ch霍尔式传感器总结课件.ppt
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1、5.25.2、霍尔式传感器、霍尔式传感器1 霍尔元件的工作原理霍尔元件的工作原理2 不等位电势的误差及补偿不等位电势的误差及补偿3 集成霍尔传感器集成霍尔传感器4 霍尔式传感器的应用霍尔式传感器的应用1/1/20232 霍尔传感器霍尔传感器是基于霍尔效应的一种传感器。是基于霍尔效应的一种传感器。18791879年年美美国物理学家霍尔国物理学家霍尔首先在金属材料中发现了霍尔效应首先在金属材料中发现了霍尔效应,但由于但由于金属材料的霍尔效应太弱而没有得到应用。随着半导体技术金属材料的霍尔效应太弱而没有得到应用。随着半导体技术的发展的发展,开始用开始用半导体材料半导体材料制成霍尔元件制成霍尔元件,由
2、于它的霍尔效由于它的霍尔效应显著而得到应用和发展。应显著而得到应用和发展。霍尔传感器广泛用于电磁测量、压力、加速度、振动等霍尔传感器广泛用于电磁测量、压力、加速度、振动等方面的测量。方面的测量。霍尔传感器霍尔传感器1/1/202331 1 霍尔元件的工作原理霍尔元件的工作原理1.1 1.1 霍尔效应、霍尔电势、霍尔系数霍尔效应、霍尔电势、霍尔系数1 1)霍尔效应)霍尔效应 将一块通有电流将一块通有电流I I的导体薄片放在磁感应强度为的导体薄片放在磁感应强度为B B的磁场中,的磁场中,B B的方向垂直于的方向垂直于I I,则在垂直于电流和磁场的薄片两侧,则在垂直于电流和磁场的薄片两侧,产生一个正
3、比于电产生一个正比于电流和磁感应强度的流和磁感应强度的电势,这一物理现电势,这一物理现象称为象称为霍尔效应霍尔效应。1/1/202341 1 霍尔元件的工作原理霍尔元件的工作原理 当磁场垂直于薄片时,电子受到洛仑兹力的作用,向内侧偏当磁场垂直于薄片时,电子受到洛仑兹力的作用,向内侧偏移,在半导体薄片移,在半导体薄片c、d方向的端面之间建立起霍尔电势。方向的端面之间建立起霍尔电势。c cd da ab b1/1/202351 1 霍尔元件的工作原理霍尔元件的工作原理2 2)霍尔电势、霍尔系数)霍尔电势、霍尔系数洛仑兹力洛仑兹力LfeVB即有:即有:霍尔电场作用力霍尔电场作用力/EHHfeEeUb
4、/HeVBeUb故可得:故可得:HUbVB1/1/202361 1 霍尔元件的工作原理霍尔元件的工作原理2 2)霍尔电势、霍尔系数)霍尔电势、霍尔系数HUbVB因为流过薄片的电流为:因为流过薄片的电流为:dQIbdVnedt则得到则得到N N型半导体的型半导体的霍尔电势霍尔电势为:为:HIBUned若是若是P P型半导体,则型半导体,则霍尔电势霍尔电势为:为:HIBUped1/1/202371 1 霍尔元件的工作原理霍尔元件的工作原理2 2)霍尔电势、霍尔系数霍尔电势、霍尔系数定义定义霍尔系数霍尔系数为:为:1HRne定义定义霍尔系数霍尔系数为:为:HHIBURd则有:则有:霍尔系数反映了材料
5、霍尔效应的强弱,其大小取决于霍尔系数反映了材料霍尔效应的强弱,其大小取决于载流子密度。金属材料的自由电子浓度载流子密度。金属材料的自由电子浓度n n很高,因此霍尔很高,因此霍尔系数很小,相应地霍尔电势极小,故不宜做霍尔元件。系数很小,相应地霍尔电势极小,故不宜做霍尔元件。1/1/20238 霍尔效应强,则霍尔效应强,则R RH H值大,因此要求霍尔片材料有较值大,因此要求霍尔片材料有较大的大的电阻率电阻率和和载流子迁移率载流子迁移率。一般金属材料载流子迁移。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。故流
6、子迁移率极低。故只有半导体材料适于制造霍尔片只有半导体材料适于制造霍尔片。1 1 霍尔元件的工作原理霍尔元件的工作原理2 2)霍尔电势、霍尔系数)霍尔电势、霍尔系数HR1/1/202391 1 霍尔元件的工作原理霍尔元件的工作原理3 3)霍尔元件的灵敏度系数)霍尔元件的灵敏度系数HHIBURd由霍尔电势:由霍尔电势:定义定义灵敏度系数灵敏度系数:HHUKIBHHRKd或或 灵敏度系数表示单位电流和单位磁场作用下,开路霍灵敏度系数表示单位电流和单位磁场作用下,开路霍尔电势的大小,它与元件的厚度成反比,霍尔片越薄,灵尔电势的大小,它与元件的厚度成反比,霍尔片越薄,灵敏度系数就越大。通常薄膜霍尔元件
