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霍尔式传感器是利用霍尔效应把被测信号转换成霍尔式传感器是利用霍尔效应把被测信号转换成电势变化信号的传感器。电势变化信号的传感器。第第4章霍尔传感器章霍尔传感器1编辑版pppt背景知识背景知识1霍尔效应的工作原理霍尔效应的工作原理23霍尔元件的主要技术指标霍尔元件的主要技术指标4霍尔元件的温度特性及补偿霍尔元件的温度特性及补偿主要内容5霍尔传感器及应用霍尔传感器及应用2编辑版pppt背景知识背景知识1霍尔效应的工作原理霍尔效应的工作原理23霍尔元件的主要技术指标霍尔元件的主要技术指标4霍尔元件的温度特性及补偿霍尔元件的温度特性及补偿主要内容5霍尔传感器及应用霍尔传感器及应用3编辑版pppt 霍尔效应霍尔效应霍尔效应霍尔效应1879年由Johns Hopkins 大学的研究生Edwin Hall发现,其导师是Henry A.Rowland 教授.是在探索“电”与“磁”的相互影响的过程中偶然偶然偶然偶然发现的。只观察到现象现象现象现象，而不能解释解释解释解释该现象。“论磁铁对电流的新作用论磁铁对电流的新作用论磁铁对电流的新作用论磁铁对电流的新作用”发表在美国数学杂志上。这种“新作用”就是后来被人们称作的“霍耳效应”。EdwinHall(1855-1938)HenryAugustusRowland(1848-1901)背景知识14编辑版pppt1978年 Klaus von Klitzing 在极低温度和强磁场（凝聚态）极低温度和强磁场（凝聚态）极低温度和强磁场（凝聚态）极低温度和强磁场（凝聚态）中的半导体中研究霍尔效应，意外意外意外意外发现霍尔常数的跃变跃变跃变跃变。直到1980年,Klaus von Klitzing才注意到霍尔平台的量子化单位 。1985年,Klaus von Klitzing 因对量子霍尔效应的突出贡献获诺贝尔物理奖.KlausvonKlitzing(1943-)背景知识15编辑版pppt1982年,受到Klaus von Klitzing研究成果的影响，崔琦(Princeton)(Princeton),H.L.Stormer (Columbia)(Columbia)与Robert Laughlin(Stanford)(Stanford)在更低更低更低更低温度和更更更更强强强强磁场下验证霍尔效应，意外的发现了新的霍尔平台。1983年,R.B.Laughlin写下了一个波函数,对这种现象给出了很好的解解解解释释释释。1998年，诺贝尔物理奖授予Horst Stormer,崔琦和Robert Laughlin,以表彰他们发现分数量子霍尔效应分数量子霍尔效应分数量子霍尔效应分数量子霍尔效应及对这一新效应的深刻理解.崔琦(1939-)Stormer(1949-)Laughlin(1950-)背景知识16编辑版pppt科学研究工作有继承性、偶然性。科学研究工作有继承性、偶然性。以史为鉴，继往开来以史为鉴，继往开来持之以恒，变偶然为必然持之以恒，变偶然为必然背景知识17编辑版pppt背景知识背景知识1霍尔效应的工作原理霍尔效应的工作原理23霍尔元件的主要技术指标霍尔元件的主要技术指标4霍尔元件的温度特性及补偿霍尔元件的温度特性及补偿主要内容5霍尔传感器及应用霍尔传感器及应用8编辑版pppt霍尔效应霍尔效应霍霍尔尔效效应应：把把一一个个导导体体（半半导导体体薄薄片片）两两端端通通以以控控制制电电流流I，在在薄薄片片垂垂直直方方向向施施加加磁磁感感应应强强度度B的的磁磁场场，在在薄薄片片的的另另外外两两侧侧会会产产生生一一个与控制电流个与控制电流I和磁场强度和磁场强度B的乘积成比例的电动势的乘积成比例的电动势 。霍尔效应的工作原理2 18201820年年年年，安安安安培培培培（法法法法国国国国化化化化学学学学家家家家、物物物物理理理理学学学学家家家家、数数数数学家）发现了安培力，总结为左手定则。学家）发现了安培力，总结为左手定则。学家）发现了安培力，总结为左手定则。学家）发现了安培力，总结为左手定则。