《傳感器與檢測(cè)技術(shù)》霍爾式傳感器霍爾式傳感器Co

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01霍爾效應(yīng)02霍爾元件03霍爾式傳感器的應(yīng)用01SENSORSANDAUTOMATICDETECTIONTECHNOLOGY霍爾效應(yīng)一、霍爾效應(yīng)

導(dǎo)體或半導(dǎo)體中流過(guò)電流時(shí)，沒(méi)有磁場(chǎng)的影響，則正電荷載流子能平穩(wěn)地流過(guò)，此時(shí)輸出端的電壓為零。當(dāng)在半導(dǎo)體加入與電流方向垂直的磁場(chǎng)時(shí)，如圖1所示，電荷載流子會(huì)由于洛倫茲力的作用而偏向—側(cè)，在半導(dǎo)體內(nèi)側(cè)方向積聚大量的電子，而外側(cè)積聚大量的正電荷，在兩個(gè)側(cè)面間形成了霍爾電場(chǎng)，在輸出端產(chǎn)生的電壓為霍爾電壓。圖1霍爾效應(yīng)原理圖一、霍爾效應(yīng)

金屬或半導(dǎo)體薄片在磁場(chǎng)中，當(dāng)有電流流過(guò)時(shí)，在垂直于電流和磁場(chǎng)的方向上將產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)，這種物理現(xiàn)象稱(chēng)為霍爾效應(yīng)。該電勢(shì)稱(chēng)為霍爾電勢(shì)。該電場(chǎng)強(qiáng)度為（式1）

式中：UH——霍爾電勢(shì)差；b為霍爾片寬度洛侖茲力：fＬ＝qvB

（式2）電場(chǎng)力：FＥ＝qEＨ＝qUＨ／b（式3）

一、霍爾效應(yīng)

該電場(chǎng)的電場(chǎng)力FＥ又阻礙電子的偏移，當(dāng)電場(chǎng)力與洛倫茲力相等時(shí)，即

qEＨ＝qvB（式4）

則

UＨ＝vBb（式5）

若金屬或半導(dǎo)體薄片單位體積內(nèi)電子數(shù)為n，則電流I=nqvbd，式中d為霍爾片厚度可得：

UＨ＝IB/nqd＝KＨIB（式6）式中，ＫＨ為霍爾元件的靈敏度，KＨ＝UＨ/IB＝1/nqd02SENSORSANDAUTOMATICDETECTIONTECHNOLOGY霍爾元件二、霍爾元件1.

霍爾元件的材質(zhì)

霍爾元件常用鍺、硅、砷化鎵、砷化銦及銻化銦等半導(dǎo)體材料制成。銻化銦產(chǎn)生的霍爾電勢(shì)較大，但受溫度的影響大；鍺及砷化銦受溫度影響小，線性好，但霍爾電勢(shì)小；砷化鎵溫度特性好，但價(jià)格貴。

圖2霍爾傳感器的外形圖二、霍爾元件2.霍爾元件的結(jié)構(gòu)

其外形結(jié)構(gòu)如圖3所示，由霍爾片、四根引線和殼體組成，其中1.2電極用于控制電流，常用紅色線，另—對(duì)3.4電極用于引出霍爾電勢(shì)，常用黃色線或綠色線。在基片外面用金屬或陶瓷、環(huán)氧樹(shù)脂等封裝作為外殼。

(a)

(b)a.外形結(jié)構(gòu)圖

b.圖形符號(hào)

1.2.激勵(lì)電極；

3.4.霍爾電極

圖3霍爾元件二、霍爾元件3.霍爾元件的基本特性

(1)輸入電阻Ri：霍爾元件的兩個(gè)激勵(lì)電極間的電阻值稱(chēng)為輸入電阻。

(2)輸出電阻RO：兩個(gè)霍爾電勢(shì)輸出端之間的電阻稱(chēng)為輸出電阻。

(3)額定激勵(lì)電流Ic：當(dāng)霍爾元件自身溫升10℃時(shí)所流過(guò)的激勵(lì)電流稱(chēng)為額定激勵(lì)電流。

(4)不等位電勢(shì)UO：當(dāng)霍爾元件的激勵(lì)電流為Ic時(shí)，若元件所處位置磁感應(yīng)強(qiáng)度為零，則它的霍爾電勢(shì)應(yīng)該為零，但實(shí)際不為零，這時(shí)測(cè)得的空載霍爾電勢(shì)稱(chēng)不等位電勢(shì)，不等位電勢(shì)UO與激勵(lì)電流的比值成為不等為電阻RO。二、霍爾元件3.霍爾元件的基本特性

