石大机械工程测试技术讲义14霍尔传感器

霍尔传感器(讲稿)李江全石河子大学机电学院电气工程教研室目录一、霍尔效应二、霍尔元件1、材料2、组成3、符号4、电磁特性三、霍尔传感器1、组成2、特点3、应用补充问题1、半导体材料有哪些敏感特性？有哪些相应的元件？2、常见的半导体传感器有哪些？3、半导体传感器有哪些特点？应用于哪些方面？4、什么是霍尔元件的灵敏度？5、为什么霍尔元件常用型半导体制作？6、减小霍尔元件温度误差的措施有哪些？7、什么是霍尔元件的不等位电动势，寄生直流电动势，感应电动势？8、影响霍尔传感器性能的因素及造成误差的因素有哪些？9、什么是磁阻效应？基于磁阻效应的磁阻元件（磁阻效应传感器）可用于测量哪些参数？一、霍尔效应金属或半导体薄片，若在它的两端通过控制电流，并在薄片的垂直方向上施加磁感应强度为的磁场，那么在垂直于电流和磁场的方向上将产生电动势，这种现象称为霍尔效应。产生的电动势称为霍尔电动势或霍尔电势，该金属或半导体薄片称为霍尔元件。霍尔电势大小表示为：——霍尔常数（）——霍尔元件的厚度令，则：可见霍尔电动势的大小正比于控制电流和磁感应强度的乘积。霍尔效应的产生是由于运动电荷受磁场中洛仑磁力作用的结果。当控制电流的方向或磁场的方向改变时，输出电动势的方向也将改变；但当磁场与电流的方向同时改变时，霍尔电动势并不改变原来的方向。磁场的梯度越大测量的灵敏度越高，沿霍尔元件移动方向的磁场梯度越均匀，霍尔电势与位移的关系越接近线性。二、霍尔元件1、材料霍尔元件一般采用具有型的锗、锑化铟（InSb）和砷化铟等半导体单晶材料制成。锑化铟元件：输出较大，但受温度的影响也较大。锗元件：输出虽小，但它的温度性能和线性度却比较好。砷化铟元件：输出信号没有锑化铟元件大，但是受温度的影响比锑化铟的要小，而且线性度也较好，应用较广。在选用霍尔元件时，要根据具体应用场合和要求来选用不同材料的元件。例如：用于一般测量指示仪表中，大多采用锗和砷化铟元件；作为敏感元件时，一般采用锑化铟元件。2、组成霍尔元件是型半导体制成扁平长方形的磁敏元件，扁平的两对侧面面各引出一对电极，其中一对控制电流极（激励电极），用于引入控制电流（激励电流），另一对霍尔电动势极用于引出霍尔电势。这样，霍尔元件就由霍尔片、电极（引线）和壳体组成。3、符号在电路中，霍尔元件可用两种符号表示，如图所示：HH其型号是用代表霍尔元件，后面的字母代表元件的材料，数字代表产品序号。如：元件说明是用锗材料制成的霍尔元件。元件说明是用锑化铟材料制成的元件。元件说明是用砷化铟材料制成的霍尔元件。4、电磁特性霍尔元件的电磁特性包括控制电流（直流或交流）与输出之间的关系（特性）；霍尔输出（恒定或交变）与磁场之间的关系（特性）。由特性知：在磁场和环境温度一定时，霍尔输出电动势与控制电流之间呈线性关系。由特性知：当控制电流一定时，元件的开路霍尔输出随磁场的增加并不完全呈线性关系，只有当元件工作在以下时，线性度才比较好。三、霍尔传感器1、组成霍尔传感器基本上由两部分组成：一部分是弹性（敏感）元件。如弹簧管、膜盒等，用它来感受非电量，并把它转换成微位移。另一部分是霍尔元件和磁路系统。作用是将位移量转换成电势输出。2、特点1）结构简单、体积小、重量轻；2）频带响应宽、动态特性好；3）输入、输出关系简单，且线性好；4）输出电动势的变化范围大；5）无活动部件，使用寿命长。3、应用在测量技术、自动化技术和信息处理等方面有着广泛的应用。1）在电磁测量中，用它测量恒定的或交变的磁感应强度，有功功率、无功功率、相位、电能等参数。2）在非电量测量中，可用它测量微位移及与微位移有关的非电量，如：力、压力、应变、压差、液位、流量、机械振动、加速度、转速等。3）在自动控制与保护、记录仪器和计算装置中，它作为信息的读出与识别等。补充问题1、半导体材料有哪些敏感特性？有哪些相应的元件？1）热敏特性：外界环境温度的变化对半导体材料的电阻有显著影响，温度升高，阻值减小。如热敏电阻。2）光敏特性：半导体材料受光照后，阻值下降，且阻值随光线强弱而变化。如：光敏电阻。3）压敏特性：有的半导体材料如碳化硅等，在所承受的电压升高到某一特定值时，其电阻值会急剧下降。如：压敏电阻。4）力敏特性：当半导体材料在某一方向上承受应力时，它的电阻率会发生显著变化。