7、的厚度约为敏度系数就越大。通常薄膜霍尔元件的厚度约为1m1m左右,左右,但同时要兼顾元件的强度和内阻。但同时要兼顾元件的强度和内阻。1/1/2023101 1 霍尔元件的工作原理霍尔元件的工作原理4 4)霍尔电势的一般表达式)霍尔电势的一般表达式cosHHUK IB 若磁感应强度若磁感应强度B不垂直于霍尔元件,而是与其法线成某一角不垂直于霍尔元件,而是与其法线成某一角度度时,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,即方向(与薄片垂直的方向)的分量,即Bcos,这时的霍尔电,这时的霍尔电势为势为 结论结论:霍
8、尔电势与输入电流霍尔电势与输入电流I I、磁感应强度、磁感应强度B B成正比,成正比,且当且当B B的方向改变时,霍尔电势的方向也随之改变。如果所的方向改变时,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。施加的磁场为交变磁场,则霍尔电势为同频率的交变电势。霍尔电势是关于霍尔电势是关于I I、B B、三个变量的函数。利用这个关系三个变量的函数。利用这个关系可以使其中两个量不变,将第三个量作为变量,或者固定其中可以使其中两个量不变,将第三个量作为变量,或者固定其中一个量,其余两个量都作为变量。这使得霍尔传感器有许多用一个量,其余两个量都作为变量。这使得霍尔传
9、感器有许多用途。途。1/1/2023111 1 霍尔元件的工作原理霍尔元件的工作原理1.2 1.2 霍尔元件及基本电路霍尔元件及基本电路1 1)霍尔元件的结构及符号霍尔元件的结构及符号霍尔元件由霍尔片、四根引线和壳体组成。霍尔元件由霍尔片、四根引线和壳体组成。4 42 20.1mm0.1mm3 31/1/2023121 1 霍尔元件的工作原理霍尔元件的工作原理应用霍尔传感器可以分别检测电流、磁场、电流与磁场的应用霍尔传感器可以分别检测电流、磁场、电流与磁场的乘积等物理量。乘积等物理量。建立霍尔效应所需的时间很短,大约只有建立霍尔效应所需的时间很短,大约只有1010-13-13秒左右,故秒左右,
10、故输入信号的频率可以很高。输入信号的频率可以很高。2 2)霍尔元件的基本电路霍尔元件的基本电路1/1/2023131 1 霍尔元件的工作原理霍尔元件的工作原理 目前常用的霍尔元件材料有目前常用的霍尔元件材料有:锗、硅、砷化铟、锑化铟锗、硅、砷化铟、锑化铟等半导体材料。其中等半导体材料。其中N N型锗型锗容易加工制造容易加工制造,其霍尔系数、温度其霍尔系数、温度性能和线性度都较好。性能和线性度都较好。N N型硅型硅的线性度最好的线性度最好,其霍尔系数、温其霍尔系数、温度性能同度性能同N N型锗相近。型锗相近。锑化铟锑化铟对温度最敏感对温度最敏感,尤其在低温范尤其在低温范围内温度系数大,在室温时,
11、其霍尔系数较大。围内温度系数大,在室温时,其霍尔系数较大。砷化铟砷化铟的霍的霍尔系数及温度系数较小,输出特性的线性度好。尔系数及温度系数较小,输出特性的线性度好。3 3)霍尔元件的主要特征参数霍尔元件的主要特征参数1/1/2023141 1 霍尔元件的工作原理霍尔元件的工作原理3 3)霍尔元件的主要特征参数霍尔元件的主要特征参数 输入电阻和输出电阻输入电阻和输出电阻输入电阻输入电阻R Ri i:控制电流极间的电阻。:控制电流极间的电阻。输出电阻输出电阻R Rv v:霍尔电极间的电阻。:霍尔电极间的电阻。(在(在B=0B=0且温度为且温度为202055时确定)时确定)IiIUR=IHvHUR=I
