《hall传感器》PPT课件.ppt

1、霍尔式传感器霍尔式传感器是利用霍尔效应的原理，将电流、磁场、位移、压力等测定对象转换成电动势输出的传感器。 优点：结构简单、体积小、结实、频率响应范围宽(直流到微波)、动态范围宽、寿命长、可靠性高，易于微细化和集成电路化。 缺点：转换效率低，温度影响大。 1 .工作原理霍尔效应、霍尔效应Hall effect金属或半导体薄片置于磁感应强度的磁场中，当电流流动时，在与电磁场垂直的方向上产生电动势，这种物理现象称为霍尔效应，相应的电动势称为霍尔电位。 霍尔效应在高纯度的半导体中显着出现，由半导体材料构成的霍尔式传感器在很多领域被广泛使用。 霍尔： 1879年，霍尔效应原理图，电流密度。 在此，n表

2、示n型半导体中的电子浓度，负符号表示电子运动速度方向与电流方向相反。 因此，通过半导体的电流的大小与：电子运动的速度与：半导体材料的物理性质和几何尺寸有关。 物理意义：表示单位磁感应强度和单位控制电流时霍尔元件输出的霍尔电位的大小。 通电材料和几何尺寸确定后，的大小与控制电流和磁感应强度成比例，因此能够用于磁场(I一定)、检测电流(b一定)的测量，各种运算器(I、b都作为变量，能够用于乘法器、功率校正等。 霍尔元件在直线倾斜磁场中移动时，反映磁场的变化，可用于微小位移、压力、机械振动等的检测。 2 .霍尔元件(材料、结构)，根据霍尔效应工作的半导体元件称为霍尔元件。 图示其外形、构造。 霍尔元

3、件结构简单，由霍尔片、导线、外壳构成。 在a、b、c、d、长度方向的两端面焊接有2根引线(图中a、b )作为控制电流端引线，焊接部位被称为控制电极(激励电极)，要求接触电阻小且为纯电阻。 另一侧端面的中间以点的形式对称焊接2根霍尔电位输出端引线，焊接部位称为霍尔电极，要求欧姆接触，电极的宽度与霍尔片的长度之比小于0.1，电极位于1/2部位，此时霍尔电位为最大值。 霍尔元件的外壳用非磁导率金属、陶瓷或环氧树脂密封。 霍尔元件的外形、结构和符号，霍尔元件最常用的材料是锗(Ge )、硅(Si )、锑化铟(InSb )、砷化铟(InAs )等锑化铟材料的霍尔系数大，但对温度最敏感， 受温度影响的n型锗

4、易于加工制造，其孔系数、温度性能和直线性好，砷化铟的孔系数小，受温度影响小于锑化铟(温度系数小)，直线性好。 多使用锑化铟材料。3 .霍尔元件的电磁特性，(1)是指控制电流和霍尔电位的关系。 磁场一定，在一定的周围温度下，控制电流和霍尔电位之间有线性关系。 霍尔元件的输入(或输出)电阻与磁场b的关系。 实验结果显示霍尔元件的内部电阻随磁场绝对值的增加而增加，这种现象称为磁阻效应。 磁阻效应的产生机理、利用磁阻效应制作的元件磁阻元件可以用于测量磁感应强度等许多非电力量。 磁阻效应的大小与材料中载流子的迁移率有关(迁移率越大，磁阻效应越显着)，此外与元件的几何形状有密切关系，例如长宽比越小，磁阻效

5、应越大。 作为霍尔传感器，由于磁阻效应的存在，霍尔输出降低，特别是强磁场时输出降低较多，需要根据需要以一定的方法进行补偿。 4 .霍尔元件的误差及其补偿、霍尔元件的主要误差和补偿方法包括两个方面： (1)霍尔元件的零位误差及其补偿、不等位电位及其补偿、霍尔元件控制电流不施加磁场时，霍尔输出端之间还存在无负载电位，将该电位称为不等位电位。产生原因：制造工艺不能保证两个孔电极在孔片两侧对称焊接，两电极点不能完全位于同一对立面上，孔片的电阻率及厚度不均匀，控制电极的接触不良。 产生不等位电位图像，补偿方法：在工艺上，尽量对称地采用霍尔电极补偿电路，霍尔元件等效电路为四臂电桥，因此可以对某一电桥施加一

6、定的电阻，使其最小，甚至降到零。 图为一些不等电位补偿电路，其中非对称补偿简单，对称补偿温度稳定性好。 霍尔元件符号与等效电路、x、不等位电位的补偿、(a )非对称补偿、(b )对称补偿、寄生直流电位霍尔元件不通过交流控制电流施加外部磁场时，霍尔输出除了交流不等位电位以外，还会随着存在的时间变化，从而导致输出漂移。 产生原因： 2对电极不是完全欧姆接触，而是形成整流效果的2个孔电极的焊点大小不同，热容量不同，产生温差。 与此相对，元件制作和安装时，尽量使电极欧姆接触，使散热均匀，以良好的散热条件进行补偿。 感应零电位及其补偿霍尔元件在交流或脉动磁场中动作时，即使不施加控制电流，霍尔端也有输出。

7、 这就是感应零电位。 这是因为孔电极的导线配置不恰当。 其大小与磁场变化频率、磁感应强度的大小以及由孔电极引线构成的感应面积成比例。 其补偿方法如图所示。 感应零势及其补偿、自激场零势霍尔元件为了控制电流而通电时，该电流产生磁场自激场，当电流引线位于两端面的中间时，不会影响霍尔输出，相反有自激场零势输出。 控制电流的引线必须合理配置以消除该电位的影响。 (2)霍尔元件的温度误差及其补偿，霍尔元件由半导体材料制成，但由于半导体材料的电阻率、迁移率和载流子浓度等随温度而变化，所以霍尔元件的性能残奥计，例如输入输出电阻、霍尔常数随温度而变化，霍尔电位变化，产生温度误差。 砷化铟材料的温度系数最小。

