傳感器與檢測技術(shù)第二版陳潔黃鴻第九章霍爾傳感器

1、5.15.1磁電感應(yīng)式傳感器磁電感應(yīng)式傳感器5.25.2霍爾式傳感器霍爾式傳感器5.35.3磁敏式傳感器磁敏式傳感器主要內(nèi)容主要內(nèi)容 磁電式傳感器是通過磁電作用將磁電式傳感器是通過磁電作用將被測量被測量（如：（如：振動、位移、轉(zhuǎn)速）振動、位移、轉(zhuǎn)速）轉(zhuǎn)換成電信號轉(zhuǎn)換成電信號的一種傳感器。的一種傳感器。常用的有磁電感應(yīng)式傳感器、霍爾式傳感器。磁電常用的有磁電感應(yīng)式傳感器、霍爾式傳感器。磁電感應(yīng)式傳感器是利用感應(yīng)式傳感器是利用導(dǎo)體和磁場發(fā)生相對運(yùn)動產(chǎn)生導(dǎo)體和磁場發(fā)生相對運(yùn)動產(chǎn)生感應(yīng)電動勢感應(yīng)電動勢；霍爾式傳感器是載流半導(dǎo)體在磁場中；霍爾式傳感器是載流半導(dǎo)體在磁場中有電磁效應(yīng)而輸出電動勢。是典型的有

2、電磁效應(yīng)而輸出電動勢。是典型的有源傳感器有源傳感器。 磁電式傳感器機(jī)械能機(jī)械能電電 量量磁敏傳感器磁學(xué)量磁學(xué)量電信號電信號磁敏傳感器是對磁場參量磁敏傳感器是對磁場參量(B,(B,等等) )敏感的元器件或敏感的元器件或裝置裝置 , ,具有把磁學(xué)物理量轉(zhuǎn)換為電信號的功能，基于具有把磁學(xué)物理量轉(zhuǎn)換為電信號的功能，基于磁電轉(zhuǎn)換原理的傳感器。主要有磁敏電阻、磁敏二極磁電轉(zhuǎn)換原理的傳感器。主要有磁敏電阻、磁敏二極管、磁敏三極管和霍爾式磁敏傳感器管、磁敏三極管和霍爾式磁敏傳感器隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，磁敏傳感器正向薄膜化，隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，磁敏傳感器正向薄膜化， 微型化和集成化方向發(fā)展。微型化和集成化方向

3、發(fā)展。 霍爾傳感器就是基于霍爾效應(yīng)，把一個(gè)導(dǎo)體霍爾傳感器就是基于霍爾效應(yīng)，把一個(gè)導(dǎo)體（半導(dǎo)體薄片）（半導(dǎo)體薄片）兩端通以控制電流兩端通以控制電流I I，在薄片垂直，在薄片垂直方向方向施加磁感強(qiáng)度施加磁感強(qiáng)度B B的磁場的磁場，在薄片的另外兩側(cè)會，在薄片的另外兩側(cè)會產(chǎn)生一個(gè)與控制電流產(chǎn)生一個(gè)與控制電流I I和磁場強(qiáng)度和磁場強(qiáng)度B B的乘積成比例的乘積成比例的電動勢的電動勢 。 通電的導(dǎo)體（半導(dǎo)體）放在磁場中，電流通電的導(dǎo)體（半導(dǎo)體）放在磁場中，電流I I與與磁場磁場B B方向垂直，在導(dǎo)體另外兩側(cè)會產(chǎn)生感應(yīng)電動方向垂直，在導(dǎo)體另外兩側(cè)會產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，這種現(xiàn)象稱勢，這種現(xiàn)象稱霍爾效應(yīng)霍爾效應(yīng)。 H

4、U 在磁場中導(dǎo)體自由電子在磁場的作用下做定向運(yùn)動。在磁場中導(dǎo)體自由電子在磁場的作用下做定向運(yùn)動。 每個(gè)電子受洛侖茲力作用被推向?qū)w的另一側(cè)：每個(gè)電子受洛侖茲力作用被推向?qū)w的另一側(cè)： LFe BHHUEb霍爾電場霍爾電場HHFeE霍爾電場作用于電子的力霍爾電場作用于電子的力 當(dāng)兩作用力相等時(shí)電荷不再向兩邊積累，當(dāng)兩作用力相等時(shí)電荷不再向兩邊積累，達(dá)到動達(dá)到動態(tài)平衡：態(tài)平衡：HLFFHeEe BIne bd 通過（半）導(dǎo)體薄片的電流通過（半）導(dǎo)體薄片的電流I I與載流子濃度與載流子濃度n n， 電子運(yùn)動速度電子運(yùn)動速度v v，薄片橫截面積，薄片橫截面積 b b* *d d 有關(guān)：有關(guān)： HUBb

5、霍爾電勢：霍爾電勢：HHUEbnevdIb霍爾電勢：霍爾電勢： 霍爾常數(shù)霍爾常數(shù) 與材料有關(guān)與材料有關(guān) 霍爾靈敏度霍爾靈敏度 與薄片尺寸有關(guān)與薄片尺寸有關(guān)HHHI BI BUB bRKI Bn e dd1HRn e HHRKd討論：霍爾電勢與哪些因素有關(guān)討論：霍爾電勢與哪些因素有關(guān)？ 絕緣材料電阻率很大，絕緣材料電阻率很大，電子遷移率很小電子遷移率很小，不適用；，不適用； 金屬材料電子濃度很高，金屬材料電子濃度很高，RH很小，很小，UH很小。很小。 討論：討論： 任何材料在一定條件下都能產(chǎn)生霍爾電勢，但不是都可以制任何材料在一定條件下都能產(chǎn)生霍爾電勢，但不是都可以制造霍爾元件造霍爾元件 半導(dǎo)體

