《霍尔传感器上》PPT课件.ppt

霍尔传感器 一 霍尔效应 一 霍尔效应的定性分析 分析一块长方形N型半导体内的电子在电场和磁场共同作用下的规律 设全部电子以平均速度运动 并不考虑电子的热运动 由物理学知 带电质点在磁场中沿和磁力线垂直的方向运动时 都要受到磁场力亦即洛伦兹力Fm的作用 Fm e0vB式中 e0 带电粒子的电荷 e0 1 602 10 19CB 磁感应强度 T v 电子运动速度 m s 二 霍尔效应的定量分析 将霍尔元件 板厚d一般远小于板宽b和板长的霍尔板 置于一磁场中 在板长方向通以控制电流I时 板的侧向 宽度方向 会产生电势差 称为霍尔电压 在洛伦兹力Fm的作用下 电子向板的一方偏转 形成一个电场E 该电场E又在电子上产生一个反作用力Fe Fe e0E a 霍尔元件构造 当反作用力Fe与洛伦兹力Fm相等时 电子积累达到动态平衡 则霍尔电场强度 E vB 由此在宽度为b的霍尔板上产生电位差U 霍尔发电机 为 U Eb bvB 式中 为霍尔系数 它是由载流体材料物理性质决定的一个常数 反映了霍尔效应的强弱程度 若霍尔板单位体积内电子数为n 电子定向运动的平均速度为v 则控制电流I为 I ne0dbv 电子定向运动的平均速度为v v I ne0db 霍尔电场强度 E BI ne0db 霍尔电势为 霍尔系数 当霍尔元件的材料和几何尺寸确定后 霍尔电势与控制电流和磁感应强度成正比 值得一提的是 上述推导是建立在磁感应强度B与霍尔板平面相垂直的前提下的 若磁感应强度B与霍尔板平面的法线成 角时 霍尔元件输出的霍尔电势为 霍尔电势的灵敏度与霍尔常数RH成正比而与霍尔片厚度成反比 式中 KH RH d称为霍尔元件的灵敏度 它表示在单位控制电流和单位磁感应强度下霍尔元件输出的霍尔电势值 d越小 即元件越薄 灵敏度越高 故在制作霍尔元件时 尽可能作的薄些 但并不是越薄越好 过薄 输入 输出阻抗加大 引起元件的功耗过大 一般d 0 2mm 根据材料的电导率式中 电子迁移率 v Ev 电子移动的平均速度 RH 三 对霍尔片材料的要求希望霍尔片材料有较大的霍尔常数 若要霍尔效应强 则霍尔系数RH值大 由上式可知 霍尔片材料需有较大的电阻率和载流子迁移率 一般金属材料载流子迁移率很高 但电阻率很小 而绝缘材料电阻率极高 但载流子迁移率极低 故只有半导体材料适于制造霍尔片 霍尔系数 目前常用的霍尔元件材料有 锗 硅 砷化铟 锑化铟等半导体材料 一般地 在高精度测量中 大多采用锗和砷化铟元件 作为一般敏感元件时 采用锑化铟元件 长L 宽b时 载流子在偏转中因纵向行程远大于横向行程而基本没有损失 此时前述推导的霍尔电势表达式成立 若宽度加大 或长宽比减小 载流子在偏转中损失加大 输出的霍尔电势将降低 其霍尔输出公式则需要加以修正 霍尔片 一块矩形半导体薄片 在长边的两个端面上焊上两根控制电流端引线 见图中1 1 元件短边的中间以点的形式焊上两霍尔输出端引线 见图中2 2 在焊接处要求接触电阻小 而且呈纯电阻性质 欧姆接触 四 霍尔元件 霍尔片所用半导体薄片的几何形状对输出霍尔电势的影响 霍尔元件的结构由霍尔片 引线和壳体组成如图所示 霍尔片一般用非磁性金属 陶瓷或环氧树脂封装 1 当控制电流不变时由于传感器的输出正比于磁感应强度 因此可测量转换为磁感应强度变化的量 如对位移 角度 转速和加速度等进行测量 二 霍尔式传感器的应用 由于霍尔元件具有体积小 重量轻 灵敏度高 可靠性良好以及寿命长等优点 霍尔传感器获得了广泛的应用 2 磁场不变时传感器输出值正比于控制电流值 因此凡能转换为电流变化的量