《hall传感器》PPT课件.ppt
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1、三、霍尔式传感器三、霍尔式传感器 Hallsensor 霍尔式传感器是利用霍尔效应原理将被霍尔式传感器是利用霍尔效应原理将被测量如电流、磁场、位移、压力等转换成电测量如电流、磁场、位移、压力等转换成电动势输出的一种传感器。动势输出的一种传感器。优点优点:结构简单,体积小,坚固;频响范结构简单,体积小,坚固;频响范围宽(从直流到微波),动态范围大;使用围宽(从直流到微波),动态范围大;使用寿命长寿命长,可靠性高;易微型化和集成电路化。可靠性高;易微型化和集成电路化。缺点:缺点:转换效率较低;受温度影响大。转换效率较低;受温度影响大。1.1.工作原理工作原理霍尔效应霍尔效应霍尔效应霍尔效应Hall
2、effect 金属或半导体金属或半导体薄片置于磁感应强度为的磁场中,当有电流薄片置于磁感应强度为的磁场中,当有电流通过时,在垂直于电磁场的方向上将产生电通过时,在垂直于电磁场的方向上将产生电动势,这一物理现象称为霍尔效应,相应的动势,这一物理现象称为霍尔效应,相应的电动势称为霍尔电势。电动势称为霍尔电势。霍霍尔效效应在高在高纯度半度半导体中表体中表现很很显著,著,以半以半导体材料制成的霍体材料制成的霍尔式式传感器已广泛用感器已广泛用于很多于很多领域中。域中。半导体霍尔:霍尔:霍尔:霍尔:18791879年年年年半导体霍尔效应原理图霍尔效应原理图电流密度流密度 ,其中其中n n为N N型型半半导
3、体中的体中的电子子浓度度,负号表示号表示电子运子运动速速度方向与度方向与电流方向相反。所以通流方向相反。所以通过半半导体的体的电流的大小流的大小为:电子运子运动的速度的速度为:霍霍尔系数系数灵敏度系数灵敏度系数 与半与半导体材料的物理性体材料的物理性质和几何尺寸有关。和几何尺寸有关。物理意义:表示在单位磁感应强度和单位物理意义:表示在单位磁感应强度和单位控制电流时霍尔元件输出的霍尔电势的大小。控制电流时霍尔元件输出的霍尔电势的大小。一般一般电子的迁移率大于空穴迁移率电子的迁移率大于空穴迁移率,故故N N型半型半导体的霍体的霍尔系数大于系数大于P P型半型半导体的体的霍霍尔系数,因此霍系数,因此
4、霍尔元件多用元件多用N N型半型半导体体材料。由于材料。由于与元件厚度与元件厚度d d成反比,成反比,d d越越小,小,越大,因此一般霍越大,因此一般霍尔元件都很薄。元件都很薄。若霍若霍尔元件元件为P P型半型半导体,体,载流子流子为空穴,空穴,(其(其浓度度为P P)则霍霍尔电势为:当当载流材料和几何尺寸确定后,流材料和几何尺寸确定后,的的大小正比于控制大小正比于控制电流和磁感流和磁感应强度,即:度,即:因此可用于因此可用于测量磁量磁场(I I恒定),恒定),检测电流流(B B恒定),恒定),还可制成各种运算器(可制成各种运算器(I I、B B均均作作为变量,可作乘法器、功率量,可作乘法器、
5、功率计等)。当等)。当霍霍尔元件在一个元件在一个线性梯度磁性梯度磁场中移中移动时,将反映磁将反映磁场的的变化,由此可用于化,由此可用于检测微小微小位移、位移、压力和机械振力和机械振动等。等。2.2.霍尔元件(材料、结构)霍尔元件(材料、结构)基于霍基于霍尔效效应工作工作的半的半导体器件称霍体器件称霍尔元元件。其外形、件。其外形、结构如构如图示。示。霍霍尔元件的元件的结构很构很简单,它由霍,它由霍尔片、引片、引线和壳体和壳体组成。成。abcd长度方向的两端面上度方向的两端面上焊有两根引有两根引线(图中中a,ba,b)作)作为控制电流端引线控制电流端引线,焊接处称控焊接处称控制电极(激励电极)制电
