霍尔传感器 PPT课件

❖ 若磁场B和霍尔元件平面的法线成一角度 θ，则作用于霍尔元件的有效磁感应强 度为B cosθ，因此
❖
UH=KHIBcosθ
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❖ 3）P型半导体，其多数载流子 是空穴，也存在霍尔效应，但 极性和N型半导体的相反。
❖ 4）霍尔电压UH与磁场B和电流I 成正比，只要测出UH ，那么B
其定义
KH
UH IB
霍尔元件的乘积灵敏度定义为在 单位控制电流和单位磁感应强度下， 霍尔电势输出端开路时的电势值，其 单位为V（AT），它反应了霍尔元件本 身所具有的磁电转换能力，一般希望 它越大越好。
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3、输入电阻Ri和输出电阻R0
❖ Ri是指流过控制电流的电极（简称控制 电极）间的电阻值，R0是指霍尔元件的 霍尔电势输出电极（简称霍尔电极）间 的电阻，单位为Ω。可以在无磁场即B
特点：
霍尔器件具有许多优点，它们的结构牢 固，体积小，重量轻，寿命长，安装方便， 功耗小，频率高，耐震动，不怕灰尘、油污、 水汽及盐雾等的污染或腐蚀。
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霍尔效应原理图
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霍尔元件
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。
与元件材料的霍尔系数有关，还与霍尔元件的 几何尺寸有关。一般要求霍尔元件灵敏度越大 越好，霍尔元件灵敏度的公式可知，霍尔元件 的厚度d与KH成反比。
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通过以上分析可知：
1）霍尔电压UH与材料的性质有关 n 愈大，KH 愈小，霍尔灵敏
度愈低；
n 愈小，KH 愈大，但n太小，
需施加极高的电压才能产生很小 的电流。因此霍尔元件一般采用N 型半导体材料
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• 在该电桥的负载电阻RP2上 取出电桥的部分输出电压
（称为补偿电压），与霍尔
元件的输出电压反向串联。 在磁感应强度B为零时，调 节RP1和RP2，使补偿电压 抵消霍尔元件此时输出的不 等位电势，从而使B＝0时的 总输出电压为零。
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• 在霍尔元件的工作温度下限 T1时，热敏电阻的阻值为Rt （T1）。电位器RP2保持在 某一确定位置，通过调节电
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R Ri
对于一个确定的霍尔元件，α 和β值可由元件参数表查得，Ri可 在无外磁场和室温条件下直接测 得。因此只要选择适当的补偿电 阻，使其R和γ满足上式，就可在 输入回路实现对温度误差的补偿 了。
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（二）合理选择负载电阻
❖ 如上图所示，若霍尔电势输出端接负载电阻RL， 则当温度为T时，RL上的电压可表示为：
理想情况下，不等位电 势 UM=0 ， 对 应 于 电 桥 的 平 衡 状态，此时R1＝R2＝R3＝R4。
如果霍尔元件的UM≠0， 则电桥就处于不平衡状态， 此时R1、R2、R3、R4的阻值有 差 异 ， UM 就 是 电 桥 的 不 平 衡 输出电压。
只要能使电桥达到平衡
的方法都可作为不等位电势 的补偿方法。
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（一）采用恒流源提供控制电流
• 对于上图所示的基本测量电路，
• 设温度由T增加到T+ΔT，
• 因霍尔片的电子浓度n增加，从而使霍尔元件的 乘积灵敏度由
• KH减小到KH（1－αΔT），
• 其中α是KH的温度系数。
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• 另一方面霍尔元件输入电阻由Ri减小到 Ri （1－βΔT）。其中β是Ri的温度系数。 • 输入电阻的变化将使控制电流由IC变为IC＋ΔIC， • 此时霍尔电势将由UH＝KHICB变为 UH ＋Δ UH ＝KH （1－αΔT）（IC＋ΔIC ）B。 • 要使Δ UH ＝0，必须IC ＝ （1－αΔT） （IC＋ΔIC ）
或I的未知量均可利用霍尔元 件进行测量。
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第二节 霍尔元件的基本结构和 主要技术指标
一、霍尔元件的基本结构组成
由霍尔片、四根引线和壳体组成，如下图示。
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❖ 国产霍尔元件型号的命名方法
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二、主要技术指标
1、额定控制电流IC和最大控制电流ICm ❖ 霍尔元件在空气中产生10℃的温升时所施加
I B
A FE
D
FL
B
C
dL
l
UH
A、B- 霍尔电极 C、D-控制电极
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霍尔系数及灵敏度 令
则
RH则被定义为霍尔传感器的霍尔系数。 由于金属导体内的载流子浓度大于半导 体内的载流子浓度，所以，半导体霍尔 系数大于导体。
