傳感器及檢測(cè)技術(shù)（第四版）課件 21.霍爾傳感器原理

……………霍爾傳感器原理傳感器技術(shù)與應(yīng)用武漢職業(yè)技術(shù)學(xué)院

熊曉倩課程內(nèi)容CONTENTS霍爾效應(yīng)02霍爾傳感器分類03概述01一、概述霍爾傳感器

是根據(jù)霍爾效應(yīng)制作的一種磁場(chǎng)傳感器?；魻栃?yīng)是磁電效應(yīng)的一種。

1879年發(fā)現(xiàn)了霍爾效應(yīng)。

此前，霍普金斯大學(xué)著名教授羅蘭曾做了帶電旋轉(zhuǎn)盤的磁效應(yīng)實(shí)驗(yàn)，第一次揭示了運(yùn)動(dòng)電荷也能激發(fā)磁場(chǎng)。

值得注意的是，霍爾發(fā)現(xiàn)霍爾效應(yīng)時(shí)，電子尚未被發(fā)現(xiàn)。霍爾（A.H.Hall，1855—1938）二、霍爾效應(yīng)霍爾效應(yīng)

在一個(gè)磁場(chǎng)中放置一塊導(dǎo)體，在垂直于磁場(chǎng)的方向上施加一個(gè)電流時(shí)，載流的帶電粒子會(huì)在磁場(chǎng)力作用下發(fā)生偏轉(zhuǎn)，導(dǎo)體橫向兩側(cè)的電荷會(huì)重新分布，從而產(chǎn)生一個(gè)內(nèi)部的電場(chǎng)。這個(gè)現(xiàn)象便是霍爾效應(yīng)。

由此產(chǎn)生的導(dǎo)體兩端的電勢(shì)差通常稱為霍爾電壓（Hallvoltage）?；魻栃?yīng)使用左手定則判斷。二、霍爾效應(yīng)霍爾電場(chǎng)

將長(zhǎng)、寬、高分別為L(zhǎng)、W、H的半導(dǎo)體薄片，置于磁場(chǎng)B之下，兩端面a、b通以控制電流I時(shí)，薄片中電子運(yùn)動(dòng)速度與I的方向相反，在磁場(chǎng)作用下將受一個(gè)由c側(cè)指向d側(cè)方向的力的作用，電子運(yùn)動(dòng)因受該力的作用會(huì)使運(yùn)動(dòng)軌跡橫向偏移，按圖中虛線方向前進(jìn)，電子向d側(cè)偏轉(zhuǎn)，使該側(cè)面形成負(fù)電荷的積累,半導(dǎo)體片的一側(cè)(d側(cè))電子密集出現(xiàn)負(fù)電荷，另一側(cè)(c側(cè))電子稀疏呈現(xiàn)正電荷，兩側(cè)面之間形成電場(chǎng)EH，稱為霍爾電場(chǎng)。二、霍爾效應(yīng)

霍爾使電子運(yùn)動(dòng)軌跡橫向偏移的力是洛侖茲力fL，而霍爾電場(chǎng)建立之后又對(duì)電子施加電場(chǎng)力fE，電場(chǎng)力與洛侖茲力的方向相反，阻止電荷的積累，最終達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡。

這時(shí)fL=fE，而洛侖茲力為：

電場(chǎng)力為：

以上兩式中，e為電子電荷，UH為霍爾效應(yīng)產(chǎn)生的電壓，W為半導(dǎo)體片的寬度，當(dāng)兩力相等而方向相反時(shí)，可得：

若以n代表半導(dǎo)體內(nèi)單位體積中的載流子數(shù)則可得:二、霍爾效應(yīng)

式中H為半導(dǎo)體片的厚度，負(fù)號(hào)表示電流方向與電子運(yùn)動(dòng)方向相反。

根據(jù)上述兩式可得：

式中RH=1/（ne），RH為霍爾系數(shù)，其大小取決于導(dǎo)體載流子密度，它反映元件霍爾效應(yīng)的強(qiáng)弱；KH為霍爾靈敏度，KH=RH/H，與霍爾系數(shù)成正比，與霍爾元件厚度成反比。二、霍爾效應(yīng)

霍爾電壓隨磁場(chǎng)強(qiáng)度的變化而變化，磁場(chǎng)越強(qiáng)，電壓越高，磁場(chǎng)越弱，電壓越低?；魻栯妷褐岛苄?，通常只有幾個(gè)毫伏，但經(jīng)放大器放大，就能使該電壓放大到足以輸出較強(qiáng)的信號(hào)。二、霍爾效應(yīng)霍爾信號(hào)放大電路

若使霍爾集成電路起傳感作用，需要用機(jī)械的方法來(lái)改變磁場(chǎng)強(qiáng)度。

用一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)的葉輪作為控制磁通量的開(kāi)關(guān)，當(dāng)葉輪葉片處于磁鐵和霍爾集成電路之間的氣隙中時(shí)，磁場(chǎng)偏離集成片，霍爾電壓消失。這樣，霍爾集成電路的輸出電壓的變化，就能表示出葉輪驅(qū)動(dòng)軸的某一位置，利用這一工作原理，可將霍爾集成電路片用作點(diǎn)火傳感器。

霍爾效應(yīng)傳感器屬于被動(dòng)型傳感器，它要有外加電源才能工作，這一特點(diǎn)使它能檢測(cè)轉(zhuǎn)速低的運(yùn)轉(zhuǎn)情況。二、霍爾效應(yīng)二、霍爾效應(yīng)霍爾效應(yīng)半導(dǎo)體材料霍爾元件磁場(chǎng)敏感結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單體積小頻率響應(yīng)寬輸出電壓變化大使用壽命長(zhǎng)測(cè)量自動(dòng)化計(jì)算機(jī)信息技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域霍爾元件三、霍爾傳感器分類霍爾傳感器開(kāi)關(guān)性霍爾傳感器線型霍爾傳感器穩(wěn)壓器霍爾元件差分放大器斯密特觸發(fā)器輸出級(jí)霍爾元件線性放大器射級(jí)跟隨