项目霍尔传感器PPT学习教案

1、会计学1第1页/共45页山东农业大学物理实验教学中心山东农业大学物理实验教学中心第2页/共45页Edwin Hall（18551938） 霍尔效应是霍尔霍尔效应是霍尔 (Hall)24岁时在美国霍普金斯大学岁时在美国霍普金斯大学研究生期间，研究关于载研究生期间，研究关于载流导体在磁场中的受力性流导体在磁场中的受力性质时发现的一种现象。质时发现的一种现象。第3页/共45页第4页/共45页霍尔效应测试霍尔效应测试仪仪霍尔效应实验霍尔效应实验仪仪 第5页/共45页由电磁铁（由电磁铁（2500GS/A）、霍尔样品及调节架、双刀双掷开关构成。）、霍尔样品及调节架、双刀双掷开关构成。 第6页/共45页霍尔

2、效应实验仪的部件之一：电磁铁（霍尔效应实验仪的部件之一：电磁铁（2500GS/A） 第7页/共45页霍尔样品及调节霍尔样品及调节架架 第8页/共45页调节架上的水平和垂直刻度调节架上的水平和垂直刻度 第9页/共45页霍尔效应测试仪霍尔效应测试仪 第10页/共45页YXZ4312dBHI (1-1)dBRIVHHHV第11页/共45页 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BKIVHHK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

3、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。HIHVHHKIVB第12页/共45页+ + + + + + + + - - - - - - - LxBbYdevBfB 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HIHIeBfzv第13页/共45页 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，

4、即它是阻止电荷继续堆积。+ + + + + + + + - - - - - - - LxBbYZdBfBfHEeEf EfEfBfeV第14页/共45页当 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vbBVH（1- 4）nevbdIH（1- 5）nebdIvHBfBfEf=EfbVeeEevbHH第15页/共45页将 代入 可得vbBVHnebdIvHnedBIvH可改写为BKIdBRIVHHH就是霍尔系数neR1第16页/共45页第17页/共45页第18页/共45页 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

5、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：第19页/共45页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： 第20页/共45页第21页/共45页第22页/共45页 1) 不等位电势及其补偿第23页/共45页霍尔元件不等位电势原理图第24页/共45页第25页/共45页2) 温度误差及其补偿第26页/共45页第27页/共45页温度补偿

6、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并联一个合适的补偿电阻rT，rT具有与rH相同的正温度系数，起分流作用。当霍尔元件的输入电阻随温度升高而增加时，rT会自动加强分流，减小了霍尔元件的控制电流IH，从而达到补偿的目的。补偿原理：第28页/共45页桥路补偿法的温度补偿电路第29页/共45页 3）寄生直流电压 在无磁场的情况下，元件通入交流电流，输出端除交流不等位电压以外的直流分量称为寄生直流电压。产生寄生直流电压的原因大致上的两个方面： 1) 由于控制极焊接处欧姆接触不良而造成一种整流效应，使控制电流因正、反向电流大小不等而具有一定的直流分量

7、。 2) 输出极焊点热容量不相等产生温差电动势。 制做和封装霍尔元件时，发送电极欧姆接触性能和元件的散热条件，是减少寄生直流电压的有效措施。 第30页/共45页 4 4、集成霍尔传感器、集成霍尔传感器 集成霍尔传感器是利用硅集成电路工艺将霍尔元件和测量线路集成在一起的一种传感器。它取消了传感器和测量电路之间的界限，实现了材料、元件、电路三位一体。集成霍尔传感器与分立相比，由于减少了焊点，因此显著地提高了可靠性。此外，它具有体积小、重量轻、功耗低等优点，正越来越爱到众的重视。 集成霍尔传感器的输出是经过处理的霍尔输出信号。按照输出信号的形式，可以分为开关型集成霍尔传感器和线性集成霍尔传感器两种类

8、型。第31页/共45页(1) 开关型集成霍尔传感器 开关型集成霍尔传感器是把霍尔元件的输出经过处理后输出一个高电平或低电平的数字信号。其典型电路见图。 第32页/共45页 第33页/共45页 集成霍尔传感器的输出电平与磁场B之间的关系见图6-2-7，可以看出，集成霍尔传感器的导通磁感应强度和截止磁感应强度之间存在滞后效应。 开关型集成霍尔传感器的这一特性，正是我们所需要的，它大大增强了开关电路的抗干扰能力，保证开关动作稳定，不产生振荡现象。第34页/共45页 (2) 线性集成霍尔传感器 线性集成霍尔传感器是把霍尔元件与放大线路集成在一起的传感器。其输出信号与磁感应强度成比例。通常由霍尔元件、差分放大、射极跟随输出及稳压四部分组成，其典型线路见图。图中，霍尔元件的输出经由V1、V2、R1至R5组成的第一级差分放大器放大，放大后的信号再由V3、V6、R6、R7组成的第二级差分放大器放大。第二级放大采用达林顿对管，射极电阻R8外接，适当选取R8的阻值，可以调整该极的工作点，从而改变电路增益。在电源电压为9V，R8取2K时，全电路的增益可达1000倍左右，与分立元件霍尔传感器相比，灵敏度大为提高。 第35页/共45页第36页/共45页4. 霍尔式传感器的应用霍尔式传感器的应用l I保持恒定，UHB 可测量位移、角度、转速及加速度等