如圖4所示，產(chǎn)生不等位電勢(shì)的原因有以下幾方面：

a.存在電極的安裝位置不對(duì)稱(chēng)；

b.半導(dǎo)體材料電阻率不均衡或幾何尺寸不均勻；

c.激勵(lì)電極接觸不良造成激勵(lì)電流不均勻分布等。圖4不等位電阻二、霍爾元件

3.霍爾元件的基本特性(5)靈敏度KH：在單位控制電流和單位磁感應(yīng)強(qiáng)度下，霍爾電勢(shì)輸出端開(kāi)路時(shí)的電勢(shì)值，其單位為(V/AT)，它反映了霍爾元件本身所具有的磁電轉(zhuǎn)換能力，一般希望它越大越好。

(6)寄生直流電勢(shì)Ug：在不加外磁場(chǎng)時(shí)，交流控制電流通過(guò)霍爾元件而在霍爾電極間產(chǎn)生的直流電勢(shì)為寄生直流電勢(shì)。(7)霍爾電動(dòng)勢(shì)的溫度系數(shù)α：在一定磁場(chǎng)強(qiáng)度和控制電流作用下，溫度每變化1℃，霍爾電動(dòng)勢(shì)變化的百分?jǐn)?shù)稱(chēng)為霍爾電動(dòng)勢(shì)溫度系數(shù)，與霍爾材料無(wú)關(guān)。

(8)電阻溫度系數(shù)β：電阻溫度每變化1℃，霍爾元件材料的電阻變化率。

(9)霍爾系數(shù)（又稱(chēng)霍爾常數(shù)）：它表示霍爾效應(yīng)的強(qiáng)弱。03SENSORSANDAUTOMATICDETECTIONTECHNOLOGY霍爾式傳感器的應(yīng)用三、霍爾式傳感器的應(yīng)用1.霍爾傳感器測(cè)量轉(zhuǎn)速

將磁鐵裝在轉(zhuǎn)盤(pán)上，轉(zhuǎn)盤(pán)隨被測(cè)軸轉(zhuǎn)動(dòng)，霍爾元件固定在轉(zhuǎn)盤(pán)附近，如圖5所示。當(dāng)磁鐵隨轉(zhuǎn)盤(pán)旋轉(zhuǎn)通過(guò)霍爾元件時(shí)，霍爾元件輸出脈沖信號(hào)，只要檢測(cè)出單位時(shí)間的脈沖數(shù)，就測(cè)出了轉(zhuǎn)速。1.輸入軸；2.轉(zhuǎn)盤(pán)；3.磁鐵；4.霍爾傳感器圖5霍爾式轉(zhuǎn)速傳感器的結(jié)構(gòu)三、霍爾式傳感器的應(yīng)用2.霍爾傳感器測(cè)量位移

圖6(a）中磁場(chǎng)強(qiáng)度相同的兩塊永久磁鐵同極性相對(duì)地放置，霍爾元件處于兩塊磁鐵中間。由于磁鐵中間的磁感應(yīng)強(qiáng)度B=0，由此霍爾元件的輸出電壓U也等于零，這時(shí)位移Δx=0。若霍爾元件在兩磁鐵中間產(chǎn)生相對(duì)位移，霍爾元件感受到的磁感應(yīng)強(qiáng)度也隨之改變，這時(shí)有輸出U，其量值大小反映出霍爾元件與磁鐵之間相對(duì)位置的變化量。這種結(jié)構(gòu)的傳感器，其動(dòng)態(tài)范圍可達(dá)5mm，當(dāng)位移小于2mm時(shí)，輸出霍爾電壓與位移之間有良好的線性關(guān)系。

(a)(b)（c)(a)磁場(chǎng)強(qiáng)度相同的傳感器(b)簡(jiǎn)單的位移傳感器(c)結(jié)構(gòu)相同的位移傳感器圖6霍爾式位移傳感器的工作原理圖三、霍爾式傳感器的應(yīng)用2.霍爾傳感器測(cè)量位移

圖6（b）所示的是一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的霍爾位移傳感器，是由一塊永久磁鐵組成磁路的傳感器，在霍爾元件處于初始位置Δx=0時(shí)，霍爾電壓不等于零。

(a)(b)（c)(a)磁場(chǎng)強(qiáng)度相同的傳感器(b)簡(jiǎn)單的位移傳感器(c)結(jié)構(gòu)相同的位移傳感器圖6霍爾式位移傳感器的工作原理圖三、霍爾式傳感器的應(yīng)用

7.2.2霍爾傳感器測(cè)量位移圖6（c）所示的是一個(gè)由兩個(gè)結(jié)構(gòu)相同的磁路組成的霍爾式位移傳感器，為了獲得較好的線性分布，在磁極端面裝有極靴，霍爾元件調(diào)整好初始位置時(shí)，可以使霍爾電壓等于零。這種傳感器靈敏度很高，但它所能檢測(cè)的位移量較小，適