6、极(激励电极),要求接触要求接触电阻要小并阻要小并呈呈纯电阻。阻。另两另两侧端面的中端面的中间以点的形式以点的形式对称称焊有有两根两根霍尔电势输出端引线霍尔电势输出端引线,焊接处称霍尔电焊接处称霍尔电极极,要求欧姆接触,要求欧姆接触,电极的极的宽度与霍度与霍尔片的片的长度之比要小于,度之比要小于,电极位于极位于1/21/2处,此此时霍霍尔电势为最大最大值。霍霍尔元件的壳体用非元件的壳体用非导磁金属,陶瓷或磁金属,陶瓷或环氧氧树脂封装。脂封装。霍尔元件外形、结构和符号霍尔元件外形、结构和符号 霍霍尔元件最常用的材料有:元件最常用的材料有:锗锗(Ge)(Ge)、硅、硅(Si)(Si)、锑化铟、锑化
7、铟(InSb)(InSb)、砷化铟、砷化铟(InAs)(InAs)等等锑化化铟材料霍材料霍尔系数大,但系数大,但对温度最敏温度最敏感,受温度影响感,受温度影响较大;大;NN型型锗容易加工制造,其霍容易加工制造,其霍尔系数,温度系数,温度性能和性能和线性度都性度都较好;好;砷化砷化铟霍霍尔系数系数较小,受温度的影响比小,受温度的影响比锑化化铟要小(温度系数要小(温度系数较小)且小)且线性度性度较好。好。时多采用多采用锑化化铟材料。材料。输入1输入2输出1输出2磁性顶端引线衬底霍尔元件溅射溅射工艺制作的工艺制作的锑化锑化铟霍尔元件铟霍尔元件3.3.霍尔元件的电磁特性霍尔元件的电磁特性(1 1)指控
8、制电流与霍尔指控制电流与霍尔电势之间的关系。电势之间的关系。当磁当磁场恒定,在一恒定,在一定定环境温度下,控境温度下,控制制电流与霍流与霍尔电势之之间呈呈线性关系。性关系。指霍尔电势与磁场强度指霍尔电势与磁场强度之间的关系。之间的关系。控制控制电流流一定一定时,霍,霍尔元件的开元件的开路霍路霍尔输出随磁感出随磁感应强度增加而增大,但不完度增加而增大,但不完全呈全呈线性关系,只有性关系,只有当当时,才呈,才呈现较好的好的线性性见图示。示。指霍尔元件的输入(或输出)电阻与磁场指霍尔元件的输入(或输出)电阻与磁场 B B 之间的关系。之间的关系。实验结果果显示,示,霍霍尔元件的内阻元件的内阻随磁随磁
9、场绝对值的的增加而增加,此增加而增加,此现象称象称为磁阻效磁阻效应。磁阻效应磁阻效应指霍尔元件的内阻随磁指霍尔元件的内阻随磁场的绝对值增加而增加的现象。场的绝对值增加而增加的现象。磁阻效磁阻效应产生生的本的本质源于材料中源于材料中载流子运流子运动速度具有一定的速度具有一定的统计分布。以速度分布。以速度v v2 2运运动的的电子,当子,当时,电子沿直子沿直线运运动;速度速度为v v1 1vv2 2的的电子,子,电子向子向f fE E方方向偏向偏转;速度;速度为v v3 3v v2 2的的电子,子,电子向子向F FL L方向偏方向偏转,由此造成控,由此造成控制制电流方向流方向电流密度减小,即由于磁
10、流密度减小,即由于磁场的的存在增加了元件的内阻。存在增加了元件的内阻。磁阻效磁阻效应产生机理生机理 利用磁阻效应制作的元件利用磁阻效应制作的元件磁阻元件磁阻元件,可用来测量磁感应强度等许多非电量。可用来测量磁感应强度等许多非电量。磁阻效磁阻效应的大小除与材料中的大小除与材料中载流子的迁流子的迁移率有关(迁移率愈大,磁阻效移率有关(迁移率愈大,磁阻效应愈愈显著)著)外,外,还与元件的几何形状有密切关系,如与元件的几何形状有密切关系,如长宽比愈小,磁阻效比愈小,磁阻效应愈大。愈大。作作为霍霍尔式式传感器,其磁阻效感器,其磁阻效应的存在的存在会使霍会使霍尔输出降低,特出降低,特别在在强磁磁场时,输出
11、出降低降低较多,必要多,必要时需采用一定的方法予以需采用一定的方法予以补偿。4.霍尔元件的误差及其补偿霍尔元件的误差及其补偿霍霍尔元件主要元件主要误差及差及补偿方法包括两个方面:方法包括两个方面:(1)霍尔元件的零位误差及其补偿)霍尔元件的零位误差及其补偿不等位不等位电势及其及其补偿 当霍尔元件通以控制电流而不加外磁场时,当霍尔元件通以控制电流而不加外磁场时,其霍尔输出端之间仍有空载电势存在,该电势其霍尔输出端之间仍有空载电势存在,该电势称为不等位电势。称为不等位电势。产生原因:生原因:制造工制造工艺不可能保不可能保证两个霍两个霍尔电极极对称地称地焊在霍在霍尔片的两片的两侧,致使两,致使两电极