9编辑版pppt习题：由N型半导体材料和P型半导体材料制成的霍尔元件各一块，若激励电流和施加磁场完全相同，则两个霍尔电势的方向：A.相同 B.相反 C.不确定10编辑版pppt问题2什么材料最适合制作霍尔元件？问题3如何提高霍尔元件的灵敏度？与霍尔效应相关的几个问题：与霍尔效应相关的几个问题：问题1为什么第一个霍尔元件的出现经历了近百年的时间？11编辑版pppt自由电子在磁场的作用下做定向运动，受洛仑兹力作用：自由电子在磁场的作用下做定向运动，受洛仑兹力作用：霍尔电场作用于电子的力霍尔电场作用于电子的力霍尔电场霍尔电场霍尔电势霍尔电势霍尔效应的工作原理212编辑版pppt 当两作用力相等时电荷不再向两边积累，当两作用力相等时电荷不再向两边积累，达到动态平衡：达到动态平衡：霍尔电势：霍尔电势：通过（半）导体薄片的电流通过（半）导体薄片的电流I与载流子浓度与载流子浓度n，电子运动速度电子运动速度v，薄，薄片横截面积片横截面积 b*d 有关：有关：霍尔电势与电子运动速度、霍尔片宽度b、磁感应强度B呈正比关系？13编辑版pppt代入后：代入后：霍尔常数与材料有关霍尔常数与材料有关（量子霍尔效应）（量子霍尔效应）霍尔灵敏度霍尔灵敏度与薄片尺寸有关与薄片尺寸有关材料中电子在电场作用下，运动速度的材料中电子在电场作用下，运动速度的大小常用载流子迁移率大小常用载流子迁移率来表示，来表示，指在指在单位电场强度作用下，单位电场强度作用下，载流子载流子载流子载流子的平均速的平均速度值。度值。为材料电阻率。为材料电阻率。霍尔电势与激励电流I I、磁感应强度B呈正比关系，与霍尔片厚度d、呈反比关系，还与材料特性有关。14编辑版pppt载流体的电阻率与霍尔系数和载流子迁移率之间的关系为载流体的电阻率与霍尔系数和载流子迁移率之间的关系为 可以看出可以看出1）霍尔电压）霍尔电压UH与材料的性质有关。材料的与材料的性质有关。材料的、大，大，RH就大就大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，KH愈大，霍尔灵敏度愈大，霍尔灵敏度愈高，所以霍尔元件的厚度都比较薄。愈高，所以霍尔元件的厚度都比较薄。3）霍尔电压）霍尔电压UH与控制电流及磁场强度有关，与控制电流及磁场强度有关，UH正比于正比于I及及B，当控，当控制电流恒定时，制电流恒定时，B愈大，愈大，UH愈大，当磁场方向改变时，愈大，当磁场方向改变时，UH也改变方也改变方向。同样，当霍尔灵敏度向。同样，当霍尔灵敏度RH及磁感应强度恒定时，增加控制电流及磁感应强度恒定时，增加控制电流I，也可以提高霍尔电压的输出。，也可以提高霍尔电压的输出。15编辑版pppt问题1几个问题的回答：几个问题的回答：为什么第一个霍尔元件的出现经历了近百年的时间？问题2什么材料最适合制作霍尔元件？问题3如何提高霍尔元件的灵敏度？理论的突破（微电子理论）、材料的发展（从导体到半导体）理论的突破（微电子理论）、材料的发展（从导体到半导体）绝缘材料电阻率很大，但电子迁移率很小，不适用；绝缘材料电阻率很大，但电子迁移率很小，不适用；金属材料电子浓度很高，故金属材料电子浓度很高，故 RH很小，很小，UH很小。很小。半导体电子迁移率一般大于空穴的迁移率，所以半导体电子迁移率一般大于空穴的迁移率，所以 霍尔元件多霍尔元件多 采用采用N型半导体（多电子）。型半导体（多电子）。增大霍尔常数增大霍尔常数RH，选用高性能材料；，选用高性能材料；减小厚度减小厚度d，霍尔灵敏度，霍尔灵敏度 KH 越大，所以霍尔元件做的较薄，通越大，所以霍尔元件做的较薄，通常近似常近似1微米。微米。16编辑版pppt背景知识背景知识1霍尔效应的工作原理霍尔效应的工作原理23霍尔元件的主要技术指标霍尔元件的主要技术指标4霍尔元件的温度特性及补偿霍尔元件的温度特性及补偿主要内容5霍尔传感器及应用霍尔传感器及应用17编辑版pppt3霍尔元件的主要技术指标霍尔元件的结构和符号霍尔元件的结构和符号霍尔元件是利用霍尔效应（常温常态）制作的元器件。问题4怎样才能制作一个理想的霍尔元件？