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1、 传感器原理与应用传感器原理与应用第七章第七章 传感器原理与应用传感器原理与应用第七章第七章 传感器原理与应用传感器原理与应用第七章第七章7.1 7.1 霍尔传感器霍尔传感器 霍尔效应是磁电效应的一种，这一现象霍尔效应是磁电效应的一种，这一现象是美国物理学家霍尔（，是美国物理学家霍尔（，18551938）于于1879年在研究金属的导电机构时发现年在研究金属的导电机构时发现的。当的。当电流电流垂直于外磁场通过导体时，垂直于外磁场通过导体时，在导体的垂直于磁场和电流方向的两个在导体的垂直于磁场和电流方向的两个端面之间会出现端面之间会出现电势差电势差，这一现象便是，这一现象便是霍尔效应。这个电势差也
2、被叫做霍尔电霍尔效应。这个电势差也被叫做霍尔电势差。势差。传感器原理与应用传感器原理与应用第七章第七章有一如图所示的半导体有一如图所示的半导体薄片，若在它的两端通薄片，若在它的两端通以控制电流以控制电流I，在薄片的，在薄片的垂直方向上施加磁感应垂直方向上施加磁感应强度为强度为B的磁场，则在薄的磁场，则在薄片的片的另两侧面会产生与另两侧面会产生与I和和B的乘积成比例的电动的乘积成比例的电动势势UH（霍尔电势或称霍（霍尔电势或称霍尔电压）。尔电压）。这种现象就这种现象就称为称为霍尔效应。霍尔效应。霍尔电极霍尔电极 传感器原理与应用传感器原理与应用第七章第七章UHbldIFLFEvB是半导体中的自由
3、电荷在磁场中受到洛伦兹力作用而产生的。是半导体中的自由电荷在磁场中受到洛伦兹力作用而产生的。传感器原理与应用传感器原理与应用第七章第七章 传感器原理与应用传感器原理与应用第七章第七章dIBRUHH 传感器原理与应用传感器原理与应用第七章第七章dRKHH IBKUHH nqdKH1 传感器原理与应用传感器原理与应用第七章第七章IEv lUv IEbBlUvbBUH lBUbRbdlUdBRRUdBRdIBRUHHHHH 传感器原理与应用传感器原理与应用第七章第七章 HR 12)-(7 HRpedIBUH 传感器原理与应用传感器原理与应用第七章第七章 HRdRKHH bBlUvbBUH IBKUH
4、H 材料的材料的、大，大，RH就大。金属的就大。金属的虽然很大，但虽然很大，但很很小，故不宜做成元件。在半导体材料中，由于电子的小，故不宜做成元件。在半导体材料中，由于电子的迁移率比空穴的大，且迁移率比空穴的大，且np，所以霍尔元件一般采，所以霍尔元件一般采用用N型半导体材料。型半导体材料。传感器原理与应用传感器原理与应用第七章第七章 传感器原理与应用传感器原理与应用第七章第七章 传感器原理与应用传感器原理与应用第七章第七章W1W2UHUHWUHRLE 传感器原理与应用传感器原理与应用第七章第七章 传感器原理与应用传感器原理与应用第七章第七章tUUUHoHoHt/)（)1(tUUHoHt 传感
5、器原理与应用传感器原理与应用第七章第七章tRRRioioit/)（)1(tRRioit )1(tRROoOt dRKHH/传感器原理与应用传感器原理与应用第七章第七章 不等位电压是不等位电压是由于元件输出极焊接不对称、厚薄不由于元件输出极焊接不对称、厚薄不均匀以及两个输出极接触不良等原因造成的，均匀以及两个输出极接触不良等原因造成的，可以通可以通过桥路平衡的原理加以补偿。过桥路平衡的原理加以补偿。如图所示，如图所示，因此当控制因此当控制电流电流I流过元件时，即使磁场强度流过元件时，即使磁场强度B等于零，在霍尔电等于零，在霍尔电极上仍有电势存在，该电势就称为极上仍有电势存在，该电势就称为不等位电