6、半導(dǎo)體電子遷移率一般大于空穴的遷移率，所以霍爾元件多電子遷移率一般大于空穴的遷移率，所以霍爾元件多采用采用N N型半導(dǎo)體（多電子）。型半導(dǎo)體（多電子）。 v由上式可見，厚度由上式可見，厚度d d越小，霍爾靈敏度越小，霍爾靈敏度 KH KH 越大，所以霍爾元越大，所以霍爾元件做的件做的較薄較薄，通常近似，通常近似1 1微米。微米。HHRKd 霍爾晶體外形矩形薄片霍爾晶體外形矩形薄片有四根引線有四根引線， 兩端加激勵(lì)兩端為輸出；兩端加激勵(lì)兩端為輸出； 電源電源E E，控制電流，控制電流I I； 負(fù)載負(fù)載RLRL，R R可調(diào)保證控制電流，可調(diào)保證控制電流， B B磁場與元件面垂直（向里）。磁場與元件

7、面垂直（向里）。 實(shí)測中可把實(shí)測中可把I I* *B B作輸入，作輸入， 也可把也可把I I或或B B單獨(dú)做輸入。單獨(dú)做輸入。 通過霍爾電勢輸出測量結(jié)果。通過霍爾電勢輸出測量結(jié)果。 輸出輸出UoUo與與I I或或B B成正比關(guān)系成正比關(guān)系。1 1） 額定激勵(lì)電流和最大允許激勵(lì)電流額定激勵(lì)電流和最大允許激勵(lì)電流 當(dāng)霍爾元件自身溫升當(dāng)霍爾元件自身溫升1010時(shí)所流過的激勵(lì)電流稱為額時(shí)所流過的激勵(lì)電流稱為額定激勵(lì)電流。定激勵(lì)電流。 以元件允許最大溫升為限制所對應(yīng)的激勵(lì)電以元件允許最大溫升為限制所對應(yīng)的激勵(lì)電流稱為最大允許激勵(lì)電流。流稱為最大允許激勵(lì)電流。 2 2） 輸入電阻和輸出電阻輸入電阻和輸出電

8、阻 激勵(lì)電極間的電阻值稱為輸入電阻?；魻栯姌O輸出電激勵(lì)電極間的電阻值稱為輸入電阻?；魻栯姌O輸出電勢對外電路來說相當(dāng)于一個(gè)電壓源勢對外電路來說相當(dāng)于一個(gè)電壓源, , 其電源內(nèi)阻即為輸出其電源內(nèi)阻即為輸出電阻。以上電阻值是在磁感應(yīng)強(qiáng)度為零且環(huán)境溫度在電阻。以上電阻值是在磁感應(yīng)強(qiáng)度為零且環(huán)境溫度在202055時(shí)確定的。時(shí)確定的。 3 3） 不等位電勢和不等位電阻不等位電勢和不等位電阻 當(dāng)霍爾元件的激勵(lì)電流為當(dāng)霍爾元件的激勵(lì)電流為I I時(shí)時(shí), , 若元件所處位置磁感應(yīng)強(qiáng)若元件所處位置磁感應(yīng)強(qiáng)度為零度為零, , 則它的霍爾電勢應(yīng)該為零則它的霍爾電勢應(yīng)該為零, , 但實(shí)際不為零。但實(shí)際不為零。 這時(shí)測這時(shí)

9、測得的空載霍爾電勢稱不等位電勢。得的空載霍爾電勢稱不等位電勢。 不等位電勢也可用不等位不等位電勢也可用不等位電阻表示電阻表示 HIUr00 4 4） 寄生直流電勢寄生直流電勢 在外加磁場為零在外加磁場為零, , 霍爾元件用交流激勵(lì)時(shí)霍爾元件用交流激勵(lì)時(shí), , 霍爾電極輸霍爾電極輸出除了交流不等位電勢外出除了交流不等位電勢外, , 還有一直流電勢還有一直流電勢, , 稱稱寄生直流電寄生直流電勢。勢。 5 5） 霍爾電勢溫度系數(shù)霍爾電勢溫度系數(shù) 在一定磁感應(yīng)強(qiáng)度和激勵(lì)電流下在一定磁感應(yīng)強(qiáng)度和激勵(lì)電流下, , 溫度每變化溫度每變化11時(shí)時(shí), , 霍爾電勢變化的百分率稱霍爾電勢溫度系數(shù)。它同時(shí)也是霍霍爾電勢變化的百分率稱霍爾電勢溫度系數(shù)。它同時(shí)也是霍爾系數(shù)的溫度系數(shù)。爾系數(shù)的溫度系數(shù)。 當(dāng)霍爾元件通以激勵(lì)電流當(dāng)霍爾元件通以激勵(lì)電流I I時(shí)，若磁場時(shí)，若磁場B=0B=0，理論上霍爾電勢，理論上霍爾電勢U UH H=0,=0,但實(shí)際但實(shí)際U UH H不等于不等于0 0，這時(shí)測得的空載電勢稱，這時(shí)測得的空載電勢稱不等位電勢不等位電勢U U0 0。 產(chǎn)生的原因：產(chǎn)生的原因：霍爾引出電極安裝不對稱霍爾引出電極安裝不對稱半導(dǎo)體材料不均勻半導(dǎo)體材料不均勻霍爾傳感器位移測量原理霍爾傳感器位移測量原理 n 2. 霍爾式轉(zhuǎn)速傳感器霍爾式轉(zhuǎn)速傳