怎样才能制作一个理想的霍尔元件？怎样才能制作一个理想的霍尔元件？怎样才能制作一个理想的霍尔元件？18编辑版pppt霍尔元件示意图三极直插式三极直插式四极直插式三极贴片式19编辑版pppt霍尔元件的材料霍尔元件的材料3霍尔元件的主要技术指标问题4怎样才能制作一个理想的霍尔元件？怎样才能制作一个理想的霍尔元件？怎样才能制作一个理想的霍尔元件？怎样才能制作一个理想的霍尔元件？首先，需要性能优越的材料。首先，需要性能优越的材料。禁带宽度（eV）迁移率（cm2V-1S-1）300K0K电子空穴InSb0.170.23800001250InAs0.340.4233000460GaAs1.421.528500400Si1.121.171500450Ge0.660.743900190020编辑版pppt霍尔元件的性能指标霍尔元件的性能指标3霍尔元件的主要技术指标问题4怎样才能制作一个理想的霍尔元件？怎样才能制作一个理想的霍尔元件？怎样才能制作一个理想的霍尔元件？怎样才能制作一个理想的霍尔元件？其次，需要良好的线性度和稳定性。其次，需要良好的线性度和稳定性。额额额额定定定定激激激激励励励励电电电电流流流流I IH H:使使霍霍尔尔元元件件温温升升10所所施施加加的的控控制制电电流流值值称称为为额额定定激激励励电电流。通常用流。通常用IH表示。表示。热阻热阻热阻热阻R RQQ:它表示在霍尔电极开路情况下，在霍尔元件上输入它表示在霍尔电极开路情况下，在霍尔元件上输入lmW的电功率时的电功率时产生的温升，单位为产生的温升，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。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。件下与电阻有关。输输输输入入入入电电电电阻阻阻阻R Ri i :它它是是指指控控制制电电流流极极间间的的电电阻阻值值。它它规规定定要要在在室室温温(205)的的环环境温度中测取。境温度中测取。输输输输出出出出电电电电阻阻阻阻Rs Rs:它它是是指指霍霍尔尔电电极极间间的的电电阻阻值值。规规定定中中要要求求在在(205)的的条条件件下下测取。测取。21编辑版pppt|霍尔元件的主要技术指标霍尔元件的主要技术指标:不等位电势不等位电势 当当霍霍尔尔元元件件通通以以控控制制电电流流IH而而不不加加外外磁磁场场时时，它它的的霍霍尔尔输输出出端端之之间间仍仍有有空空载载电电势势存存在在，该该电电势势就就称称为为不不等等位位电电势势(或零位电势或零位电势)。寄生直流电势寄生直流电势 当当不不加加外外磁磁场场，控控制制电电流流改改用用额额定定交交流流电电流流时时，霍霍尔尔电电极极间间的的空空载载电电势势为为直直流流与与交交流流电电势势之之和和。其其中中的的交交流流霍霍尔尔电电势势与与前前述述零零位位电电势势相相对对应应，而而直直流流霍霍尔尔电电势势是是个个寄寄生生量量，称称为寄生直流电势为寄生直流电势V。问题5不等位电势与寄生直流电势的本质区别是什么不等位电势与寄生直流电势的本质区别是什么不等位电势与寄生直流电势的本质区别是什么不等位电势与寄生直流电势的本质区别是什么？22编辑版pppt不等位电势不等位电势不等位电势不等位电势U0产生的原因：产生的原因：（1）制造工艺不可能保证将两个霍尔电极对称地焊在霍尔片的两侧，）制造工艺不可能保证将两个霍尔电极对称地焊在霍尔片的两侧，致使两电极点不能完全位于同一等位面上致使两电极点不能完全位于同一等位面上（2）霍尔片电阻率不均匀或厚薄不均匀或控制电流极接触不良都将）霍尔片电阻率不均匀或厚薄不均匀或控制电流极接触不良都将使等位面歪斜，致使两霍尔电极不在同一等位面上而产生不等位电使等位面歪斜，致使两霍尔电极不在同一等位面上而产生不等位电动势。动势。霍尔引出电霍尔引出电极安装不对极安装不对称称半导体材半导体材料不均匀料不均匀问题5不等位电势与寄生直流电势的本质区别是什么不等位电势与寄生直流电势的本质区别是什么不等位电势与寄生直流电势的本质区别是什么不等位电势与寄生直流电势的本质区别是什么？