12、1/1/2023151 1 霍尔元件的工作原理霍尔元件的工作原理3 3)霍尔元件的主要特征参数霍尔元件的主要特征参数 额定控制电流和最大允许控制电流额定控制电流和最大允许控制电流额定控制电流:额定控制电流:在空气介质中,对霍尔元件进行激励在空气介质中,对霍尔元件进行激励(由小到大通以控制电流),使之逐渐发热,当温升(由小到大通以控制电流),使之逐渐发热,当温升1010时对应的控制电流。时对应的控制电流。最大允许控制电流:最大允许控制电流:元件最大允许温升所对应的激励电元件最大允许温升所对应的激励电流。流。改善散热条件可提高额定控制电流及最大允许控制电流。改善散热条件可提高额定控制电流及最大允许
13、控制电流。1/1/2023161 1 霍尔元件的工作原理霍尔元件的工作原理3 3)霍尔元件的主要特征参数霍尔元件的主要特征参数 灵敏度灵敏度K KH H 表中给出的表中给出的K KH H是指额定工作范围内的平均值。可用直流是指额定工作范围内的平均值。可用直流电位差计测量空载霍尔输出电位差计测量空载霍尔输出U UH H,此时通以额定控制电流,且,此时通以额定控制电流,且置于均匀稳定的直流磁场中,同时测出置于均匀稳定的直流磁场中,同时测出B B值,即可求得。值,即可求得。HHUK=IB1/1/2023171 1 霍尔元件的工作原理霍尔元件的工作原理3 3)霍尔元件的主要特征参数霍尔元件的主要特征参
14、数 不等位电势与不等位电阻不等位电势与不等位电阻 当磁感应强度当磁感应强度B B为零、激励电流为额定值为零、激励电流为额定值I IH H时,霍尔电时,霍尔电极间的空载电势称为极间的空载电势称为不等位电势(或零位电势)不等位电势(或零位电势)U U0 0。不等位电势不等位电势U U0 0与额定激励电流与额定激励电流I IH H之比称为之比称为不等位电阻不等位电阻(零位电阻)(零位电阻)r r0 0。1/1/2023181 1 霍尔元件的工作原理霍尔元件的工作原理 产生不等位电势的原因主要有:产生不等位电势的原因主要有:霍尔电极安装位置不正霍尔电极安装位置不正确(不对称或不在同一等电位面上);半导
15、体材料的不均确(不对称或不在同一等电位面上);半导体材料的不均匀造成了电阻率不均匀或是几何尺寸不均匀;激励电极接匀造成了电阻率不均匀或是几何尺寸不均匀;激励电极接触不良造成激励电流不均匀分布等。触不良造成激励电流不均匀分布等。3 3)霍尔元件的主要特征参数霍尔元件的主要特征参数 不等位电势与不等位电阻不等位电势与不等位电阻1/1/202319(4)寄生直流电势寄生直流电势(霍尔元件零位误差的一部分霍尔元件零位误差的一部分)当没有外加磁场,霍尔元件用交流控制电流时,霍尔电极的当没有外加磁场,霍尔元件用交流控制电流时,霍尔电极的输出有一个直流电势输出有一个直流电势,称为寄生直流电势。称为寄生直流电
16、势。控制电极和霍尔电极与基片的连接是非完全欧姆接触时,会控制电极和霍尔电极与基片的连接是非完全欧姆接触时,会产生整流效应。产生整流效应。两个霍尔电极焊点的不一致,引起两电极温度不同产生温差两个霍尔电极焊点的不一致,引起两电极温度不同产生温差电势。电势。(5)霍尔电势温度系数霍尔电势温度系数 在一定磁感应强度和控制电流下,温度每变化在一定磁感应强度和控制电流下,温度每变化1C时,霍尔时,霍尔电势变化的百分率。电势变化的百分率。1/1/2023202 2 不等位电势的补偿不等位电势的补偿 为了降低不等位电势,除了加工工艺上采取措施外,还为了降低不等位电势,除了加工工艺上采取措施外,还应采取电路补偿
17、,即通过应采取电路补偿,即通过桥路平衡的原理加以补偿桥路平衡的原理加以补偿。霍尔元件有两对电极,各相邻电极之间的电阻若为霍尔元件有两对电极,各相邻电极之间的电阻若为r r1 1、r r2 2、r r3 3、r r4 4,霍尔元件可等效为一个四臂电阻电桥。,霍尔元件可等效为一个四臂电阻电桥。1/1/202321 能够使电桥达到平衡的措施均可以用于补偿不等位电势。由能够使电桥达到平衡的措施均可以用于补偿不等位电势。由于霍尔元件的不等位电势同时也是温度的函数,所以同时要考于霍尔元件的不等位电势同时也是温度的函数,所以同时要考虑虑温度补偿温度补偿问题。问题。2 2 不等位电势的补偿不等位电势的补偿1/
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