第5章霍尔传感器课件

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1、5.3.1 霍尔传感器的工作原理霍尔传感器的工作原理5.3.2 霍尔元件的基本结构霍尔元件的基本结构5.3.3 霍尔元件的基本测量电路霍尔元件的基本测量电路5.3.4 霍尔传感器的应用霍尔传感器的应用5.3 5.3 霍尔传感器霍尔传感器5.3.1 霍尔传感器的工作原理5.3 霍尔传感器5.3.1 5.3.1 霍尔传感器的工作原理霍尔传感器的工作原理霍尔效应霍尔效应：半导体薄片置于磁场中（磁场方向垂：半导体薄片置于磁场中（磁场方向垂直于薄片），当有电流流过时，在垂直于电流和直于薄片），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，这种现象称为霍尔磁场的方向上将产生电动势，这种现象称为霍

2、尔效应。产生的电动势称为霍尔电势。效应。产生的电动势称为霍尔电势。5.3.1 霍尔传感器的工作原理霍尔效应：半导体薄片置于磁场设图中的材料是型半设图中的材料是型半导体，导电的载流子是导体，导电的载流子是电子。在轴方向的磁电子。在轴方向的磁场作用下，电子将受到场作用下，电子将受到一个沿一个沿x轴负方向力的作轴负方向力的作用，这个力就是洛仑兹用，这个力就是洛仑兹力。它的大小为：力。它的大小为：FB=evB设图中的材料是型半导体，导电的载流子是电子。在轴方向的磁 电荷的聚积必将产生静电场，即为霍尔电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场，该静电场对电子的作用力为FE与洛仑

3、兹力与洛仑兹力方向相反，将阻止电子继续偏转，其大小为方向相反，将阻止电子继续偏转，其大小为式中式中EH为霍尔电场，为霍尔电场，e为电子电量，为电子电量，UH为霍尔电为霍尔电势。当势。当FB=FE时，电子的积累达到动态平衡，时，电子的积累达到动态平衡，即即所以：所以：电荷的聚积必将产生静电场，即为霍尔电场 设流过霍尔元件的电流为设流过霍尔元件的电流为 I 时时所以：所以：所以：所以：导体的电流密度为：导体的电流密度为：设流过霍尔元件的电流为 I 时所以：若磁场若磁场B和霍尔元件平面的法线成一角度和霍尔元件平面的法线成一角度，则作用于霍尔元件的有效磁感应强度为，则作用于霍尔元件的有效磁感应强度为B

4、 cos，因此，因此 UH=KHIBcos 若磁场B和霍尔元件平面的法线成一角度，则作用于霍尔 霍尔系数霍尔系数由材料的物理性质决定，反映霍尔效应的强弱。由材料的物理性质决定，反映霍尔效应的强弱。由于金属导体内的载流子浓度大于半导体内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。的载流子浓度，所以，半导体霍尔系数大于导体。霍尔系数 灵敏度灵敏度 单位磁感应强度和单位控制电流作用时，所单位磁感应强度和单位控制电流作用时，所产生的霍尔电势。产生的霍尔电势。它不仅与霍尔系数有关，还与霍尔元件的几它不仅与霍尔系数有关，还与霍尔元件的几何尺寸有关。何尺寸有关。一般要求

5、霍尔元件灵敏度越高越好，由一般要求霍尔元件灵敏度越高越好，由霍尔元件灵敏度的公式可知，霍尔元件的灵霍尔元件灵敏度的公式可知，霍尔元件的灵敏度与厚度成反比。敏度与厚度成反比。灵敏度通过以上分析可知：通过以上分析可知：1）霍尔电压）霍尔电压UH与材料的性质有关与材料的性质有关 n 愈大，愈大，UH 愈小，愈小，n 愈小，愈小，UH 愈大，但愈大，但n太小，需施加极高的电压才能产生很小的电太小，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流。因此霍尔元件一般采用N型半导体材料型半导体材料2）霍尔电压）霍尔电压UH与元件的尺寸有关。与元件的尺寸有关。d 愈小，愈小，UH 愈大，愈大，所以霍

