§霍爾元件及其傳感器

《§霍爾元件及其傳感器》由會員分享，可在線閱讀，更多相關《§霍爾元件及其傳感器（21頁珍藏版）》請在裝配圖網上搜索。

1、,,,,,,,單擊此處編輯母版標題樣式,,單擊此處編輯母版文本樣式,,第二級,,第三級,,第四級,,第五級,,,*,第十一章 磁敏元件及其傳感器,,§11－1 霍爾元件及其傳感器,一，霍爾效應,電子積累,正電荷積累,f,L,f,E,在置于磁場的導體或半導體中通入電流，假設電流與磁場垂直，那么在與磁場和電流都垂直的方向上會出現一個電勢差，這種現象就是霍爾效應，是由科學家愛德文·霍爾在1879年發(fā)現的。產生的電勢差稱為霍爾電壓。利用霍爾效應制成的元件稱為霍爾傳感器。,,,半導體薄片──,洛倫茲力：,電場力：,霍爾電場,霍爾電勢,-----另一相對面產生靜電場，,,電勢,在洛侖茲力的作用下，電子向

2、一側偏轉，使該側形成負電荷的積累，另一側那么形成正電荷的積累。這樣，A、B兩端面因電荷積累而建立了一個電場Ｅｈ，稱為霍爾電場。該電場對電子的作用力與洛侖茲力的方向相反，即阻止電荷的繼續(xù)積累。,,,動態(tài)平衡：,電流 ：,②式代入①式， 可得：,設霍爾系數：,設霍爾靈敏度：,,〔它反映材料霍爾效應的強弱〕,,,霍爾靈敏度,K,H,,表示霍爾元件在單位磁感應強度和單位控制電流下的霍爾電勢的大小。它與霍爾系數,R,H,,成正比，與霍爾元件的厚度,d,成反比。,霍爾系數,可作為材料選擇的依據：定義單位電場強度作用下，載流子的平均運動速度為載流子遷移率μ。,電子遷移率和霍爾系數的關系如下：,↓,電阻率,由

3、霍爾系數定義有：,遷移率,,,霍爾電壓,U,H,與材料的性質有關。,,根據上式，材料的,ρ,、,μ,大，,R,H,就大。金屬的,μ,雖然很大，但,ρ,很小，故不宜做成元件。在半導體材料中，由于電子的遷移率比空穴的大，且,μ,N,>,μ,P,，所以霍爾元件一般采用,N,型半導體材料。,討論,即：,常用材料有硅，鍺，銻化銦，砷化鎵,,2)霍爾電壓UH與元件的尺寸有關。,,d 愈小，KH 愈大，霍爾靈敏度愈高，所以霍爾元件的厚度都比較薄。但d太小，會使元件的輸入、輸出電阻增加。,,元件的長度比l/b對UH也有影響。為了減少短路影響，l/b要大一些，一般l/b=2。但如果l/b過大，反而使輸入功耗增加

4、降低元件的輸出。,,,3)霍爾電壓UH與控制電流及磁場強度有關。,,當控制電流恒定時愈大愈大。當磁場改變方向時，也改變方向。同樣，當霍爾靈敏度及磁感應強度恒定時，增加控制電流，也可以提高霍爾電壓的輸出。,,,二， 霍爾元件的結構和根本電路,結構：圖11-2,1-1控制電極U,I,：加控制電流,2-2霍爾電極U,H,：輸出霍爾電壓,霍爾電極的位置應在基片長度的1/2處；,霍爾電極的寬度應遠小于基片長度。,,,符號： 圖11-3 a),根本電路：圖11-3 b),,三、主要特性,1、最大電流,損耗功率：,發(fā)散功率：,霍爾元件外表散熱系數,霍爾元件外表溫升,最大鼓勵電流：,最大開路霍爾電

5、勢：,代入,最大磁感應強度靈敏度：,,2、最大輸出功率及效率,最大功率：,最大效率：,3、輸出電動勢與霍爾元件尺寸的關系,與厚度的關系,與長度的關系,與電極位置的關系,,四、根本誤差及補償,1、采用恒流源鼓勵,補償電阻,2、選擇適宜的負載電阻,3、采用溫度補償元件,,五、溫度特性,霍爾元件的溫度特性是指元件的內阻及輸出與溫度之間的關系,霍爾內阻與溫度的關系曲線 霍爾電壓與溫度的關系曲線,,六、溫度補償,霍爾元件溫度補償的方法很多，下面介紹兩種常用的方法:,,1〕利用輸入回路的串聯(lián)電阻進行補償。,上圖是輸入補償的根本線路，圖中的四端元件是霍爾元件的符號。兩個輸入端串聯(lián)補償電阻R并接恒

6、電源，輸出端開路。,,根據溫度特性，元件霍爾系數和輸入內阻與溫度之間的關系式為：,式中，,R,Ht,為溫度為,ｔ,時霍爾系數，,R,it,為溫度為,ｔ,時的輸入電阻,α,為霍爾電壓的溫度系數,,β,為輸入電阻的溫度系數。,當溫度變化,Δt,時，其增量為:,,可得出霍爾電壓隨溫度變化的關系式為:,對上式求溫度的導數，可得增量表達式:,上式中的第一項表示因溫度升高霍爾系數引起霍爾電壓的增量；第二項表示輸入電阻因溫度升高引起霍爾電壓減小的量。,,要使溫度變化時霍爾電壓不變，必須使 :,,即,,,七， 霍爾式傳感器,利用霍爾輸出正比于控制電流I的磁感應強度B的乘積關系，可以分別使其中一個量保持不變，而

7、另一個量作變量，或兩者都作為變量〔霍爾乘法器〕，從而構造出各種傳感器。,集成霍爾傳感器的輸出是經過處理的霍爾輸出信號。按照輸出信號的形式，可以分為,開關型集成霍爾傳感器,和,線性集成霍爾傳感器,兩種類型。,,開關型集成霍爾傳感器是把霍爾元件的輸出經過處理后輸出一個高電平或低電平的數字信號。,霍爾開關電路又稱霍爾數字電路，由穩(wěn)壓器、霍爾片、差分放大器，斯密特觸發(fā)器和輸出級組成。,1 開關型集成霍爾傳感器,,線性集成霍爾傳感器是把霍爾元件與放大線路集成在一起的傳感器。其輸出信號與磁感應強度成比例。通常由霍爾元件、差分放大、射極跟隨輸出及穩(wěn)壓四局部組成。,2 線性集成霍爾傳感器,,霍爾電流、電壓傳感器,霍爾電壓傳感器是利用磁補償原理的一種霍爾傳感器，能夠測量直流，交流以及各種波形電壓，同時在電氣上是高度絕緣的。,,霍爾電流傳感器是應用霍爾原理的閉環(huán)〔補償〕電流傳感器，輸出為電流信號。采用印制板安裝，具有低溫漂，寬頻帶，抗干擾能力強等特點。,,