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1、第11讲霍尔式压力传感器Hall Pressure Sensors,Edwin Herbert Hall,Edwin Herbert Hall (1855-1938),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（E. H. Hall，18551938）于1879年在研究金属的导体热电机理时发现的。当电流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端面之间会出现电势差，这一现象便是霍尔效应。这个电势差也被叫做霍尔电势差。,霍尔电势,电场力,洛仑兹力,控制电流,电子速度,磁感应强度,半导体薄片置于磁场 B 中，当它的电流 I 方向与磁场方向不一致时，半导体薄片上平行于电流和
2、磁场方向的两个面之间产生电动势 UH ，这种现象称 霍尔效应。产生的电动势称 霍尔电势半导体薄片称 霍尔元件,载流子受洛仑兹力,霍尔电场强度,e 1.60210-19 为电子电荷量,电场力,电子运动平均速度,因为,n 为N型半导体中的电子浓度,平衡状态,可得,RH 霍尔常数，由载流材料物理性质决定。I控制电流强度B 磁感应强度d 霍尔元件厚度,霍尔常数,霍尔常数大小取决于导体的载流子密度：金属的自由电子密度太大，因而霍尔常数小，霍尔电势也小，所以金属材料不宜制作霍尔元件。霍尔电势与导体厚度d成反比：为了提高霍尔电势值， 霍尔元件制成薄片形状。,霍尔元件灵敏度,半导体中电子迁移率（电子定向运动平
3、均速度）比空穴迁移率高因此N型半导体较适合于制造灵敏度高的霍尔元件,霍尔传感器的特点,霍尔传感器也是一种磁电式传感器。它是利用霍尔元件基于霍尔效应原理而将被测量转换成电动势输出的一种传感器。由于霍尔元件在静止状态下，具有感受磁场的独特能力，并且具有结构简单、体积小、噪声小、频率范围宽（从直流到微波）、动态范围大（输出电势变化范围可达1000:1）、寿命长等特点，因此获得了广泛应用。例如，在测量技术中用于将位移、力、加速度等量转换为电量的传感器；在计算技术中用于作加、减、乘、除、开方、乘方以及微积分等运算的运算器等。,霍尔元件,霍尔元件,霍尔元件材料 1锗(Ge)，N型及P型均可。 2硅(Si)
4、，N型及P型均可。3砷化铟(InAs)和锑化铟(InSb)，这两种材料的特性很相似。,霍尔元件,霍尔元件,霍尔元件,图(a)中，从矩形薄片半导体基片上的两个相互垂直方向侧面上，引出一对电极，其中1-1电极用于加控制电流，称控制电极。,另一对2-2电极用于引出霍尔电势，称霍尔电势输出极。在基片外面用金属或陶瓷、环氧树脂等封装作为外壳。,霍尔元件,图(b) 是霍尔元件通用的图形符号,图(c) 霍尔电极在基片上的位置及它的宽度对霍尔电势数值影响很大。通常霍尔电极位于基片长度的中间，其宽度远小于基片的长度。 图(d)是基本测量电路 。,霍尔元件,霍尔元件,霍尔元件结构:霍尔片，四极引线，壳体,测量电路
5、,霍尔元件的基本测量电路如图所示。 激励电流由电源E供给，可变电阻 RP 用来调节激励电流I的大小。RL 为输出霍尔电势 UH 的负载电阻。通常它是显示仪表、记录装置或放大器的输入阻抗。,霍尔元件的主要技术指标,额定激励电流IH 使霍尔元件温升10所施加的控制电流值称为额定激励电流。通常用IH 表示。输入电阻Ri 它是指控制电流极间的电阻值。它规定要在室温(205)的环境温度中测取。 输出电阻Rs 它是指霍尔电极间的电阻值。规定中要求在(205)的条件下测取。,霍尔元件的主要技术指标,不等位电势及零位电阻r0当霍尔元件通以控制电流 IH 而不加外磁场时，它的霍尔输出端之间仍有空载电势存在，该电
6、势就称为不等位电势(或零位电势)。寄生直流电势V当不加外磁场，控制电流改用额定交流电流时，霍尔电极间的空载电势为直流与交流电势之和。其中的交流霍尔电势与前述零位电势相对应，而直流霍尔电势是个寄生量，称为寄生直流电势V。,霍尔元件的主要技术指标,热阻RQ它表示在霍尔电极开路情况下，在霍尔元件上输入 lmW 的电功率时产生的温升，单位为CmW。所以称它为热阻是因为这个温升的大小在一定条件下与电阻有关。,3.6.2霍尔式压力计工作原理,产生线性磁场的磁极,3.6.3 霍尔元件误差及补偿,1. 不等位电势误差的补偿2. 温度误差及其补偿,不等位电势和不等位电阻,不等位电势Uo ：当霍尔元件的控制电流为
7、额定值时，若元件所处位置的磁感应强度为零，测得的空载霍尔电势。不等位电势是由霍尔电极 2 和 2之间的电阻决定的，ro 称不等位电阻,1. 不等位电势误差的补偿,可以把霍尔元件视为一个四臂电阻电桥，不等位电势就相当于电桥的初始不平衡输出电压。,不等位电势的补偿电路,不等位电势的补偿,2. 温度误差及其补偿,温度误差产生原因： 霍尔元件的基片是半导体材料，因而对温度的变化很敏感。其载流子浓度和载流子迁移率、电阻率和霍尔系数都是温度的函数。 当温度变化时，霍尔元件的一些特性参数，如霍尔电势、输入电阻和输出电阻等都要发生变化，从而使霍尔式传感器产生温度误差。,减小霍尔元件的温度误差选用温度系数小的元
8、件采用恒温措施采用恒流源供电,恒流源温度补偿,霍尔元件的灵敏系数也是温度的函数，它随温度的变化引起霍尔电势的变化，霍尔元件的灵敏系数与温度的关系,KH0 为温度T0时的KH值；T 温度变化量； 霍尔电势的温度系数。,大多数霍尔元件的温度系数是正值时，它们的霍尔电势随温度的升高而增加(1+ t )倍。同时，让控制电流 I 相应地减小，能保持 KHI 不变就抵消了灵敏系数值增加的影响。,恒流源温度补偿电路,当霍尔元件的输入电阻随温度升高而增加时，旁路分流电阻自动地加强分流，减少了霍尔元件的控制电流,3.6.4 应用,测量原理：霍尔电势与磁感应强度成正比，若磁感应强度是位置的函数，则霍尔电势的大小就可以用来反映霍尔元件的位置。 应用：位移测量、力、压力、应变、机械振动、加速度,产生梯度磁场的示意图,位移量较小，适于测量微位移和机械振动,霍尔式压力传感器,弹簧管 磁铁 霍尔片,加速度传感器,Thank You !,
