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1、,,,,,,,單擊此處編輯母版標(biāo)題樣式,,單擊此處編輯母版文本樣式,,第二級(jí),,第三級(jí),,第四級(jí),,第五級(jí),,,*,第十一章 磁敏元件及其傳感器,,§11－1 霍爾元件及其傳感器,一，霍爾效應(yīng),電子積累,正電荷積累,f,L,f,E,在置于磁場的導(dǎo)體或半導(dǎo)體中通入電流，假設(shè)電流與磁場垂直，那么在與磁場和電流都垂直的方向上會(huì)出現(xiàn)一個(gè)電勢差，這種現(xiàn)象就是霍爾效應(yīng)，是由科學(xué)家愛德文·霍爾在1879年發(fā)現(xiàn)的。產(chǎn)生的電勢差稱為霍爾電壓。利用霍爾效應(yīng)制成的元件稱為霍爾傳感器。,,,半導(dǎo)體薄片──,洛倫茲力：,電場力：,霍爾電場,霍爾電勢,-----另一相對面產(chǎn)生靜電場，,,電勢,在洛侖茲力的作用下，電子向

2、一側(cè)偏轉(zhuǎn)，使該側(cè)形成負(fù)電荷的積累，另一側(cè)那么形成正電荷的積累。這樣，A、B兩端面因電荷積累而建立了一個(gè)電場Ｅｈ，稱為霍爾電場。該電場對電子的作用力與洛侖茲力的方向相反，即阻止電荷的繼續(xù)積累。,,,動(dòng)態(tài)平衡：,電流 ：,②式代入①式， 可得：,設(shè)霍爾系數(shù)：,設(shè)霍爾靈敏度：,,〔它反映材料霍爾效應(yīng)的強(qiáng)弱〕,,,霍爾靈敏度,K,H,,表示霍爾元件在單位磁感應(yīng)強(qiáng)度和單位控制電流下的霍爾電勢的大小。它與霍爾系數(shù),R,H,,成正比，與霍爾元件的厚度,d,成反比。,霍爾系數(shù),可作為材料選擇的依據(jù)：定義單位電場強(qiáng)度作用下，載流子的平均運(yùn)動(dòng)速度為載流子遷移率μ。,電子遷移率和霍爾系數(shù)的關(guān)系如下：,↓,電阻率,由

3、霍爾系數(shù)定義有：,遷移率,,,霍爾電壓,U,H,與材料的性質(zhì)有關(guān)。,,根據(jù)上式，材料的,ρ,、,μ,大，,R,H,就大。金屬的,μ,雖然很大，但,ρ,很小，故不宜做成元件。在半導(dǎo)體材料中，由于電子的遷移率比空穴的大，且,μ,N,>,μ,P,，所以霍爾元件一般采用,N,型半導(dǎo)體材料。,討論,即：,常用材料有硅，鍺，銻化銦，砷化鎵,,2)霍爾電壓UH與元件的尺寸有關(guān)。,,d 愈小，KH 愈大，霍爾靈敏度愈高，所以霍爾元件的厚度都比較薄。但d太小，會(huì)使元件的輸入、輸出電阻增加。,,元件的長度比l/b對UH也有影響。為了減少短路影響，l/b要大一些，一般l/b=2。但如果l/b過大，反而使輸入功耗增加

4、降低元件的輸出。,,,3)霍爾電壓UH與控制電流及磁場強(qiáng)度有關(guān)。,,當(dāng)控制電流恒定時(shí)愈大愈大。當(dāng)磁場改變方向時(shí)，也改變方向。同樣，當(dāng)霍爾靈敏度及磁感應(yīng)強(qiáng)度恒定時(shí)，增加控制電流，也可以提高霍爾電壓的輸出。,,,二， 霍爾元件的結(jié)構(gòu)和根本電路,結(jié)構(gòu)：圖11-2,1-1控制電極U,I,：加控制電流,2-2霍爾電極U,H,：輸出霍爾電壓,霍爾電極的位置應(yīng)在基片長度的1/2處；,霍爾電極的寬度應(yīng)遠(yuǎn)小于基片長度。,,,符號(hào)： 圖11-3 a),根本電路：圖11-3 b),,三、主要特性,1、最大電流,損耗功率：,發(fā)散功率：,霍爾元件外表散熱系數(shù),霍爾元件外表溫升,最大鼓勵(lì)電流：,最大開路霍爾電

