项目4霍尔传感器

霍尔传感器霍尔传感器是基于霍尔效应的一种传感器。1879年美国物理学家霍尔首先在金属材料中发现了霍尔效应，但由于金属材料的霍尔效应太弱而没有得到应用。由于霍尔传感器具有 体积小 、 成本低 、 灵敏度高 、 性能可靠 、 频率响应宽 、 动态范围大的特点，并可采用集成电路工艺，因此被广泛用于电磁测量、压力、加速度、振动等方面的测量。1. 霍尔效应金属或半导体薄片置于磁场中，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 。该电动势称 霍尔电势 ，半导体薄片称 霍尔元件。霍尔效应实验山东农业大学物理实验教学中心Edwin Hall（ 1855 1938） 霍尔效应是霍尔 (Hall)24岁时在美国霍普金斯大学研究生期间，研究关于载流导体在磁场中的受力性质时发现的一种现象。霍尔效应测试仪 霍尔效应实验仪 由 电磁铁（ 2500GS/A）、霍尔样品及调节架、双刀双掷开关构成 。 霍尔效应实验仪的部件之一：电磁铁（ 2500GS/A） 霍尔样品及调节架 调节架上的水平和垂直刻度 霍尔效应测试仪 实验原理YXZ431 2dB(1-1)上 式中 比例系数 R称为霍尔系数，对同一材料 R为一常数。因成品霍尔元件（根据霍尔效应制成的器件） d也是一常数。故 R/d常用另一常数 K来表示，有K称为霍尔元件的灵敏度，它是一个重要参数，表示该元件在单位磁感应强度和单位电流作用时霍尔电压的大小。如果霍尔元件的灵敏度 K知道（一般由实验室给出），测出电流 和霍尔电压 ，就可以根据下式求出磁感应强度 B。霍尔效应的解释+ + + + + + + + - - - - - - - LxB bYd现研究一个长度为 L、 宽度为 d的 N型半导体材料制成的霍尔元件。当沿 X方向通以电流 后，载流子（对 N型半导体是电子） e将以平均速度 v沿与电流相反的方向运动，在磁感应强度为 B的磁场中，电子将受到洛仑兹力的作用，其大小为ezv的 方向可以由左手定则决定。在 的作用下，电荷将在元件沿 y的两端面堆积形成电场 它会对载流子产生一静电力 ，其大小为它的方向与洛仑兹力相反，即它是阻止电荷继续堆积。+ + + + + + + + - - - - - - - LxB bYZdeV当 和 达到静态平衡后，有 即于是电荷堆积的两端面（ Z方向）的电势差为 通过的电流可表示为 式中 n是电子浓度，得（ 1- 4）（ 1- 5）=将 代入 可得可 改写为就是霍尔系数2. 霍尔元件结构及测量电路1) 霍尔元件结构 霍尔元件的结构很简单，如图中所示，霍尔元件是由具有霍尔效应的半导体薄片、电极引线及壳体组成。 霍尔片是一块矩形半导体单晶薄片，在两个相互垂直方向侧面上，分别引出一对电极，共四个电极。其中a、 b 电极用于控制电流，称控制电极， c、 d 电极用于引出霍尔电势，称为 霍尔电势输出极 。在霍尔基片外面用非导磁金属、陶瓷或环氧树脂封装作为外壳。霍尔电极在基片上的位置及它的宽度对霍尔电势 UH的影响很大。通常霍尔电极位于极片长度的中间，其宽度远小于基片的长度。在电路中霍尔元件可用两种符号表示，如下图：1锗 (Ge) 输出小，但温度性能和线性度较好； 2硅 (Si)线性度最好，但带负载能力较差，通常不作单个霍尔元件；3砷化铟 (InAs)输出较大，受温度影响小，线性度较好，应用较多； 4锑化铟 (InSb)输出大，但受温度影响大（尤其是低温）v 霍尔元件材料： 2) 测量电路图中控制电流 I由电源UE供给，可以是 直流电源或 交流电源 ，调节电阻 RW是用来调节控制电流 I的大小； RL是霍尔输出电压 UH的负载电阻，通常是放大电路的输入电阻或表头内阻。霍尔电压 UH一般为毫伏数量级，因而实际应用时要后接差动放大器。3.误差及其补偿在实际使用中，存在着各种影响霍尔元件精度的因素，即在霍尔电动势中叠加着各种误差电势，这些误差电势产生的主要原因有两类：一类是 由于制造工艺的缺陷 ；另一类是 由于半导体本身固有的特性 。不等位电势和温度是影响霍尔元件主要误差的两个因素。当霍尔元件的控制电流为 IN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。不等位电势与霍尔电势具有相同的数量级，有时甚至超过霍尔电势。1) 不等位电势及其补偿霍尔元件不等位电势原理图不等位电势补偿电路 ,图 (a)是在电阻值较大的桥臂上并联电阻，图 (b)是在两相邻桥臂上并联电阻，以增加电极等效电桥的对称性。霍尔元件是采用半导体材料制成的，因此它们的许多参数都具有较大的温度系数。当温度变化时，霍尔元件的载流子浓度、迁移率、电阻率及霍尔系数都将发生化，从而使霍尔元件产生温度误差。2) 温度误差及其补偿为了减小温度误差，除了选择温度系数小的霍尔元件 (如 InAs)或采取恒温措施外，由 UH=KHIB可看出：采用恒流源供电是个有效措施，减小元件内阻随温度变化而引起的控制电流的变化，但是还不能完全解决霍尔电动势的稳定问题。温度补偿电路电流 I为恒定电流，不受温度影响；电阻 rH为霍尔元件等效输入电阻；在霍尔元件的控制电极