傳感器第7章霍爾傳感器.ppt

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7 4霍耳傳感器是利用霍耳效應將被測非電量轉(zhuǎn)換為電量的一種傳感器 特點 靈敏度高 線性好 穩(wěn)定性高 體積小 耐高溫 霍耳式傳感器 7 4 1霍耳效應 霍耳傳感器就是基于霍耳效應 把一個導體 半導體薄片 兩端通以控制電流 在與電流不同的方向施加磁感強度B的磁場 在薄片的另外兩側(cè)會產(chǎn)生一個與控制電流 和磁場強度B的乘積成比例的電動勢 通電的導體 半導體 放在磁場中 電流 與磁場B方向不同時 在導體另外兩側(cè)會產(chǎn)生感應電動勢 這種現(xiàn)象稱霍耳效應 霍耳式傳感器 霍耳效應是由于運動電荷受磁場力 洛倫茲力 和電場力共同作用的結(jié)果 一塊長度為b 寬度為a 厚度為d的P型半導體薄片 將它置于磁場強度為B的磁場靜止不動 當y軸方向有電流I流動時 則有一個負電子與電流反向以速度v運動 如圖 7 4 1 1洛倫茲力的形成由磁場理論 帶電導體 電子 在磁場運動將受磁場力的作用 其大小為由矢量運算法則得大小為 霍耳式傳感器 洛倫茲力的方向由以下因素決定 1 決定于v和B之間的夾角2 決定于電荷Q的符號3 用左手螺旋定則判定若將取為電子 Q e 則電子以速度v與電流相反的方向運動的同時 因切割磁力線而產(chǎn)生洛倫茲力使電子的運動軌道發(fā)生偏轉(zhuǎn) 后面不斷積累電子 前面因失去電子而帶正電荷 7 4 1 2電場力的形成由于前后不斷積累正 負電荷而形成電場強度E 于是有 霍耳式傳感器 霍耳傳感器 7 4 1 3霍耳電勢的形成當作用于負電子上的兩個反向力相等時 電子積累過程達到平衡 此時Fe FL即 Ee evBsinaE vBsina所以AB前后兩面形成的電勢為霍耳電勢為 通過 半 導體薄片的電流I與載流子濃度n 電子運動速度v 薄片橫截面積a d有關 由霍耳傳感器的工作原理式得 1 UH B2 UH 1 d3 UH的方向與 B有關4 UH的靈敏度為5 霍耳系數(shù) 霍耳式傳感器 討論 任何材料在一定條件下都能產(chǎn)生霍爾電勢 但不是都可以制造霍爾元件 絕緣材料電阻率很大 電子遷移率很小 不適用 金屬材料電子濃度很高 RH很小 UH很小 半導體電子遷移率一般大于空穴的遷移率 所以霍爾元件多采用N型半導體 多電子 由上式可見 厚度d越小 霍爾靈敏度KH越大 所以霍爾元件做的較薄 通常近似1微米 霍耳式傳感器 7 5霍耳元件的符號 基本電路 霍耳元件的組合使用及輸出電路 7 5 1符號和基本電路 霍耳式傳感器 7 5 2組合使用電路 控制端并聯(lián) 輸出端串聯(lián) 霍耳式傳感器 7 5 3霍耳電勢的輸出電路 霍耳器件本身是一個四端口器件 本身不帶放大器 霍耳片每片輸出電勢為毫伏級 在實際使用時必須加差分放大器 霍耳元件的輸出電路可分為線性電路和開關電路 線性電路通常選用靈敏度低一點 不等電位小的 穩(wěn)定性和線性好的霍耳元件 開關電路一般選用放大器和靈敏度高的霍耳元件 霍耳式傳感器 霍爾接近開關 線性霍爾元件 霍耳式傳感器 7 6霍耳元件的測量誤差及補償 霍耳元件在使用中 存在多種因素影響測量精度 主要有兩類 半導體制造工藝和半導體固有特性 其表現(xiàn)為由零位誤差和溫度誤差而引起的測量誤差 7 6 1零位誤差及補償霍耳元件的零位誤差是加控制電流而不加磁場時出現(xiàn)的霍耳電勢 產(chǎn)生的主要原因1 不等位電勢及補償 霍耳式傳感器 1 當A B極處于同一等電位面上時 