磁電式傳感器-霍爾傳感器

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1、第六章磁敏傳感器霍爾傳感器HallSensor霍爾式傳感器霍爾傳感器是基于霍爾效應(yīng)的一種傳感器。1879年美國物理學(xué)家霍爾首先在金屬材料中發(fā)現(xiàn)了霍爾效應(yīng),但由于金屬材料的霍爾效應(yīng)太弱而沒有得到應(yīng)用。隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展,開始用半導(dǎo)體材料制成霍爾元件,由于它的霍爾效應(yīng)顯著而得到應(yīng)用和發(fā)展?；魻杺鞲衅鲝V泛用于電磁測量、壓力、加速度、振動等方面的測量。霍爾元件是一種四端元件霍爾式傳感器是基于霍爾效應(yīng)而將被測量轉(zhuǎn)換成電動勢輸出的一種傳感器?；魻柶骷且环N磁敏傳感器，利用半導(dǎo)體元件對磁場敏感的特性來實現(xiàn)磁電轉(zhuǎn)換，它們可以檢測磁場及其變化，可在各種與磁場有關(guān)的場合中使用。按照霍爾器件的功能

2、可將它們分為：霍爾線性器件和霍爾開關(guān)器件，前者輸出模擬量，后者輸出數(shù)字量?；魻柶骷哂性S多優(yōu)點(diǎn)，它們的結(jié)構(gòu)牢固，體積小，重量輕，壽命長，安裝方便，功耗小，頻率高(可達(dá)1MHz)，耐振動，不怕灰塵、油污、水汽及鹽霧等的污染或腐蝕?；魻柧€性器件的精度高、線性度好；霍爾開關(guān)器件無觸點(diǎn)、無磨損、輸出波形清晰、無抖動、無回跳、位置重復(fù)精度高。采用了各種補(bǔ)償和保護(hù)措施的霍爾器件的工作溫度范圍寬，可達(dá)-55～+150℃?；魻杺鞲衅鞯墓ぷ髟?．霍爾效應(yīng)半導(dǎo)體薄片置于磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的磁場中，磁場方向垂直于薄片，當(dāng)有電流I流過薄片時，在垂直于電流和磁場的方向上將產(chǎn)生電動勢EH，這種現(xiàn)象稱為霍爾效應(yīng)

3、。磁感應(yīng)強(qiáng)度B為零時的情況ABCD當(dāng)有圖示方向磁場B作用時作用在半導(dǎo)體薄片上的磁場強(qiáng)度B越強(qiáng)，霍爾電勢也就越高?；魻栯妱軺H可用下式表示：UH=KHIB霍爾效應(yīng)演示當(dāng)磁場垂直于薄片時，電子受到洛侖茲力的作用，向內(nèi)側(cè)偏移，在半導(dǎo)體薄片A、B方向的端面之間建立起霍爾電勢。ABCD一、霍爾效應(yīng)圖霍爾效應(yīng)UHbldIFLFEvB所以，霍爾電壓UH可表示為UH=EHb=vBb設(shè)霍爾元件為N型半導(dǎo)體，當(dāng)它通電流I時FL=qvB當(dāng)電場力與洛侖茲力相等時，達(dá)到動態(tài)平衡，這時有qEH=qvB故霍爾電場的強(qiáng)度為EH=vB流過霍爾元件的電流為I=dQ/dt=-bdvnq得：v=-I/nqbd所以：UH

4、=-BI/nqd若取RH=-1/nq則RH被定義為霍爾元件的霍爾系數(shù)。顯然，霍爾系數(shù)由半導(dǎo)體材料的性質(zhì)決定，它反映材料霍爾效應(yīng)的強(qiáng)弱。n為半導(dǎo)體中的電子濃度，即單位體積中的電子數(shù)，負(fù)號表示電子運(yùn)動方向與電流方向相反。設(shè)KH即為霍爾元件的靈敏度，它表示一個霍爾元件在單位控制電流和單位磁感應(yīng)強(qiáng)度時產(chǎn)生的霍爾電壓的大小.單位是mV/（mA·T）材料中電子在電場作用下運(yùn)動速度的大小常用載流子遷移率來表征，即在單位電場強(qiáng)度作用下，載流子的平均速度值。即所以而比較得出電阻率?與霍爾系數(shù)RH和載流子遷移率?之間的關(guān)系：或結(jié)論：①如果是P型半導(dǎo)體，其載流子是空穴，若空穴濃度為p，同理可得②霍爾電

5、壓UH與材料的性質(zhì)有關(guān)。由上式可知?、?大，霍爾系數(shù)就大。金屬?雖然很大，但?很小，不宜做成霍爾元件；絕緣材料的?很高，但?很小，也不能做霍爾元件。故霍爾傳感器中的霍爾元件都是半導(dǎo)體材料制成的。④霍爾電壓UH與控制電流及磁場強(qiáng)度有關(guān)。③霍爾電壓UH與元件的尺寸有關(guān)。根據(jù)上式，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，薄膜霍爾元件的厚度只有1?m左右。但d過小，會使元件的輸入、輸出電阻增加?？梢酝瞥?，霍爾電動勢UH的大小為：式中：kH為靈敏度系數(shù)，kH=RH/d，表示在單位磁感應(yīng)強(qiáng)度和單位控制電流時的霍爾電動勢的大小,與材料的物理特性（霍爾系數(shù)）和幾何尺寸d有關(guān)

6、；霍爾系數(shù)RH＝1/(nq)，由材料物理性質(zhì)所決定，q為電子電荷量；n為材料中的電子濃度。為磁場和薄片法線夾角。a2．霍爾元件霍爾片是一塊矩形半導(dǎo)體單晶薄片(一般為4mm×2mm×0.1mm)，經(jīng)研磨拋光，然后用蒸發(fā)合金法或其他方法制作歐姆接觸電極，最后焊上引線并封裝。而薄膜霍爾元件則是在一片極薄的基片上用蒸發(fā)或外延的方法做成霍爾片，然后再制作歐姆接觸電極，焊上引線最后封裝。一般控制端引線采用紅色引線，而霍爾輸出端引線則采用綠色引線?；魻栐臍んw用非導(dǎo)磁金屬、陶瓷或環(huán)氧樹脂封裝。(a)霍爾元件外形(b)電路符號(c)基本應(yīng)用電路二、霍爾元件材料電阻率、載流子遷移率、霍爾系數(shù)1．

7、鍺(Ge)，N型及P型均可。2．硅(Si)．N型及P型均可。3．砷化銦(InAs)和銻化銦(InSb)，這兩種材料的特性很相似?；魻栐臉?gòu)造及測量電路基于霍爾效應(yīng)工作的半導(dǎo)體器件稱為霍爾元件，霍爾元件多采用N型半導(dǎo)體材料?；魻栐奖?d越小)，kH就越大?；魻栐苫魻柶⑺母€和殼體組成，如圖所示。一、構(gòu)造霍爾片是一塊半導(dǎo)體單晶薄片(一般為4mm×2mm×0.1mm)，它的長度方向兩端面上焊有a、b兩根引線，通常用紅色導(dǎo)線，其焊接處稱為控制電極；在它的另兩側(cè)端面的中間以點(diǎn)