻。他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Ro 两个霍尔电动势输出端之间的电阻称为输出电阻，它的数值与输入电阻，他的数值与输入电阻属同一数量级，他也随温度变化而变化。选择适当的负载电阻RL与之相配，可以使温度引起霍尔电势的漂移减至最小。 3）最大激励电流 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，但激励电流增大，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飘增大，因此每种型号的元件均规定了相应的最大激励电流，其数值从几毫安到几百毫安。 4）最大磁感应强度BM 磁感应强度为BM时，霍尔电势的非线性误差将明显增大，BM一般为零点几特。 5）不