23编辑版pppt寄生直流电势寄生直流电势寄生直流电势寄生直流电势：当控制磁场为零，激励电流用额定交流电流时，霍：当控制磁场为零，激励电流用额定交流电流时，霍尔电极间的空载电势为直流电势与交流电势之和。在此情况下，直尔电极间的空载电势为直流电势与交流电势之和。在此情况下，直流电势称为寄生直流电势；交流电势称为交流不等位电势。寄生直流电势称为寄生直流电势；交流电势称为交流不等位电势。寄生直流电势产生的原因是电极与基片间存在非欧姆接触（接触不良），流电势产生的原因是电极与基片间存在非欧姆接触（接触不良），以及两个霍尔电极焊点大小不同而导致的直流温差电势。以及两个霍尔电极焊点大小不同而导致的直流温差电势。电极与基片之间的接触电势电极与基片之间的接触电势电极之间的温差电势电极之间的温差电势24编辑版pppt产生原因不同产生原因不同产生原因不同产生原因不同 不等位电势电极安装不对称、半导体材料不均匀不等位电势电极安装不对称、半导体材料不均匀 寄生直流电势接触电势、温差电势寄生直流电势接触电势、温差电势表现形式不同表现形式不同表现形式不同表现形式不同 不等位电势与激励电流相关不等位电势与激励电流相关 寄生直流电势与激励电流不相关寄生直流电势与激励电流不相关补偿方法不同补偿方法不同补偿方法不同补偿方法不同 不等位电势补偿较为容易不等位电势补偿较为容易 寄生直流电势难于完全补偿寄生直流电势难于完全补偿问题5不等位电势与寄生直流电势的本质区别是什么不等位电势与寄生直流电势的本质区别是什么不等位电势与寄生直流电势的本质区别是什么不等位电势与寄生直流电势的本质区别是什么？问题问题5的回答的回答问题6如何有效补偿这两种电势？如何有效补偿这两种电势？如何有效补偿这两种电势？如何有效补偿这两种电势？25编辑版pppt不等位电势不等位电势不等位电势不等位电势的补偿的补偿 霍尔元件可以等效为一个霍尔元件可以等效为一个四臂电阻电桥四臂电阻电桥，不等位电势就相当于电桥，不等位电势就相当于电桥的的初始不平衡输出电压初始不平衡输出电压。理想的霍尔元件：理想的霍尔元件：R1R2；R3R426编辑版pppt不等位电势补偿的本质：不等位电势补偿的本质：R1R2；R3R427编辑版pppt问题6如何有效补偿这两种电势？如何有效补偿这两种电势？如何有效补偿这两种电势？如何有效补偿这两种电势？寄生直流电势的补偿：减去固定值。寄生直流电势的补偿：减去固定值。28编辑版pppt背景知识背景知识1霍尔效应的工作原理霍尔效应的工作原理23霍尔元件的主要技术指标霍尔元件的主要技术指标4霍尔元件的温度特性及补偿霍尔元件的温度特性及补偿主要内容5霍尔传感器及应用霍尔传感器及应用29编辑版pppt4霍尔元件的温度特性及补偿霍尔元件的温度特性及补偿 一般半导体材料的电阻率、迁移率和载流子浓度等都随温度而变化。霍一般半导体材料的电阻率、迁移率和载流子浓度等都随温度而变化。霍尔元件由半导体材料制成，因此它的参数如输入和输出电阻、霍尔常数等尔元件由半导体材料制成，因此它的参数如输入和输出电阻、霍尔常数等也随温度而变化，致使霍尔电动势变化，产生温度误差。也随温度而变化，致使霍尔电动势变化，产生温度误差。温度误差产生机理温度误差产生机理30编辑版pppt选用温度系数小的霍尔元件（选用温度系数小的霍尔元件（RH小小）采用适当的补偿电路采用适当的补偿电路采用恒流源供电采用恒流源供电（消除消除Ri的影响的影响）采采用用恒恒流流源源供供电电，合合理理选选取取负负载载电电阻阻RL的的阻阻值值（补偿补偿RH与与Ro影响影响）采采用用恒恒压压源源和和输输入入回回路路串串联联电电阻阻（开开路路工工作作，与与Ro无关，补偿无关，补偿RH、Ri）采用温度补偿元件（采用温度补偿元件（全面补偿全面补偿）4霍尔元件的温度特性及补偿霍尔元件的温度特性及补偿如何减小温度误差如何减小温度误差31编辑版pppt温度对霍尔元件的参数影响：温度对霍尔元件的参数影响：T：温度变化量；：温度变化量；：霍尔电势的温度系数；：霍尔电势的温度系数；：霍尔元件输入输出电阻的温度系数。：霍尔元件输入输出电阻的温度系数。