3.9 霍尔传感器.ppt

3.9 霍尔传感器 把一块载流子导体置于静止的磁场中，当载流子导体中有电流通过时，在垂直于电流方向和磁场的方向上就会产生电动势，这种现象称为霍尔效应，所产生的电动势称为霍尔电势，此载流子导体称为霍尔元件或霍尔片。 3.9 霍尔传感器 一块长为 ，宽为 ，厚度为h的N型半导体，在半导体长度方向通以电流I，将其置于的磁感应强度为B的磁场中（磁场强度方向垂直于半导体平面），则半导体中的载流子电子将会受到洛仑兹力的作用，根据物理学知识 （9.80） 式中 —电子的电荷量，； —半导体中电子的运动速度； —磁场的磁感应强度。 3.9 霍尔传感器 方向如图中所示。在力 的作用下，按长度方向运动的电子将会向半导体的一侧偏移，形成电子累积，而在另一侧将会累积正电荷，从而又在两侧之间形成一附加内场 ，即霍尔电场。此时霍尔电场 两端之间的电位差 （霍尔电势）为 3.9 霍尔传感器 霍尔电势与磁感应强度B和激励电流I成正比，与霍尔片厚度长反比，因而在实际应用中为了提高灵敏系数，霍尔元件常常制成薄片形状。 —电子（或空穴）迁移率 —材料的电阻率。 3.9 霍尔元件 （1）霍尔元件的结构 霍尔元件的结构很简单，它由霍尔片、引线和壳体三部分构成（如图9.89所示）。霍尔片是一块矩形半导体薄片，在它的四个端面引出四根引线，其中引线1和3为激励电压或电流引线，称为激励电极。引线2和4为霍尔电势输出引线，称为霍尔电极。 3.9 霍尔元件 霍尔片材料常用的主要有锗、硅、砷化铟、锑化铟等半导体材料，霍尔元件壳体由不具有导磁性的金属、陶瓷或环氧树脂封装而成。 3.9 霍尔元件 国产霍尔元件型号的命名方法： 国产霍尔元件型号的命名方法 3.9 霍尔元件 1）测量电流I 在一定温度下，对于一确定的霍尔元件，当磁感应强度B保持恒定时，电流I的变化可引起霍尔电势相应的线性变化。则可通过测量霍尔电势来测得电流I或者跟电流I有关的其他物理量。 3.9 霍尔元件 2）测量磁感应强度B 当激励电流I一定时，霍尔电势 与磁感应强度B成正比。根据这一关系可利用霍尔元件来测量交、支流磁感应强度、磁场强度或者跟磁感应强度、磁场强度有关的其他物理量（如非接触式测电流）等。 3.9 霍尔元件 3）功率测量 如果激励电流为I1，磁感应强度B由激励电流I2产生，则式（9.88）可转化为 （9.90） 式中 K —转变系数。 则可根据式（9.90）中的乘法关系将霍尔元件与其他器件组合成乘法器、开方器、平方器等，故可用来测量功率。 3.9 霍尔式传感器的组成 利用霍尔元件实现磁电转换的传感器称为霍尔式传感器，霍尔式传感器通常由霍尔元件、加在元件上的激励电源、产生磁场的装置和输出测量电路等基本构成。 3.9 测量误差补偿 霍尔式传感器在实际使用中常常有很多因素影响其测量精度，造成测量误差。常见的主要因素有半导体本身固有的特性，半导体制造的工艺水平，环境温度的变化情况，霍尔传感器的安装是否合理等。测量误差一般表现为零位误差和温度误差。 3.9 测量误差补偿 1）不等位电势 如图9.94所示，由制造工艺缺陷造成不等位电势出现的主要原因有： 3.9 测量误差补偿 2）寄生直流电势 当霍尔元件通以交流激励电流而不加外磁场时，霍尔电势除了交流不等位电压外，还有直流电势分量，此直流电势分量称为寄生直流电势。其产生的主要原因有： ①激励电极与霍尔电极接触不量，形成非欧姆接触，造成整流效果； ②霍尔电极的焊点大小不等或不对称，则两电极点的热容量不同而引起温差，产生内部温差电势。 3.9 测量误差补偿 （2）温度误差及补偿 由于霍尔元件是由半导体材料制成的，因此它的许多参数如载流子浓度、电子迁移率、电阻率等都具有较大的温度系数。当温度变化时，这些参数值都会发生变化，温度的变化会引起霍尔电势的改变，称为温度误差。为了减小温度误差，除了采用温度系数小的材料作为霍尔元件或采取恒温槽外，还可以采取其他适当的补偿电路。 3.9 测量误差补偿 3.9 测量误差补偿 1）恒流源供电和输入回路并联电阻 温度变化会引起霍尔元件的输出电阻发生变化，在恒压源供电时，引起激励电流发生变化，带来误差。为了减小这种误差，通常采用恒流源提供电流。 3.9 测量误差补偿 对于一确定的霍尔元件，可根据 、 、 来确定补偿电阻 的大小。 3.9 测量误差补偿 2）恒压源供电和输入回路串联电阻 当霍尔元件