12、点不能完全位极点不能完全位于同一等位面上;于同一等位面上;霍霍尔片片电阻率及厚薄不均匀;阻率及厚薄不均匀;控制控制电极接触不良。极接触不良。产生不等位生不等位电势示意示意图补偿方法:方法:工工艺上采取措施,尽量使霍上采取措施,尽量使霍尔电极极对称称 采用采用补偿电路路霍霍尔元件等效元件等效电路路为一个四臂一个四臂电桥,因此可在某,因此可在某一一桥臂并上一定臂并上一定电阻将其降到最小,甚至阻将其降到最小,甚至为零。零。图为几种不等位几种不等位电势的的补偿电路,其中不路,其中不对称称补偿简单,而,而对称称补偿温度温度稳定性好。定性好。霍霍尔元件符号及等效元件符号及等效电路路 X不等位不等位电势的的
13、补偿(a)a)不不对称称补偿(b b)对称称补偿 X X X寄生直流寄生直流电势 当霍尔元件通以交流控制电流而不加外磁场时,当霍尔元件通以交流控制电流而不加外磁场时,霍尔输出除交流不等位电势外,还存在一个直流电霍尔输出除交流不等位电势外,还存在一个直流电势分量,为寄生直流电势。它随时间变化,会导致势分量,为寄生直流电势。它随时间变化,会导致输出漂移。输出漂移。产生原因:生原因:两两对电极不是完全欧姆接触而形成整流效极不是完全欧姆接触而形成整流效应;两个霍两个霍尔电极的极的焊点大小不等,点大小不等,热容量不同,容量不同,引起温差所引起温差所产生。生。对此在元件制作和安装此在元件制作和安装时,尽量
14、使,尽量使电极欧姆接极欧姆接触,并做到散触,并做到散热均匀,有良好的散均匀,有良好的散热条件来予以条件来予以补偿。感感应零零电势及其及其补偿 霍尔元件在交流或脉动磁场中工作时,即使霍尔元件在交流或脉动磁场中工作时,即使不加控制电流,霍尔端也会有输出,此即感应零不加控制电流,霍尔端也会有输出,此即感应零电势。电势。它是由于霍它是由于霍尔电极的引极的引线布置不合理造成的。布置不合理造成的。它的大小正比于磁它的大小正比于磁场变化化频率、磁感率、磁感应强度的幅度的幅值以及霍以及霍尔电极引极引线所构成的感所构成的感应面面积。其。其补偿方法方法见图。感感应零零电势及其及其补偿自激自激场零零电势 当霍尔元件
15、通以控制电流时,此电流会产当霍尔元件通以控制电流时,此电流会产生磁场生磁场自激场,当电流引线处于两端面中自激场,当电流引线处于两端面中间时不影响霍尔输出,反之会有自激场零电势间时不影响霍尔输出,反之会有自激场零电势输出。输出。控制控制电流引流引线需合理安排以消除需合理安排以消除该电势的的影响。影响。(2)霍尔元件的温度误差及其补偿)霍尔元件的温度误差及其补偿霍霍尔元件由半元件由半导体材料制成,而半体材料制成,而半导体材料的体材料的电阻率,迁移率及阻率,迁移率及载流子流子浓度等都随温度度等都随温度变化,因化,因此霍此霍尔元件的性能参数如元件的性能参数如输入和入和输出出电阻,霍阻,霍尔常常数会随温
16、度数会随温度变化,致使霍化,致使霍尔电势变化,化,产生温度生温度误差。差。砷化砷化铟材料温度系数最小。材料温度系数最小。方法有:方法有:采用恒流源供采用恒流源供电,输入回路并入回路并联电阻阻合理合理选择负载电阻的阻阻的阻值采用恒采用恒压源和源和输入回路串入回路串联电阻阻 采用温度采用温度补偿元件元件电电路路路路补偿补偿 措施措施选择选择温度系数小的材料温度系数小的材料温度系数小的材料温度系数小的材料5.5.霍尔传感器的应用霍尔传感器的应用 U UH H=f(B)(I=f(B)(I恒定恒定)可用于可用于测量恒定或交量恒定或交变磁磁场;U UH H=f(I)(B=f(I)(B恒定恒定)可用于可用于
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