霍尔传感器课件.ppt
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1、第九章 霍尔传感器,本章主要讲述内容:,1、霍尔传感器的工作原理2、霍尔元件的基本结构和主要技术指标3、霍尔元件的测量电路4、霍尔传感器举例,1,PPT课件,概述: 霍尔元件是一种基于霍尔效应的磁传感器,得到广泛的应用。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。霍尔器件以霍尔效应为其工作基础。,特点: 霍尔器件具有许多优点,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、水汽及盐雾等的污染或腐蚀。,第一节 霍尔元件的基本工作原理,2,PPT课件,霍尔效应原理图,3,PPT课件,霍尔元件,金属或半导体薄片置于磁场中,当有电流流过时,在垂直于电
2、流和磁场的方向上将产生电动势,这种物理现象称为霍尔效应。,4,PPT课件,设图中的材料是型半导体,导电的载流子是电子。在轴方向的磁场作用下,电子将受到一个沿轴负方向力的作用,这个力就是洛仑兹力。它的大小为:FL=evB,FL,5,PPT课件,电荷的聚积必将产生静电场,即为霍尔电场,该静电场对电子的作用力为FE与洛仑兹力方向相反,将阻止电子继续偏转,其大小为,式中EH为霍尔电场,e为电子电量,UH为霍尔电势。当FL = FE时,电子的积累达到动平衡,即,所以,FL,FE,6,PPT课件,设流过霍尔元件的电流为 I 时,,式中ld为与电流方向垂直的截面积,n 为单位体积内自由电子数(载流子浓度)。
3、则,I,A,D,B,C,B,l,L,d,U,H,A、B-,霍尔电极,C、D-,控制电极,FL,FE,7,PPT课件,令,RH则被定义为霍尔传感器的霍尔系数。由于金属导体内的载流子浓度大于半导体内的载流子浓度,所以,半导体霍尔系数大于导体。,霍尔系数及灵敏度,则,8,PPT课件,KH为霍尔元件的灵敏度。 由上述讨论可知,霍尔元件的灵敏度不仅与元件材料的霍尔系数有关,还与霍尔元件的几何尺寸有关。一般要求霍尔元件灵敏度越大越好,霍尔元件灵敏度的公式可知,霍尔元件的厚度d与KH成反比。,令 则,9,PPT课件,通过以上分析可知:,1)霍尔电压UH与材料的性质有关 n 愈大,KH 愈小,霍尔灵敏度愈低;
4、 n 愈小,KH 愈大,但n太小,需施加极高的电压才能产生很小的电流。因此霍尔元件一般采用N型半导体材料,10,PPT课件,2)霍尔电压UH与元件的尺寸有关。 d 愈小,KH 愈大,霍尔灵敏度愈高,所以霍尔元件的厚度都比较薄,但d太小,会使元件的输入、输出电阻增加。 霍尔电压UH与控制电流及磁场强度成正比,当磁场改变方向时,也改变方向。,11,PPT课件,若磁场B和霍尔元件平面的法线成一角度,则作用于霍尔元件的有效磁感应强度为B cos,因此 UH=KHIBcos,12,PPT课件,3)P型半导体,其多数载流子是空穴,也存在霍尔效应,但极性和N型半导体的相反。4)霍尔电压UH与磁场B和电流I成
5、正比,只要测出UH ,那么B或I的未知量均可利用霍尔元件进行测量。,13,PPT课件,一、霍尔元件的基本结构组成由霍尔片、四根引线和壳体组成,如下图示。,第二节 霍尔元件的基本结构和主要技术指标,14,PPT课件,国产霍尔元件型号的命名方法,15,PPT课件,二、主要技术指标,1、额定控制电流IC和最大控制电流ICm霍尔元件在空气中产生10的温升时所施加的控制电流称为额定控制电流IC。在相同的磁感应强度下,IC值较大则可获得较大的霍尔输出。霍尔元件限制IC的主要因素是散热条件。一般锗元件的最大允许温升Tm80,硅元件的Tm175。当霍尔元件的温升达到Tm时的IC就是最大控制电流ICm 。,16
6、,PPT课件,霍尔元件的乘积灵敏度定义为在单位控制电流和单位磁感应强度下,霍尔电势输出端开路时的电势值,其单位为V(AT),它反应了霍尔元件本身所具有的磁电转换能力,一般希望它越大越好。,2、乘积灵敏度KH,其定义,17,PPT课件,3、输入电阻Ri和输出电阻R0,Ri是指流过控制电流的电极(简称控制电极)间的电阻值,R0是指霍尔元件的霍尔电势输出电极(简称霍尔电极)间的电阻,单位为。可以在无磁场即B0和室温(20 5)时,用欧姆表等测量。,18,PPT课件,在额定控制电流 Ic 之下,不加磁B0时,霍尔电极间的空载霍尔电势UH0,称为不平衡(不等位)电势,单位为mV。一般要求霍尔元件的UH1
7、mV,好的霍尔元件的UH可以小于0.1mV。不等位电势和额定控制电流Ic之比为不等位电阻RM,即,4、不等位电势UM和不等位电阻RM,19,PPT课件,不平衡电势UH是主要的零位误差。因为在工艺上难以保证霍尔元件两侧的电极焊接在同一等电位面上。如下图(a)所示。当控制电流I流过时,即使末加外磁场,A、B两电极此时仍存在电位差,此电位差被称为不等位电势(不平衡电势)UH。,20,PPT课件,在一定的磁感应强度和控制电流下,温度变化1时,霍尔电势变化的百分率称为霍尔电势温度系数,单位为1。,5、霍尔电势温度系数,21,PPT课件,一、基本测量电路 控制电流I由电源E供给,电位器R调节控制电流I的大
8、小。霍尔元件输出接负载电阻RL,RL可以是放大器的输入电阻或测量仪表的内阻。由于霍尔元件必须在磁场与控制电流作用下,才会产生霍尔电势UH,所以在测量中,可以把 I,第三节 霍尔元件的测量电路,与 B 的乘积、或者 I,或者 B 作为输入情号,则霍尔元件的输出电势分别正比于 IB 或 I 或 B。,22,PPT课件,为了获得较大的霍尔输出电势,可以采用几片叠加的连接方式。下图(a)为直流供电,控制电流端并联输出串联。下图(b)为交流供电,控制电流端串联变压器叠加输出。,连接方式,23,PPT课件,由于载流子浓度等随温度变化而变化,因此会导致霍尔元件的内阻、霍尔电势等也随温度变化而变化。这种变化程
9、度随不同半导体材料有所不同。而且温度高到一定程度,产生的变化相当大。温度误差是霍尔元件测量中不可忽视的误差。 针对温度变化导致内阻(输入、输出电阻)的变化,可以采用对输入或输出电路的电阻进行补偿。,二、温度误差及其补偿,24,PPT课件,(一)采用恒流源提供控制电流,对于上图所示的基本测量电路,设温度由T增加到T+T,因霍尔片的电子浓度n增加,从而使霍尔元件的乘积灵敏度由KH减小到KH(1T),其中是KH的温度系数。,25,PPT课件,另一方面霍尔元件输入电阻由Ri减小到Ri (1T)。其中是Ri的温度系数。输入电阻的变化将使控制电流由IC变为ICIC,此时霍尔电势将由UHKHICB变为UH
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