《传感器与检测技术》课件-3.3霍尔传感器

《传感器与检测技术》霍尔式传感器霍尔式传感器Co

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01霍尔效应02霍尔元件03霍尔式传感器的应用01SENSORSANDAUTOMATICDETECTIONTECHNOLOGY霍尔效应一、霍尔效应

导体或半导体中流过电流时，没有磁场的影响，则正电荷载流子能平稳地流过，此时输出端的电压为零。当在半导体加入与电流方向垂直的磁场时，如图1所示，电荷载流子会由于洛伦兹力的作用而偏向—侧，在半导体内侧方向积聚大量的电子，而外侧积聚大量的正电荷，在两个侧面间形成了霍尔电场，在输出端产生的电压为霍尔电压。图1霍尔效应原理图一、霍尔效应

金属或半导体薄片在磁场中，当有电流流过时，在垂直于电流和磁场的方向上将产生电动势，这种物理现象称为霍尔效应。该电势称为霍尔电势。该电场强度为（式1）

式中：UH——霍尔电势差；b为霍尔片宽度洛仑兹力：fＬ＝qvB

（式2）电场力：FＥ＝qEＨ＝qUＨ／b（式3）

一、霍尔效应

该电场的电场力FＥ又阻碍电子的偏移，当电场力与洛伦兹力相等时，即

qEＨ＝qvB（式4）

则

UＨ＝vBb（式5）

若金属或半导体薄片单位体积内电子数为n，则电流I=nqvbd，式中d为霍尔片厚度可得：

UＨ＝IB/nqd＝KＨIB（式6）式中，ＫＨ为霍尔元件的灵敏度，KＨ＝UＨ/IB＝1/nqd02SENSORSANDAUTOMATICDETECTIONTECHNOLOGY霍尔元件二、霍尔元件1.

霍尔元件的材质

霍尔元件常用锗、硅、砷化镓、砷化铟及锑化铟等半导体材料制成。锑化铟产生的霍尔电势较大，但受温度的影响大；锗及砷化铟受温度影响小，线性好，但霍尔电势小；砷化镓温度特性好，但价格贵。

图2霍尔传感器的外形图二、霍尔元件2.霍尔元件的结构

其外形结构如图3所示，由霍尔片、四根引线和壳体组成，其中1.2电极用于控制电流，常用红色线，另—对3.4电极用于引出霍尔电势，常用黄色线或绿色线。在基片外面用金属或陶瓷、环氧树脂等封装作为外壳。

(a)

(b)a.外形结构图

b.图形符号

1.2.激励电极；

3.4.霍尔电极

图3霍尔元件二、霍尔元件3.霍尔元件的基本特性

(1)输入电阻Ri：霍尔元件的两个激励电极间的电阻值称为输入电阻。

(2)输出电阻RO：两个霍尔电势输出端之间的电阻称为输出电阻。

(3)额定激励电流Ic：当霍尔元件自身温升10℃时所流过的激励电流称为额定激励电流。

(4)不等位电势UO：当霍尔元件的激励电流为Ic时，若元件所处位置磁感应强度为零，则它的霍尔电势应该为零，但实际不为零，这时测得的空载霍尔电势称不等位电势，不等位电势UO与激励电流的比值成为不等为电阻RO。二、霍尔元件3.霍尔元件的基本特性

如图4所示，产生不等位电势的原因有以下几方面：

a.存在电极的安装位置不对称；

b.半导体材料电阻率不均衡或几何尺寸不均匀；

c.激励电极接触不良造成激励电流不均匀分布等。图4不等位电阻二、霍尔元件

3.霍尔元件的基本特性(5)灵敏度KH：在单位控制电流和单位磁感应强度下，霍尔电势输出端开路时的电势值，其单位为(V/AT)，它反映了霍尔元件本身所具有的磁电转换能力，一般希望它越大越好。

(6)寄生直流电势Ug：在不加外磁场时，交流控制电流通过霍尔元件而在霍尔电极间产生的直流电势为寄生直流电势。(7)霍尔电动势的温度系数α：在一定磁场强度和控制电流作用下，温度每变化1℃，霍尔电动势变化的百分数称为霍尔电动势温度系数，与霍尔材料无关。

(8)电阻温度系数β：电阻温度每变化1℃，霍尔元件材料的电阻变化率。

(9)霍尔系数（又称霍尔常数）：它表示霍尔效应的强弱。03SENSORSANDAUTOMATICDETECTIONTECHNOLOGY霍尔式传感器的应用三、霍尔式传感器的应用1.霍尔传感器测量转速

将磁铁装在转盘上，转盘随被测轴转动，霍尔元件固定在转盘附近，如图5所示。当磁铁随转盘旋转通过霍尔元件时，霍尔元件输出脉冲信号，只要检测出单位时间的脉冲数，就测出了转速。1.输入轴；2.转盘；3.磁铁；4.霍尔传感器图5霍尔式转速传感器的结构三、霍尔式传感器的应用2.霍尔传感器测量位移

图6(a）中磁场强度相同的两块永久磁铁同极性相对地放置，霍尔元件处于两块磁铁中间。由于磁铁中间的磁感应强度B=0，由此霍尔元件的输出电压U也等于零，这时位移Δx=0。若霍尔元件在两磁铁中间产生相对位移，霍尔元件感受到的磁感应强度也随之改变，这时有输出U，其量值大小反映出霍尔元件与磁铁之间相对位置的变化量。这种结构的传感器，其动态范围可达5mm，当位移小于2mm时，输出霍尔电压与位移之间有良好的线性关系。

(a)(b)（c)(a)磁场强度相同的传感器(b)简单的位移传感器(c)结构相同的位移传感器图6霍尔式位移传感器的工作原理图三、霍尔式传感器的应用2.霍尔传感器测量位移

图6（b）所示的是一种结构简单的霍尔位移传感器，是由一块永久磁铁组成磁路的传感器，在霍尔元件处于初始位置Δx=0时，霍尔电压不等于零。

(a)(b)（c)(a)磁场强度相同的传感器(b)简单的位移传感器(c)结构相同的位移传感器图6霍尔式位移传感器的工作原理图三、霍尔式传感器的应用

7.2.2霍尔传感器测量位移图6（c）所示的是一个由两个结构相同的磁路组成的霍尔式位移传感器，为了获得较好的线性分布，在磁极端面装有极靴，霍尔元件调整好初始位置时，可以使霍尔电压等于零。这种传感器灵敏度很高，但它所能检测的位移量较小，适