5、勢：,代入,最大磁感應(yīng)強(qiáng)度靈敏度：,,2、最大輸出功率及效率,最大功率：,最大效率：,3、輸出電動(dòng)勢與霍爾元件尺寸的關(guān)系,與厚度的關(guān)系,與長度的關(guān)系,與電極位置的關(guān)系,,四、根本誤差及補(bǔ)償,1、采用恒流源鼓勵(lì),補(bǔ)償電阻,2、選擇適宜的負(fù)載電阻,3、采用溫度補(bǔ)償元件,,五、溫度特性,霍爾元件的溫度特性是指元件的內(nèi)阻及輸出與溫度之間的關(guān)系,霍爾內(nèi)阻與溫度的關(guān)系曲線 霍爾電壓與溫度的關(guān)系曲線,,六、溫度補(bǔ)償,霍爾元件溫度補(bǔ)償?shù)姆椒ê芏?，下面介紹兩種常用的方法:,,1〕利用輸入回路的串聯(lián)電阻進(jìn)行補(bǔ)償。,上圖是輸入補(bǔ)償?shù)母揪€路，圖中的四端元件是霍爾元件的符號(hào)。兩個(gè)輸入端串聯(lián)補(bǔ)償電阻R并接恒

6、電源，輸出端開路。,,根據(jù)溫度特性，元件霍爾系數(shù)和輸入內(nèi)阻與溫度之間的關(guān)系式為：,式中，,R,Ht,為溫度為,ｔ,時(shí)霍爾系數(shù)，,R,it,為溫度為,ｔ,時(shí)的輸入電阻,α,為霍爾電壓的溫度系數(shù),,β,為輸入電阻的溫度系數(shù)。,當(dāng)溫度變化,Δt,時(shí)，其增量為:,,可得出霍爾電壓隨溫度變化的關(guān)系式為:,對上式求溫度的導(dǎo)數(shù)，可得增量表達(dá)式:,上式中的第一項(xiàng)表示因溫度升高霍爾系數(shù)引起霍爾電壓的增量；第二項(xiàng)表示輸入電阻因溫度升高引起霍爾電壓減小的量。,,要使溫度變化時(shí)霍爾電壓不變，必須使 :,,即,,,七， 霍爾式傳感器,利用霍爾輸出正比于控制電流I的磁感應(yīng)強(qiáng)度B的乘積關(guān)系，可以分別使其中一個(gè)量保持不變，而

7、另一個(gè)量作變量，或兩者都作為變量〔霍爾乘法器〕，從而構(gòu)造出各種傳感器。,集成霍爾傳感器的輸出是經(jīng)過處理的霍爾輸出信號(hào)。按照輸出信號(hào)的形式，可以分為,開關(guān)型集成霍爾傳感器,和,線性集成霍爾傳感器,兩種類型。,,開關(guān)型集成霍爾傳感器是把霍爾元件的輸出經(jīng)過處理后輸出一個(gè)高電平或低電平的數(shù)字信號(hào)。,霍爾開關(guān)電路又稱霍爾數(shù)字電路，由穩(wěn)壓器、霍爾片、差分放大器，斯密特觸發(fā)器和輸出級(jí)組成。,1 開關(guān)型集成霍爾傳感器,,線性集成霍爾傳感器是把霍爾元件與放大線路集成在一起的傳感器。其輸出信號(hào)與磁感應(yīng)強(qiáng)度成比例。通常由霍爾元件、差分放大、射極跟隨輸出及穩(wěn)壓四局部組成。,2 線性集成霍爾傳感器,,霍爾電流、電壓傳感器,霍爾電壓傳感器是利用磁補(bǔ)償原理的一種霍爾傳感器，能夠測量直流，交流以及各種波形電壓，同時(shí)在電氣上是高度絕緣的。,,霍爾電流傳感器是應(yīng)用霍爾原理的閉環(huán)〔補(bǔ)償〕電流傳感器，輸出為電流信號(hào)。采用印制板安裝，具有低溫漂，寬頻帶，抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)。,,