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令
则
KH为霍尔元件的灵敏度。 由上述讨论可知，霍尔元件的灵敏度不仅
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将这两式
R IC I R Ri
IC
IC
I
R(1 T ) Ri (1 T ) R(1 T )
代入 IC (1T )(IC IC )
得到
I
R
IC
(1T )I
R(1 T )
R Ri
Ri (1 T ) R(1 T )
对上式进行整理，并忽略（ΔT）2 项可得
R Ri
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等位电阻RM，即
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RM
UM IC
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不平衡电势UH是主要的零位误差。因为在工 艺上难以保证霍尔元件两侧的电极焊接在同一等
电位面上。如下图(a)所示。当控制电流I流过时，
即使末加外磁场，A、B两电极此时仍存在电位差，
此电位差被称为不等位电势（不平衡电势）UH。
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5、霍尔电势温度系数α
位器的RP1来调节补偿电桥 的工作电压，使补偿电压抵
消此时的不等位电势UML，此 时的补偿电压称为恒定补偿
电压。
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• 当工作温度T1升高到T1 ＋ΔT 时，热敏电阻的阻值为Rt（T1 ＋ΔT ）。RP1保持不变，通过 调节RP2，使补偿电压抵消此 时的不等位电势UML ＋ΔUM。 此时的补偿电压实际上包含了
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• 要满足IC ＝ （1－αΔT） （IC＋ΔIC ），为此 采用上图所示的电源为恒流源的测量电路，电
路中并联一个起分流作用的补偿电阻R。根据
上图可得
IC
I
R R Ri
IC
IC
I
Ri (1
R(1 T ) T ) R(1 T )
式中 2020/6/5 γ—补偿电阻R的温度系数。
UH
RL RL R0
U H (1 T ) RL
RL
R0 (1 T )
对上式进行整理可得
RL
R0
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RL R0
对于一个确定的霍尔元件，可以方 便地获得α、β和R0的值，因此只要使 负载电阻RL满足上式，就可在输出回路 实现对温度误差的补偿了。虽然RL通常 是放大器的输入电阻或表头内阻，其值 是一定的，但可通过串、并联电阻来调 整RL的值。
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二、温度误差及其补偿
由于载流子浓度等随温度变化而变化，因 此会导致霍尔元件的内阻、霍尔电势等也随温 度变化而变化。这种变化程度随不同半导体材 料有所不同。而且温度高到一定程度，产生的 变化相当大。温度误差是霍尔元件测量中不可 忽视的误差。
针对温度变化导致内阻(输入、输出电阻) 的变化，可以采用对输入或输出电路的电阻进 行补偿。
第九章 霍尔传感器
本章主要讲述内容：
1、霍尔传感器的工作原理 2、霍尔元件的基本结构和主要技术指标 3、霍尔元件的测量电路 4、霍尔传感器举例
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第一节 霍尔元件的基本工作原理
概述：
霍尔元件是一种基于霍尔效应的磁传感器， 得到广泛的应用。可以检测磁场及其变化，可 在各种与磁场有关的场合中使用。霍尔器件以 霍尔效应为其工作基础。
测量仪表的内阻。由于霍尔元
件必须在磁场与控制电流作用
下 ， 才 会 产 生 霍 尔 电 势 UH ， 所 以在测量中，可以把 I 与 B 的乘积、或者 I，或者 B 作为输入情号，则霍 尔元件的输出电势分别正比于 IB 或 I 或 B。
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连接方式
为了获得较大的霍尔输出电势，可以 采用几片叠加的连接方式。下图(a)为直流 供电，控制电流端并联输出串联。下图(b) 为交流供电，控制电流端串联变压器叠加 输出。
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z y
I B
A
D
FL
B
C
dL
l
UH
x
A、B-霍尔电极 C、D-控制电极
设图中的材料是Ｎ型半导体，导电的载流 子是电子。在ｚ轴方向的磁场作用下，电子将 受到一个沿ｙ轴负方向力的作用，这个力就是 洛仑兹力。它的大小为：FL=－evB
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电荷的聚积必将产生静电场，即为霍尔电 场，该静电场对电子的作用力为FE与洛仑兹力 方向相反，将阻止电子继续偏转，其大小为
在一定的磁感应强度和控制电 流下，温度变化1℃时，霍尔电势 变化的百分率称为霍尔电势温度
系数α，单位为1／℃。
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第三节 霍尔元件的测量电路
一、基本测量电路
控制电流I由电源E供给，
电位器R调节控制电流I的大小。
霍 尔 元 件 输 出 接 负 载 电 阻 RL ， RL可以是放大器的输入电阻或
的控制电流称为额定控制电流IC。在相同的 磁感应强度下，IC值较大则可获得较大的霍 尔输出。