6、尔元件的厚度都所以霍尔元件的厚度都比较薄，但比较薄，但d太小，会使元件的输入、输出太小，会使元件的输入、输出电阻增加。电阻增加。通过以上分析可知：1）霍尔电压UH与材料的性质有关2）霍尔电3 3）P P型半导体，其多数载流子是空穴，也存型半导体，其多数载流子是空穴，也存在霍尔效应，但极性和在霍尔效应，但极性和N N型半导体的相反。型半导体的相反。4 4）霍尔电压）霍尔电压U UH H与磁场与磁场B B和电流和电流I I成正比，如果成正比，如果其中一个为常数，另一个为待测量，只要测其中一个为常数，另一个为待测量，只要测出出U UH H ，就可求出待测量。，就可求出待测量。3）P型半导体，其多数载

7、流子是空穴，也存在霍尔效应，但极性和5.3.2 霍尔元件基本结构霍尔元件基本结构 霍尔元件由霍尔片、霍尔元件由霍尔片、引线和壳体组成。引线和壳体组成。霍尔片是一块矩形半导体单晶薄片霍尔片是一块矩形半导体单晶薄片,引出四个引线。引出四个引线。1 1、11引线称为激励电极；引线称为激励电极；2 2、22引线称为霍尔电极。引线称为霍尔电极。在电路中霍尔元件可用两种符号表示，如图在电路中霍尔元件可用两种符号表示，如图(c)(c)所示。所示。(a)外形外形(b)霍尔片霍尔片(c)符号符号5.3.2 霍尔元件基本结构(a)外形(b)霍尔片(c)符号国产霍尔元件型号的命名方法：国产霍尔元件型号的命名方法：国

8、产霍尔元件型号的命名方法常见的国产霍尔元件型号有常见的国产霍尔元件型号有HZ-1HZ-1、HZ-2 HZ-2、HZ-3 HZ-3、HT-1HT-1、HS-1HS-1等等国产霍尔元件型号的命名方法：国产霍尔元件型号的命名方法常见的 5.3.3 霍尔元件的基本测量电路霍尔元件的基本测量电路 霍尔元件的基本测量电路如图所示。激励电流霍尔元件的基本测量电路如图所示。激励电流由电压源由电压源E E供给，其大小由可变电阻来调节。霍尔供给，其大小由可变电阻来调节。霍尔元件输出接负载电阻元件输出接负载电阻R RL L，R RL L可以是放大器的输入电可以是放大器的输入电阻或测量仪表的内阻。阻或测量仪表的内阻。

9、基本测量电路基本测量电路 5.3.3 霍尔元件的基本测量电路基本测量电路 5.3.4 霍尔传感器的应用霍尔传感器的应用 1.1.测量磁场和电流测量磁场和电流 特斯拉计特斯拉计 霍尔式钳形电流表霍尔式钳形电流表 5.3.4 霍尔传感器的应用 1.测量磁场和电流 2.2.测量位移测量位移 霍尔式位移传感器的工作霍尔式位移传感器的工作原理如图所示。原理如图所示。磁场强度磁场强度相同的磁铁相同的磁铁,极性相反地极性相反地放置放置,霍尔元件处在两块霍尔元件处在两块磁铁的中间。由于磁铁中磁铁的中间。由于磁铁中间的磁感应强度间的磁感应强度B=0,B=0,因此因此霍尔元件输出的霍尔电也霍尔元件输出的霍尔电也等

10、于零。等于零。若霍尔元件在若霍尔元件在x轴方向移动轴方向移动,霍尔元件感受到的磁感应霍尔元件感受到的磁感应强度也随之改变，在其工强度也随之改变，在其工作范围内，作范围内，BKBx，其中，其中斜率斜率KB为常数；这时为常数；这时UH不不为零为零,UH的大小反映出霍的大小反映出霍尔元件的位移。尔元件的位移。若霍尔元件在x轴方向移动,霍尔元件感受到的磁感应强度3.测量转速测量转速 几几种种不不同同结结构构的的霍霍尔尔式式转转速速传传感感器器如如图图所所示示。小小磁磁铁铁固固定定在在转转盘盘上上，转转盘盘与与被被测测转转轴轴相相连连,当当被被测测转转轴轴转转动动时时,转转盘盘随随之之转转动动,小小磁磁铁铁通通过过霍霍尔尔传传感感器器时时，霍霍尔尔传传感感器器便便产产生生一一个个相相应应的的脉脉冲冲,检检测测出出单单位位时时间间的的脉脉冲冲数，数，便可知被测转速。便可知被测转速。3.测量转速 几种不同结构的霍尔式转速传感器如图所示。第5章霍尔传感器课件