霍尔传感器实验总结.docx

霍尔传感器实验总结 在各种传感技术中，最常用和最广泛的检测磁场的方法是霍尔效应法。基于霍尔效应，在各种应用中发现了许多霍尔效应传感器或换能器，它们最常用于感测接近度、速度、电流和位置。这是因为可以在集成电路上构建霍尔效应传感器，并在同一硅芯片上使用辅助信号处理电路。由于体积小、坚固耐用、易于使用和成本集成等优点，霍尔效应传感器是许多磁测量应用的首选。使用这些霍尔效应传感器的一些应用领域包括在工业控制中用作编码器、速度传感器和行程终点传感器；在计算机中用作磁盘驱动器索引传感器和无刷风扇的换向；在汽车中用作防抱死制动系统 （ABS） 和点火正时，在消费设备中用作运动器材等。关于霍尔效应理论霍尔效应是由Edwin Hall于1879年在约翰霍普金斯大学通过实验发现的。由于当时有仪器可用，由于实验的微妙性质，从材料获得的电压极低（以微伏为单位）。因此，在开发出合适的材料之前，在实验室之外不可能使用霍尔效应。半导体材料的发展为霍尔效应的实际应用制造了高质量的换能器。霍尔效应是指放置在磁场中的载流导体的相对边缘产生电压。当电流通过放置在磁场中的导体时，导体上会在垂直于磁场和电流的方向上产生电位差，其大小与电流和磁场成正比，这种现象被称为霍尔效应，它是许多磁场测量仪器和设备的基础。这里考虑一个简单的设置来说明如下所示的霍尔效应。导电材料或极板由电池供电，电流（I）流过它。电压表的一对探头连接到板的侧面，使得在没有磁场的情况下测量的电压为零。当向极板上施加磁场使其与电流成直角时，导体中的电流分布会出现一个小电压。该力作用在电流上并将电流聚集到导线或导体的一侧，从而在导体上产生电位差。如果磁场的极性反转，则感应电压也会反转穿过极板。这种现象就是霍尔效应。　 霍尔效应是基于外部磁场和移动电荷载流子之间的相互作用，通过磁场作用在移动电子上的侧向力为：F=qvB。其中B是磁通量密度，v是电子的速度，q是电子电荷。在上图中，正式由于其中磁场使电荷的运动偏转。将扁平导电条放置在磁场中，并将导电条的左右两侧的附加触点连接到电压表。导电条的下端和上端连接到电源，由于磁通量的存在，移动的电子在偏转力的作用下向带的右侧移动。这导致右侧比左侧更负，因此存在电位差。该电压称为霍尔电压，其大小和方向取决于电流和磁场的大小和方向。霍尔电压为计算公式为：VH=HIB sinα其中H是整体灵敏度系数，它取决于板材料、温度及其几何形状，α是磁场矢量和霍尔板之间的角度，I是电流密度。另外，整体灵敏度取决于霍尔系数，霍尔系数是每单位电流密度每单位磁场强度的横向电势梯度。因此，霍尔系数给出为：H = 1/Ncq、其中c是光速，N是每单位体积的电子数。霍尔效应传感器如果传感器使用霍尔效应来感知磁场的存在，这种传感器称为霍尔效应传感器。磁传感器的基本元件是霍尔元件，这些传感器通常封装在一个四端子外壳中，其中两个端子是控制端子，另外两个是差分输出端子。控制电流施加在控制端子上，而在差分输出端子观察输出。一个基本的霍尔效应传感器将磁场转换为电信号。磁系统将位置、速度、电流、温度等物理量转换为磁场，而磁场又可以由霍尔效应传感器感应。 霍尔效应传感器由硅材料制成，主要分为两种类型，即基本传感器和集成传感器。有源元件的霍尔系数和电流密度是制造霍尔效应传感器以产生高输出电压时要考虑的两个重要参数。因此，高霍尔系数和低电阻是霍尔元件的两个重要要求。用于制造这些传感器元件的一些材料包括InSb、Ge、InAs和GaAs。霍尔效应集成电路（IC）传感器该集成技术与霍尔效应原理相结合，产生霍尔效应IC开关。与光电或电感传感器相比，霍尔效应IC开关更有效、成本更低且效率更高。这种传感器是一个单一的集成电路芯片，上面内置了信号放大器、霍尔电压发生器和施密特触发电路等各种元件。这些IC可检测铁磁材料、永磁体或电磁体在施加偏磁的情况下的磁场强度变化。这些IC用于各种应用，例如对准控制、速度控制、点火系统、机械限位开关、机床、计算机、键盘、按钮、安全系统等。 霍尔效应IC采用各种配置的硅CMOS技术制造。上图显示了4引脚封装的霍尔效应传感器IC。在总共4个引脚中，有2个引脚连接到恒压源，另外两个连接到电压表。连接布置电路如下图所示。当没有磁场时，测得的薄板电压可以忽略不计。当磁场以磁通线与流过霍尔元件的电流成直角的方式施加在偏置霍尔效应传感器上时，霍尔IC的输出端会产生与大小成比例的电压到磁场强度。 主要类型霍尔效应传感器需要一个信号调理电路，以使其输出可用于许多其他应用。该信号条件电路进行放大、电压调节、温度补偿、线性等。目前主要有两种类型的霍尔效应传感器，即模拟霍尔效应传感器和双极性霍尔效应传感器。1、模拟霍尔效应传感器与基本霍尔传感器相比，模拟霍尔效应传感器在更宽的电压范围内工作，并且在嘈杂的环境中也很稳定。