第8章霍尔式传感器.ppt

第8章 霍尔式传感器 主要内容 8.1 霍尔效应（重点） 8.2 霍尔系数和灵敏度（重点） 8.3 材料及结构特点 8.4 基本电路形式（重点） 8.5 电磁特性（重点） 8.6 误差分析及其补偿方法（重点、难点） 8.7 应用（重点） 8.1 霍尔效应（Hall-effect） 在与磁场垂直的N型半导体薄片上通以电流I，假设载流子为电子，它沿与电流I相反的方向运动。由于洛仑兹力fL的作用，电子将向一侧偏转，并使该侧形成电子的积累。 8.1 霍尔效应（Hall-effect） 8.2 霍尔系数和灵敏度 1、霍尔系数RH (1)定义： (2)含义： 大小反映出霍尔效应的强弱 (3)作用：材料选择 由电阻率公式 ，得 结论： 1)一般电子的迁移率大于空穴的迁移率，因此制作霍尔元件时多采用N型半导体材料； 2)由于金属的电子浓度很高，所以它的霍尔系数或灵敏度都很小，因此不适宜制作霍尔元件。 8.2 霍尔系数和灵敏度 2、灵敏度 (1)定义： (2)含义：表示霍尔元件在单位磁感应强度和单位控制电流作用下霍尔电势的大小，其单位是 (3)作用：元件的厚度d越小，灵敏度越高，因而制作霍尔片时可采取减小d的方法来增加灵敏度，但是不能认为d越小越好，因为这会导致元件的输入和输出电阻增加。 8.3 材料及结构特点 1、霍尔片材料 (1)N型锗(Ge):锗元件的输出虽小，但它的温度性能和线性度却比较好； (2)锑化铟(InSb):锑化铟元件的霍尔输出电势较大，但受温度的影响也大； (3)砷化铟(InAs):砷化铟元件输出电势小，受温度影响小，线性度较好。 2、霍尔元件结构 由霍尔片、引线和壳体组成的一块矩形半导体薄片。 在短边的两个端面上焊出两根控制电流端引线，在长边中点以点焊形式焊出两根霍尔电势输出端引线，焊点要求接触电阻小。霍尔片一般用非磁性金属、陶瓷或环氧树脂封装。 8.3 材料及结构特点 8.3 材料及结构特点 8.4 基本电路形式 8.5 电磁特性 1、UH-I 特性 当磁场恒定时，在一定温度下测定控制电流I与霍尔电势UH，可以得到良好的线性关系。 8.5 电磁特性 2、UH-B 特性 当控制电流保持不变时，元件的开路霍尔输出随磁场的增加不完全呈线性关系，而有非线性偏离。 8.6 误差分析及其补偿方法 1、元件几何尺寸及电极焊点的大小对性能的影响 在霍尔电势的表达式中，是将霍尔片的长度L看做无限大来考虑的。实际上，霍尔片具有一定的长宽比L/b，存在着霍尔电场被控制电流极短路的影响，因此应在霍尔电势的表达式中增加一项与元件几何尺寸有关的系数。霍尔电势表达式可写成如下形式。 8.6 误差分析及其补偿方法 霍尔电极的大小对霍尔电势的输出也存在一定影响。按理想元件的要求，控制电流的电极应与霍尔元件是良好的面接触，而霍尔电极与霍尔元件为点接触。实际上霍尔电极有一定的宽度l，它对元件的灵敏度和线性度有较大的影响。研究表明,当l/L0.1时，电极宽度的影响可忽略不计。 8.6 误差分析及其补偿方法 2、不等位电势U0及其补偿 由于制作霍尔元件时，不可能保证将霍尔电极焊在同一等位面上，因此当控制电流I流过元件时，即使磁感应强度等于零，在霍尔电势极上仍有电势存在，该电势称为不等位电势U0 。 8.6 误差分析及其补偿方法 补偿方法：1）内部方法——机械修磨或化学腐蚀； 2）外部方法——采用补偿网络进行补偿。 8.6 误差分析及其补偿方法 3、寄生直流电动势 由于霍尔元件的电极不可能做到完全的欧姆接触，在控制电流极和霍尔电极上都可能出现整流效应。因此，当元件在不加磁场的情况下通入交流控制电流时，它的输出除了交流不等位电势外，还有一直流分量，这个直流分量被称为寄生直流电势。其大小与工作电流有关，随着工作电流的减小，直流电势将迅速减小。 产生寄生直流电势的原因，除上面所说的因控制电流极和霍尔电势极的欧姆接触不良造成整流效应外，霍尔电势极的焊点大小不同，导致两焊点的热容量不同而产生温差效应，也是形成直流附加电势的一个原因。 寄生直流电势很容易导致输出产生漂移，为了减小其影响，在元件的制作和安装时应尽量改善电极的欧姆接触性能和元件的散热条件。 8.6 误差分析及其补偿方法 4、感应电势 霍尔元件在交变磁场中工作时，即使不加控制电流，由于霍尔电势的引线布局不合理，在输出回路中也会产生附加感应电势，其大小不仅