8、方法采用恒流源供电，输入电路并联电阻合理选择负载电阻的电阻值采用恒压源和输入电路串联电阻采用温度补偿元件，5、霍尔传感器的应用UH=f(B) (I一定)可用于一定或交变磁场的测量。 UH=f(I) (B恒定)可用于测量电流。 UH=f(B.I )可用作乘法器、功率计。 霍尔式位移传感器通过将霍尔元件的控制电流保持一定，使霍尔元件在均匀的倾斜磁场中沿x方向移动，能够构成霍尔式位移传感器。 霍尔位移传感器，磁场梯度越大，灵敏度越高，磁场梯度越均匀，输出线性越好，测量范围： 1 2 mm，6，磁敏二极管和磁敏晶体管磁敏二极管，晶体管是继霍尔元件和磁敏电阻之后迅速发展的新型磁电转换元件。 它们的磁敏感

9、度高(磁敏感度比霍尔元件高几百到几千倍)； 由于可识别磁场极性的体积小、电路简单等特点，在日益重视的检测、控制等方面得到普遍应用。 (1)感磁二极管、感磁二极管的结构与普通二极管的不同：普通二极管的PN结的基极区域短，避免载流子在基极区域再结合，但感磁二极管的PN结有比载流子的扩散长度长的基极区域，但基极区域由接近本征半导体的高电阻材料构成以2ACM1A为例，该感磁二次管的结构为P iN型。 在本征导电高纯度锗的两端利用合金法制作高掺杂的p区域和n区域，在本征区域(I区域)的一侧设置高复合区域(r区域)，在与r区域相反的一侧保持光滑的无复合表面，由此构成磁敏二极管的芯。 其符号的意思、结构和电

10、路符号如图所示。感磁二极管的工作原理如果在感磁二极管的p区域施加电源阳极，在n区域施加电源阴极，即正偏压，则随着感磁二极管受到的磁场的变化，流过二极管的电流也变化，即二极管等效电阻根据磁场而不同。 为什么磁敏二极管具有这样的特性呢？ 接下来分析一下吧。 磁场H=0:少量的电子和空穴在I区、r区复合，正向磁场h :电子和空穴偏向r区，电流随复合增大而减少，反向磁场H-:电子和空穴偏向I区，电流随复合减小而增大，结论：正负输出电压随磁场的大小和方向的变化而发生变化。 r区和r区以外的复合能力差越大，感磁二极管的灵敏度越高。 反向偏置磁敏二极管时，在r区域仅流过微小的电流，看起来与磁场几乎无关。 因

11、此，二极管的两端电压不会因磁场的作用而发生任何变化。主要特性：伏安特性是在规定的磁场的情况下，感磁二极管两端的正向偏压与通过它的电流的关系曲线。 表示磁电特性规定条件下的感磁二极管输出电压的变化量与施加磁场的变化关系。 在弱磁场(小于0.1T )下，输出电压与磁场强度成比例，随着磁场强度的增加有饱和的倾向。 国产感磁二极管2ACM的感磁灵敏度为10v/T。 在4种基本电路中，差动接合法的温度补偿好，互补接合法的输出对称性好，桥接合法的温度特性、对称性、灵敏度好。 将桥接法集成化而构成集成感磁传感器。 温度特性感磁二极管受温度的影响很大，特别是温度上升时，电流急剧增加，电压减少，磁敏感度下降。

12、频率特性的硅磁敏二极管的响应时间相当于载气的有效寿命。 硅管的响应时间小于1，即，响应频率高达1MHz。 锗磁敏二极管的响应频率小于10kHz。 (2)磁敏晶体管、磁敏晶体管的结构NPN型磁敏晶体管是在弱p型近本征半导体上用合金法或扩散法形成了三个结即发射结、基极结、集电结的半导体元件。 在长基极区域的侧面制作复合速度高的高复合区域r。 长基区分为运输基区和复合基区两部分。 在磁场不作用时，如图(a )所示，由于感磁晶体管的基极区域宽度比载流子的有效扩散长度大，因此，除了注入的载流子少的部分以外，都输入到集电极c，大部分由eib形成基极电流。 显然，基极电流大于集电极电流。 电流放大率=IcI

13、b1。 受到h磁场的作用时，如图(b )所示，由于洛伦兹力的作用，载流子偏向发射极结侧，集电极电流显着降低。 磁场作用时，如图(c )所示，载流子在洛伦兹力的作用下偏向总线结侧，增大集电极电流。 磁敏晶体管的主要特性伏安特性、磁电特磁晶体管的集电极电流的变化与磁敏强度的关系是磁敏晶体管的最重要的工作特性。 温度特性磁性晶体管的集电极电流和温度的关系。 在3BCM磁敏三极管中，在采用补偿措施的情况下，其正向感度不太受温度的影响。 另一方面，负灵敏度受温度的影响较大，主要表示相当大的器件具有无灵敏度的温度点，该点的位置由相加基流(无磁场作用时) Ib0的大小决定。 在Ib04mA的情况下，该不灵敏度的温度点为40左右。 当温度超过该点时，负灵敏度也与正灵敏度即正、负磁场无关，集电极电流以相同性质变化。 因此，如果减小基极电流，则无灵敏度的温度点向高温方向移动。 Ib0=2