检测与转换技术 教学课件 ppt 作者 郑骊 主编 霍平 主审第8章 霍尔传感器.ppt

第8章 霍尔传感器 8.1霍尔元件 8.1.1基本结构 8.1.2霍尔效应 8.1.3主要技术参数 8.2 霍尔元件的使用 8.2.1 霍尔元件的连接 8.2.2霍尔元件的常用电路 8.2.3 霍尔元件的测量误差及其补偿 8.3霍尔传感器的常见型号 8.4霍尔传感器的应用 8.1　霍尔元件 8.1.1 基本结构 霍尔元件是将一种半导体四端薄片（霍尔片），做成正方形，在薄片上焊有两对电极引出线，然后采用非导磁金属或陶瓷或环氧树脂封装制成的。 8.1.2 霍尔效应 如图8-2所示的一块N型半导体薄片，其长度为L，宽度为l，厚度为d。在垂直于该半导体薄片平面的上方，施加磁感应强度为B的磁场，在半导体薄片相对的两边通以控制电流I，当N型半导体中的载流子（电子）沿着电流I相反地方向运动时，受到洛仑兹力FL的作用，使电子偏向一端，产生负电荷的积聚，而另一端面则为正电荷积聚，产生了静电场，即霍尔电场。 8.1.3 主要技术参数 1．额定功耗P0 霍尔元件在环境温度T=25℃时，允许通过霍尔元件的电流I和电压E的乘积，分最小、典型、最大三档，单位为mW。当供给霍尔元件的电压确定后，根据额定功耗可以知道额定控制电流I，因此有些产品提供控制电流，则不给出额定功耗P0。 2．输入电阻Ri 霍尔元件两控制电流端的直流电阻称为输入电阻Ri 。它的数值从几十欧到几百欧，视不同型号的元件而定。温度升高，输入电阻变小，从而使输入控制电流I变大，最终引起霍尔电动势变大。为了减小这种影响，最好采用恒流源作为激励源。 3．输出电阻R0 两个霍尔电势输出端之间的电阻称为输出电阻R0，它的数值与输入电阻为同一数量级。它也随温度改变而改变。选择适当的负载电阻RL与之匹配，可以使由温度引起的霍尔电动势的漂移减至最小。 4．不等位电动势U0 在额定控制电流下，当外加磁场为零时，霍尔元件输出端之间的开路电压称为不等位电动势U0，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动势引起的误差。 5．灵敏度KH 霍尔元件在单位磁感应强度和单位控制电流作用下的空载霍尔电势值，称为霍尔元件的灵敏度KH。 6．霍尔电动势温度系数α 在一定磁场强度和控制电流的作用下，温度每变化1℃时霍尔电动势变化的百分数称为霍尔电动势温度系数，它与霍尔元件的材料有关，一般约为0.1%／℃，在要求较高的场合下，应选择低温漂的霍尔元件。 7．最大控制电流Im 由于霍尔电势随控制电流增大而增大，故在应用中总希望选用较大的控制电流。但控制电流增大，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，因此每种型号的元件均规定了相应的最大控制电流Im，它的数值从几毫安至几十毫安。 8.２ 霍尔元件的使用 8.2.1 霍尔元件的连接 为了得到较大的霍尔电压输出，可以把几个霍尔元件输出串联起来，但是控制电流必须并联，如图8-3（a）所示，不能接成图8-3（b）那样，因为控制电流串联起来将有大部分控制电流被相连的霍尔电势输出端短接，使霍尔元件不能正常工作。 当元件的控制电流采用交流时，还可采用图8-4的方式增加霍尔输出电势和输出功率，此时霍尔元件的控制电流端串联，而各元件的输出分别接至输出变压器的各初级，变压器的次级获得霍尔输出信号的叠加。若输出信号小，则可用差分放大器放大，如图8-5所示。 8.2.2霍尔元件的常用电路 1．霍尔元件的基本测量电路 霍尔元件的基本测量电路如图8-6所示。 2．霍尔电势的输出电路 霍尔元件是一种四端器件，本身不带放大器，且霍尔电势一般在毫伏量级。因此，在实际使用时必须加差分放大器。霍尔元件大体分为线性测量和开关状态两种使用方式，因此，输出电路有如图8-7所示两种结构。 3．霍尔集成元件 霍尔集成元件是将霍尔元件和放大器等集成在一块芯片上，可分为线性和开关型两大类，有三端T形单端输出和八脚双列直插型双端输出两种结构。 8.2.3 霍尔元件的测量误差及其补偿 1．零位误差及补偿方法 零位误差是霍尔元件在不加控制电流或不加外磁场时，而出现的霍尔电势称为零位误差。由制造霍尔元件的工艺问题造成的不等位电势是主要的零位误差，因为在工艺上难以保证霍尔元件两侧的电极焊接在同一等电位面上，如图8-10所示，当控制电流I流过时，即使未加外磁场，A、B两电极此时仍存在电位差，此电位差被称为不等位电势U0。 为了减小或消除不等位电势，可以采用电桥平衡原理补偿。 几种补偿线路如图8-11所示。图（a）、（b）为常见的补偿电路，图（b）、（c）相当于在等效电桥的两个桥臂上同时并联电阻，图（d）用于交流供电的情况。 2．温度误差及其补偿 由于半导体材料的电阻率、迁移率和载流子浓度等都随温度变化而变化，因此，会导致霍尔元件的内阻