如：力敏电阻（也叫固态压敏电阻）、半导体应变片、扩散型压敏电阻等。5）磁敏特性：有的半导体材料对磁场的变化较敏感，其阻值随穿过它的磁通密度增大而增大。如：磁敏电阻、霍尔元件、磁敏二极管、磁敏三极管。6）湿敏特性：有的半导体材料吸附水分后会使其电阻率发生变化。如：湿敏电阻。7）气敏特性：有的半导体材料吸附气体后发生氧化或还原反应，使电阻率发生变化。如：气敏电阻。其它还有嗅敏、味敏等许多半导体敏感特性和相应的元件。2、常见的半导体传感器有哪些？依据半导体材料的各种敏感特性，可制成下列地导体传感器。1）半导体应变片；2）扩散型压阻式传感器（或固态压阻式传感器）；3）热电式传感器（热敏电阻）；4）光电式传感器（光敏电阻、光电池、光敏晶体管）；5）磁敏传感器（霍尔元件、磁阻元件、磁敏管）；6）气敏传感器；7）湿敏传感器；8）固态图像传感器（CCD）；9）集成传感器（智能传感器）。3、半导体传感器有哪些特点？应用于哪些方面？优点：1）它们是一些物性传感器，可以做成结构简单、重量轻、体积小的器件；2）功耗低，安全可靠，寿命长，精度高；3）对被测量敏感，响应快灵敏度度；4）成本低，易于实现集成化、多功能化、易与微机接口。缺点：1）它们的输出特性一般是非线性的，常常需采用线性化电路；2）受温度影响大，往往需要采用温度补偿措施。3）性能参数分散性较大。4）不稳定，易受干扰。应用：被广泛用于过程自动监视，灾害自动报警，自动测量，自动计量，自动控制等各个领域中，是自动检测系统中不可缺少的组成部分。半导体传感器的使用量极大，增长率很快。4、什么是霍尔元件的灵敏度？霍尔元件的灵敏度与元件材料的性质和几何尺寸有关，其表示式为：。式中：——导体中载流子密度。式中：称为霍尔元件的灵敏度（灵敏系数），它是表示在单位磁感应强度和单位控制电流时产生霍尔电势大小的一个重要参数，一般要求它越大越好。元件的厚度对灵敏度的影响也很大，元件的厚度越薄，灵敏度就越高，所以霍尔元件的厚度一般都比较薄。5、为什么霍尔元件常用型半导体制作？由霍尔元件电动势的表达式：霍尔电势的大小与霍尔常数成正比，而霍尔常数与载流子的电阻率和迁移率成正比。金属材料因自由电子密度太大，迁移率太小，而且电阻率很低，其霍尔常数太小而不适宜制作霍尔元件。半导体材料的中的载流子浓度远比金属中自由电子浓度小得多，其电阻率较大，迁移率也较大，因而其霍尔常数比金属大得多，加上型半导体中电子迁移率（电子定向运动的平均速度）高于型半导体中空穴迁移率，因此，在实际应用中，常用型半民地体材料制作霍尔元件。6、减小霍尔元件温度误差的措施有哪些？1）选用温度系数小的元件，如砷化铟。UHrUHr0IHI0I3）采用恒流源供电。4）用恒流不源供电并结合适当的补偿线路。（详见《检测与转换技术》第2版P172）——给控制电极并联分流电阻，减少由于灵敏系数随温度变化引起的误差。补偿线路原理：由，温度升高时，增加，导致增加，如果此时，让相应减小而保持乘积不变，这就抵消了灵敏系数值增加的影响，保持不变。由图可知：给控制电流极并联一个合适的补偿电阻后，这起分流作用。，当温度升高时，霍尔元件的内阻增加，旁路分流电阻自动地加强分流（即增加），通过元件的电流就减小，从而达到补偿的目的。7、什么是霍尔元件的不等位电动势，寄生直流电动势，感应电动势？1）不等位电动势由于制作霍尔元件时，不可能保证将霍尔电动势极焊在同一等位面上，因此，当控制电流流过元件时，即使磁场强度等于零，在霍尔电动势极上仍有电动势存在，这个电动势就称为不等位电动势。2）寄生直流电动势由于霍尔元件的电极不可能做到完全的欧姆接触，在控制电流极和霍尔电动势极上都可能出现整流效应。因此，当元件通以交流控制电流（不加磁场）时，它的输出除了交流不等位电动势外，还有一直流电动势分量，这个电动势就称为寄生直流电动势。3）感应电动势霍尔元件在交变磁场中工作时，即使不加控制电流，则于霍尔电动势极的引线布置不合理，在输出回路中也会产生附加感应电动势，这一电动势就是霍尔元件的感应电动势。8、影响霍尔传感器性能的因素及造成误差的因素有哪些？影响因素主要有以下几个方面：1）元件的几何尺寸、电极接头的大小对性能产生影响。2）不等位电动势产生零位误差。3）寄生直流电动势产生零位误差。4）感应电动势产生零位误差。5）环境温度变化引起霍尔元件性能参数变化造成误差。9、什么是