自动检测技术实用教程高职层次.ppt

此时，半导体中的载流子（设为电子）将受洛伦兹力F的作用向-x方向运动，使-x平面上堆积了负电荷，+x平面上就有多余的正电荷，从而在半导体内又产生了一个横向电场。这个横向电场的电场力与洛伦兹力的方向正好相反，在这两种力的作用下，使-x平面上堆积的负电荷越来越多，横向电场力就越来越大。由于洛伦兹力F保持不变，当作用在电子上的洛沦兹力和横向电场力相平衡时，电子的运动就会停止。在稳定状态下，半导体片两侧面（x方向）的负电荷和正电荷相对积累，形成电动势，这种现象称为霍尔效应。 由此而产生的电动势称为霍尔电势。霍尔电势VH的大小为： VH=KHIB （2-9） 式中，KH为霍尔灵敏度，它表示一个霍尔元件在单位控制电流和单位磁感应强度时产生的霍尔电势差的大小；I为控制电流；B为磁感应强度。 式（2-9）是表示传感器受磁面与所加磁场成直角的情况。如果受磁面与所加磁场夹角为θ，则式（2-9）为 VH=KHIBsinθ （2-10） 在工程应用中，控制电流I通常为几毫安到几十毫安；B的单位可为高斯（Gs）或特斯拉（T），1特斯拉（T）＝104高斯（Gs）；KH通常表示电流为1mA，磁场为1kGs时的输出电压，单位为mV/(mA·kGs)，它与元件材料的性质和几何尺寸有关。 2）霍尔元件材料及特点 霍尔元件常用材料有N型锗（Ge）、锑化铟（InSb）、砷化铅（InAs）、砷化镓（GaAs）等。目前常用的有InSb和GaAs两种，其特性如图2-16所示。 由图2-16可见两者都具有良好的线性特性。InSb材料霍尔元件的特点：①稳定性好，受漂移电压的影响较小；②霍尔电压受温度变化影响较大；③频率特性较差。GaAs材料霍尔元件的特点：①霍尔电压的温度系数较小；②线性好；③灵敏度低。 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。 3）霍尔元件外形及符号 霍尔元件的外形如图2-17（a）所示，由霍尔片、4根引线和壳体组成。霍尔元件的结构如图2-17（b）所示，霍尔片是一块矩形半导体单晶薄片，在它的长度方向两端面上焊接有a、b两根引线，称为控制电流端引线，通常用红色导线；在薄片的另两侧端面的中间以点的形式对称地焊接有c、d两根霍尔输出引线，通常用绿色导线。霍尔元件的壳体上是用非导磁金属、陶瓷或环氧树脂封装。图2-17（c）为霍尔元件符号。 （a）外形 （b）结构 （c）符号 图2-17 霍尔元件 4）霍尔元件主要技术参数 ①输入电阻RIN和输出电阻ROUT。霍尔元件控制电流极间的电阻为RIN；霍尔电压极间的电阻为ROUT。输入电阻与输出电阻一般为100～2000Ω，而且输入电阻大于输出电阻，但相差不太多，使用时不能搞错。 ②额定控制电流I。额定控制电路I为使霍尔元件在空气中产生10℃温升的控制电流。I大小与霍尔元件的尺寸有关，尺寸愈小，I愈小。一般为几毫安～几十毫安。 ③不等位电势V0。霍尔元件在额定控制电流作用下，不加外磁场时，霍尔输出端之间的开路电压称为不等位电势V0，它是由于四个电极的几何尺寸不对称引起的，使用时多采用电桥法来补偿不等位电势引起的误差。 ④灵敏度KH。灵敏度是在单位磁感应强度下，通以单位控制电流所产生的霍尔电压。 ⑤寄生直流电势V0D。在不加外磁场时，交流控制电流通过霍尔元件而在霍尔电压极间产生的直流电势。它主要是由电极与基片之间的非完全欧姆接触所产生的整流效应造成的。 ⑥霍尔电压温度系数α。α为温度每变化1℃霍尔电压变化的百分率。这一参数对测量仪器十分重要。若仪器要求精度高时，要选择α值小的元件，必要时还要加温度补偿电路。 ⑦电阻温度系数β。β为温度每变化1℃霍尔元件材料的电阻变化的百分率。 ⑧灵敏度温度系数γ。γ为温度每变化1℃霍尔元件灵敏度变化率。 ⑨线性度。霍尔元件的线性度常用1kGs时霍尔电压相对于5kGs时霍尔电压的最大差值的百分比表示。 表2-1为几种霍尔元件的主要参数。 型号 项目 控制 电流 输入 电阻 输出 电阻 不等位电势 灵敏度 VH温度系数 电阻温度系数 材料 符号 I RI