传感器原理与应用_6_磁敏传感器.ppt

非接触式键盘开关 非重点 霍尔式汽车无触点点火装置 非重点 霍尔接近开关 非重点 5.2 霍尔传感器 Part.5 霍尔传感器实例电路分析 霍尔传感器 霍尔传感器是基于霍尔效应的一种传感器，是把磁学物理量转换成电信号的磁敏传感器。 发展历程 1879年，美国物理学家霍尔首先在金属材料中发现了霍尔效应，但由于金属材料的霍尔效应太弱而没有得到应用。 随着半导体技术的发展，开始使用半导体材料制成霍尔元件，由于它的霍尔效应显著而得到广泛应用和发展。 优点： 结构简单，体积小，坚固， 频率响应宽（从直流到微波），动态范围大（输出电动势变化）, 非接触、使用寿命长、可靠性高、易于微型化和集成化。 缺点： 转换率较低、温度影响大、要求转换精度较高时需要进行温度补偿。 霍尔效应 金属或半导体薄片置于磁感应强度为B的磁场中（若磁场垂直于薄片），当有电流I流经时（若I与B正交），在垂直于电流I和磁场B的方向上将产生电动势UH，这种物理现象称为霍尔效应。 把一个长度为L，宽度为b，厚度为d的导体或半导体薄片两端通以控制电流I，在薄片的垂直方向上施加磁感强度为B的磁场，在薄片的另外两侧将会产生一个与控制电流I和磁场强度B的乘积成比例的感应电动势UH。 左手 定律 并设其正电荷所受洛伦茨力方向为正，则电子所受的洛伦兹力可表示为： 霍尔电场作用于电子的力fE可表示为： 当达到动平衡后，二力的代数和为零 e: 电子电量 v: 运动速度 B: 磁场强度 -EH表示电场方向与规定正方向相反 （单位V/m） 对于n型半导体，电流强度I可以表示为： 进而得到： 可以推出： j表示电流密度（A/m2） n表示单位体积内的电子数， 负号表示电子运动方向与电流方向相反。 s表示霍尔元件的截面积（m2） d表示霍尔元件的厚度（m） 霍尔电动势UH与 控制电流I和磁场强度B的乘积成比例 霍尔系数 设 ，将相应公式改写为： 设 ，将相应公式改写为： RH称为霍尔系数，其大小反映出霍尔效应的强弱。 设 ，将相应公式改写为： 考虑电阻率的表达式为： ，可以得到： ρ表示材料的电阻率（Ω?m） μ表示载流子的迁移率（m2/s?V） 即单位电场作用下载流子的运动速度 一般情况下，电子的迁移率要大于空穴的迁移率， 因此制成霍尔元件时多采用N型半导体材料。 灵敏度 KH称为元件的灵敏度，它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，单位是（mV/mA?T） 关于灵敏度的理解 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，因此不适于制作霍尔元件。 元件的厚度d越小，灵敏度越高，因此制作霍尔片时可以采用减小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。 磁场与霍尔元件平面呈现夹角 当磁感应强度B和霍尔片平面法线n成角度θ时，此时实际作用于霍尔片的有效磁场使其法线方向的分量，即B?cosθ，其霍尔电势为： 分析交变的电场 使用控制电压代替控制电流 电阻率公式 5.2 霍尔传感器 Part.2 霍尔敏感元件 霍尔元件的结构 霍尔元件外形为矩形薄片，有四根引线，两端加激励电流，称为激励电极。另外两端为输出引线，称为霍尔电极，外面用陶瓷或环氧树脂封装。 霍尔元件的主要特性参数 输入电阻Ri和输出电阻Ro 定义霍尔元件激励电极之间的电阻称为输入电阻Ri。 霍尔元件的霍尔电极输出的是霍尔电势，对外它是一个等效的电压源，这就需要知道霍尔电极之间的电阻，这个电阻称为输出电阻Ro。 额定控制电流IN和最大允许控制电流Imax 霍尔元件在空气中产生10℃的温升时，所施加的控制电流称为额定控制电流IN。 以元件允许的最大温升为限制，所对应的控制电流称为最大允许控制电流Imax。 非重点 不等位电势U0和不等位电阻r0 霍尔电势温度系数α 在一定磁感应强度和激励电流下，温度每变化1℃时，霍尔电势变化的百分率，称为霍尔电势温度系数α。 霍尔灵敏系数KH 在单位控制电流和单位磁感应强度作用下，霍尔器件输出端的开路电压，称为霍尔灵敏系数KH，霍尔灵敏系数KH的单位为V/(A·T)。 它反映了霍尔元件本身所具有的磁电转换能力，一般希望他越大越好。 霍尔元件的主要特性参数 -- 续 非重点 霍尔传感器的测量电路 基本测量电路 控制电流I由电压源E供给。 R是调节电阻，用以根据需求调节I的大小。 霍尔电势输出的负载电阻RL，可以是放大器的输入电阻或表头的内阻等。 施加的外磁场B一般与霍尔元件的平面垂直。 控制电流可以是交流。 由于建立霍尔效应所需