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自动检测技术及应用(七) 霍尔传感器及应用 第七章 霍尔传感器 本章主要学习霍尔传感器 的工作原理、霍尔元件的特性参数, 霍尔集成电路的特性及其在检测技术中的应用，还涉及磁场测量技术。 第七章 霍尔传感器 霍尔式传感器是基于半导体材料的霍尔效应原理制成的敏感元件，它是利用霍尔元件将被测量电流、磁场、位移、压力等转换成电势输出的传感器。 1879年，霍尔即在金属上发现了霍尔效应，但由于非常微弱，没有引起重视。1948年后，由于半导体材料迅速发展，找到了霍尔效应比较明显的半导体材料，并制成了砷化镓、锑化铟、硅、锗等材料的霍尔元件。 霍尔式传感器最大的特点是非接触测量。 第一节 霍尔元件的结构及工作原理 金属或半导体薄片置于磁感应强度为B 的磁场中，磁场方向垂直于薄片，当有电流I 流过薄片时，在垂直于电流和磁场的方向上将产生电动势EH，这种现象称为霍尔效应。 霍尔效应演示 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c、d方向的端面之间建立起霍尔电势。 磁感应强度B 较大时的情况 作用在半导体薄片上的磁场强度B越强，霍尔电势也就越高。霍尔电势EH可用下式表示： EH=KH IB 霍尔效应 霍尔效应 磁场不垂直于霍尔元件时的霍尔电动势 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方向（与薄片垂直的方向）的分量，即Bcos?，这时的霍尔电势为： EH=KHIBcos? 霍尔元件的结构、图形符号 利用霍尔效应产生霍尔电势的器件称为霍尔元件。 结构： 霍尔片 引线 壳体 霍尔元件的结构、图形符号 图形符号： 第二节 霍尔元件的特性参数及其误差 1、灵敏度KH KH是指I为单位电流，B为单位磁感应强度，霍尔电极为开路（RL=∞）时的霍尔电势。 2、输入电阻Ri Ri为霍尔器件两个电流极之间的电阻，Ri 受温度变化的影响，会引起霍尔电势的变化而带来测量误差。 为此，最好采用恒流源作为激励源。 3、输出电阻R0 R0为两个霍尔电极之间的电阻。 R0也受温度变化的影响，选择适当负载电阻与之匹配，可减小该影响。 第二节 霍尔元件的特性参数及其误差 4、额定控制电流Ic 使在空气中的霍尔器件产生10℃温升的控制电流称为额定控制电流。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漂增大， Ic的大小与霍尔元件的尺寸有关：尺寸越小， Ic越小。因此每种型号的元件均规定了相应的额定控制电流，它的数值从几毫安至十几毫安。 以下哪一个激励电流的数值较为妥当？ 5μA 0.1mA 2mA 80mA 第二节 霍尔元件的特性参数及其误差 5、不等位电势U0和不等位电阻r0 在额定激励电流下，当Ｂ＝０时，霍尔输出端的开路电压称不等位电势；不等位电势与额定控制电流之比，称为不等位电阻，r o＝Uo／Ｉc. 通常要求Uo１mv。 不等位电势U0造成的原因： a、工艺上不可能将两个霍尔电极绝对对称地焊在霍尔片的两侧，致使两电极点不处于同一等位面上，这是造成Uo的主要原因。 b、霍尔片电阻率不均匀，厚薄不均匀，控制电流极接触不良等均会造成等位面歪斜。 不等位电势U0通常通过桥路平衡的原理加以补偿。 第二节 霍尔元件的特性参数及其误差 不等位电势的补偿： ①、在工艺上采取措施 ②、采取电路补偿 当两个霍尔电极处于同一等位上时，r1＝r2＝r 3＝r 4，则Uo＝０，否则Uo≠０，可通过电桥平衡原理对不等位电势进行补偿。 第二节 霍尔元件的特性参数及其误差 6、寄生直流电动势Ug 当不加外磁场，器件通以交流控制电流，在霍尔电极之间产生的直流电动势，称为寄生直流动电势Ug。 产生Ug的原因主要是器件本身的四个电极与极片之间的非欧姆接触，产生整流效应造成的。因此在元件制作和安装时，应尽量使电极欧姆接触，有良好的散热条件，并做到散热均匀。 （欧姆接触是指金属与半导体的接触，而其接触面的电阻值远小于半导体本身的电阻 ） 第二节 霍尔元件的特性参数及其误差 7、霍尔电动势温度系数α 在一定的磁感应强度和控制电流下，温度每变化1℃时，霍尔电势的相对变化率称为霍尔电势温度