6、势不等位电势。传感器原理与应用传感器原理与应用第七章第七章AIU0BCDDR1R2R4ABCR3R4 在分析不等位电势时，我们在分析不等位电势时，我们把霍尔元件等效把霍尔元件等效为一个电桥为一个电桥，传感器原理与应用传感器原理与应用第七章第七章BBBWACDWACD (b)WCADWCDAR2R3R4R1BBWDAR2R3R4R1C（a）（b）（c）WCDAR2R3R4R1B 传感器原理与应用传感器原理与应用第七章第七章 由于半导体材料的由于半导体材料的电阻率电阻率、迁移率迁移率和和载流子浓度载流子浓度等会等会随温随温度的变化度的变化而而发生变化发生变化，所以霍尔元件的内阻、输出电压等参数也，
7、所以霍尔元件的内阻、输出电压等参数也将随温度而变化。不同材料的内阻及霍尔电压与温度的关系曲线将随温度而变化。不同材料的内阻及霍尔电压与温度的关系曲线见图，见图，传感器原理与应用传感器原理与应用第七章第七章 图中，内阻和霍尔电压都用相对比率表示。我们图中，内阻和霍尔电压都用相对比率表示。我们把把温度每变化温度每变化11时，霍尔元件输入电阻或输出电阻时，霍尔元件输入电阻或输出电阻的相对变化率称为内阻温度系数，用的相对变化率称为内阻温度系数，用表示。表示。把把温温度每变化度每变化11时，霍尔电压的相对变化率称为霍尔电时，霍尔电压的相对变化率称为霍尔电压温度系数，用压温度系数，用表示。表示。传感器原理
8、与应用传感器原理与应用第七章第七章UHEIREUHtRt(t)RIUHRi(t)UHEIR霍尔元件温度补偿的方法很多 传感器原理与应用传感器原理与应用第七章第七章 tRRHtH 10 tRRiit 10 ittRREI ittHHHRREBdRBIdRU UHEIR 传感器原理与应用传感器原理与应用第七章第七章.dtdUH RRRRRRRUiiitiH002200 000 RRRii 0iRR 传感器原理与应用传感器原理与应用第七章第七章 传感器原理与应用传感器原理与应用第七章第七章)1()1(00tUUtRRHHtOOt LLOHLtRRtRtUU )1()1(00 0 dtdULt 传感器
9、原理与应用传感器原理与应用第七章第七章0 dtdULt 0)1)100 tRRtROLO （0OLRR0OLRR 传感器原理与应用传感器原理与应用第七章第七章 传感器原理与应用传感器原理与应用第七章第七章 传感器原理与应用传感器原理与应用第七章第七章 传感器原理与应用传感器原理与应用第七章第七章 传感器原理与应用传感器原理与应用第七章第七章 传感器原理与应用传感器原理与应用第七章第七章 传感器原理与应用传感器原理与应用第七章第七章 传感器原理与应用传感器原理与应用第七章第七章 传感器原理与应用传感器原理与应用第七章第七章第第4章章 磁敏传感器磁敏传感器第第4章第章第38页共页共157页页38式
10、中：式中：k是位移传感器的输出灵敏度。是位移传感器的输出灵敏度。将积分后得：将积分后得：UH=kx说明，说明，霍尔电势与位移量成线性关系霍尔电势与位移量成线性关系。霍尔电势的。霍尔电势的极性极性反映了反映了元件位移的方向元件位移的方向。磁场梯度越大，灵敏度越高；磁场磁场梯度越大，灵敏度越高；磁场梯度越均匀，输出线性度越好梯度越均匀，输出线性度越好。kdxdBIRdxdUHH 若磁场在一定范围内沿若磁场在一定范围内沿x方向的变化梯度方向的变化梯度dBdx为一常为一常数，则当霍尔元件沿数，则当霍尔元件沿x方向移动时，霍尔电势的变化为：方向移动时，霍尔电势的变化为：式中：式中：k是位移传感器的输出灵敏度。是位移传感器的输出灵敏度。将积分后得：将积分后得：UH=kx说明，说明，霍尔电势与位移量成线性关系霍尔电势与位移量成线性关系。霍尔电势的。霍尔电势的极性极性反映了反映了元件位移的方向元件位移的方向。磁场梯度越大，灵敏度越高；磁场磁场梯度越大，灵敏度越高；磁场梯度越均匀，输出线性度越好梯度越均匀，输出线性度越好。传感器原理与应用传感器原理与应用第七章第七章 传感器原理与应用传感器原理与应用第七章第七章这类霍尔压力传感器是把压力先转换成位移后，再这类霍尔压力传感器是把压力先转换成位移后，再应用霍应用霍尔电势与位移关系测量压力尔电势与位移关系测量压力。
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