電橋平衡 則不等電位 2 當A B極不處于同一等電位面上時 根據(jù)兩點電位高低 判斷應在某一臂上并聯(lián)一個電阻 使電橋平衡 常用的不等位電勢補償電路 B 霍耳式傳感器 霍耳式傳感器 2 寄生直流電勢誤差產(chǎn)生寄生直流電勢的主要原因是 控制極與霍爾極元件接觸不良 形成非歐姆接觸 2個霍爾電極大小不對稱 使2個電極的熱容量不同 散熱狀態(tài)不同 兩極間出現(xiàn)溫差電勢 使霍爾元件產(chǎn)生溫漂所致 3 感應零位電勢誤差霍爾元件在交流或脈動磁場中工作時 即使不加控制電流 由于霍爾極分布不對稱 霍爾端也有一定輸出 其大小正比于磁場的脈動頻率 磁感應強度的幅值和兩霍爾電極引線構(gòu)成的感應面積 4 自勵磁場零位電勢誤差當霍爾元件通以控制電流時 此電流也會產(chǎn)生磁場 稱自勵磁場 當電極引線不對稱時 元件兩邊磁感應強度不相等 將有自勵場的零位電勢輸出 霍耳式傳感器 7 6 2霍耳元件的溫度誤差及補償 霍爾元件是半導體元件 它的許多參數(shù)與溫度有關 當溫度T變化時 載流子濃度n 遷移率 電阻率 霍爾系數(shù)RH都會變化 以下是幾種補償方法 恒流源補償 由UH KHIB可見恒流源供電可使UH穩(wěn)定但靈敏度系數(shù)KH RH d 1 ned也是溫度的函數(shù) 霍耳式傳感器 具體補償方法 在霍爾元件上并聯(lián)一R0分流 當T增大時 Ri增大 UH增大 H減小 0增大 UH下降 R0自動加強分流 使 0增大 H下降 UH下降 補償電阻R0可選擇負溫度系數(shù) 其他補償方法 輸出回路的負載補償法 熱敏電阻補償法 輸出回路并聯(lián)電阻補償法 橋路補償法 霍耳式傳感器 常用的測量電路 集成霍耳傳感器 霍耳式傳感器 7 7霍耳式傳感器的應用 霍爾元件符號 霍耳式傳感器 霍耳式傳感器 霍耳式傳感器 霍耳式傳感器 霍耳式傳感器 集成霍爾元件 霍耳式傳感器 線性集成電路 測位移 測振動 霍耳式傳感器 開關集成器件 測轉(zhuǎn)速 開關控制 判斷NS極性 B B 形成切換回差 這是位置式作用傳感器的特點 作無觸點開關時可防止干擾引起的誤動作 形成切換回差 霍耳式傳感器 應用 無觸點開關 霍耳式傳感器 應用 天然氣點火電路 霍耳式傳感器 霍耳式傳感器 基于霍耳效應的壓力傳感器 它將霍耳元件固定于彈性敏感元件上 在壓力的作用下霍耳元件隨彈性敏感元件的變形而在磁場中產(chǎn)生位移 從而輸出與壓力成一定關系的電信號 保持霍耳元件的激勵電流不變 而使它在一個均勻梯度的磁場中移動時 它輸出的霍耳電勢大小就取決于它在磁場中的位移量 見半導體磁敏元件 磁場梯度越大 靈敏度就越高 梯度變化越均勻 霍耳電勢與位移的關系就越接近于線性 霍耳元件結(jié)構(gòu)簡單 形小體輕 無觸點 頻帶寬 動態(tài)特性好 壽命長 而且已經(jīng)商品化 霍耳元件用于壓力傳感器 按照彈性敏感元件的不同有多種結(jié)構(gòu)形式 圖a b中的壓力傳感器分別采用膜盒和波登管作為彈性敏感元件 并由兩塊半環(huán)形五類磁鐵產(chǎn)生梯度均勻的磁場 霍耳式傳感器 7 5磁敏電阻磁敏電阻 Magnetoresistance 是指利用半導體磁阻效應而制成的可對磁場敏感的元件 磁阻效應將一個載流導體位于外磁場中 除了會產(chǎn)生霍爾效應以外 其電阻值也會隨著磁場而變化 這種現(xiàn)象稱為磁電阻效應 簡稱為磁阻效應 磁阻效應是伴隨者霍爾效應同時發(fā)生的一種物理效應 磁敏電阻就是利用磁阻效應制作成的一種磁敏元件 霍耳式傳感器