4霍尔元件的温度特性及补偿霍尔元件的温度特性及补偿恒流源激励时的补偿恒流源激励时的补偿32编辑版pppt温度为温度为温度为温度为ToTo时时时时为使负载上的电压不随温度而变化，应使为使负载上的电压不随温度而变化，应使即得即得 温度为温度为温度为温度为ToTo T T时时时时RL应该具有良好的温度稳定性。33编辑版pppt温度对霍尔元件的参数影响：温度对霍尔元件的参数影响：T：温度变化量；：温度变化量；：霍尔电势的温度系数；：霍尔电势的温度系数；：霍尔元件输入输出电阻的温度系数。：霍尔元件输入输出电阻的温度系数。4霍尔元件的温度特性及补偿霍尔元件的温度特性及补偿恒压源激励时的补偿恒压源激励时的补偿34编辑版pppt温度为温度为温度为温度为ToTo时时时时为使霍尔电势不随温度而变化，应使为使霍尔电势不随温度而变化，应使即得即得 温度为温度为温度为温度为ToTo T T时时时时R应该具有良好的温度稳定性。35编辑版pppt习题：某霍尔片的霍尔温度系数0.0005（1/），霍尔电阻温度系数0.004（1/），输出电阻120，输入电阻100，额定电流20mA，请采用合适的方法进行温度补偿，并画出电路图。36编辑版pppt背景知识背景知识1霍尔效应的工作原理霍尔效应的工作原理23霍尔元件的主要技术指标霍尔元件的主要技术指标4霍尔元件的温度特性及补偿霍尔元件的温度特性及补偿主要内容5霍尔传感器及应用霍尔传感器及应用37编辑版pppt 乘乘法法作作用用：指指当当霍霍尔尔传传感感器器的的KH恒恒定定时时，霍霍尔尔电电压压与与控控制制电电流流及及外外加加磁磁场场磁磁感感应应强强度度的的乘乘积积成成正正比比。可可用用于于乘乘法法、功功率率等等方方面面的计算与测量。的计算与测量。5霍尔传感器及应用霍尔传感器及应用霍尔传感器是利用霍尔元件制成的测量装置。传递电阻基传递电阻基准（量子霍准（量子霍尔效应）尔效应）电流比例性：电流比例性：磁场强度恒定磁场强度恒定时，霍尔电压时，霍尔电压和控制电流之和控制电流之间的关系。间的关系。磁场比例性磁场比例性:指控制指控制电流恒定时，霍尔电流恒定时，霍尔电压和磁场之间的电压和磁场之间的关系。可以测量磁关系。可以测量磁场、位移等。场、位移等。38编辑版pppt霍尔传感器用于测量磁场强度霍尔传感器用于测量磁场强度 霍尔元件霍尔元件测量铁心气测量铁心气隙的隙的B值值霍尔传感器用以测量磁场霍尔传感器用以测量磁场39编辑版pppt霍尔特斯拉计（高斯计）霍尔特斯拉计（高斯计）40编辑版pppt霍尔传感器用以测量电流霍尔传感器用以测量电流线性霍尔线性霍尔IC开环型闭环型41编辑版pppt点阵式空芯点阵式空芯霍尔电流传感器霍尔电流传感器42编辑版pppt霍尔传感器用以测量位移霍尔传感器用以测量位移43编辑版pppt霍尔传感器用以测量压力霍尔传感器用以测量压力压力产生形变，形变转换成位移。44编辑版pppt霍尔传感器用以测量转速霍尔传感器用以测量转速开关型霍尔元件开关型霍尔元件霍尔转速传感器示意图霍尔转速传感器示意图汽车汽车ABS系统系统45编辑版pppt背景知识背景知识1霍尔效应的工作原理霍尔效应的工作原理23霍尔元件的主要技术指标霍尔元件的主要技术指标4霍尔元件的温度特性及补偿霍尔元件的温度特性及补偿主要内容5霍尔传感器及应用霍尔传感器及应用46编辑版pppt问题1为什么第一个霍尔元件的出现经历了近百年的为什么第一个霍尔元件的出现经历了近百年的为什么第一个霍尔元件的出现经历了近百年的为什么第一个霍尔元件的出现经历了近百年的时间？时间？时间？时间？问题2什么材料最适合制作霍尔元件？什么材料最适合制作霍尔元件？什么材料最适合制作霍尔元件？什么材料最适合制作霍尔元件？问题3如何提高霍尔元件的灵敏度？如何提高霍尔元件的灵敏度？如何提高霍尔元件的灵敏度？如何提高霍尔元件的灵敏度？问题4怎样才能制作一个理想的霍尔元件？怎样才能制作一个理想的霍尔元件？怎样才能制作一个理想的霍尔元件？怎样才能制作一个理想的霍尔元件？如何有效补偿不等位电势与寄生直流电势电势如何有效补偿不等位电势与寄生直流电势电势如何有效补偿不等位电势与寄生直流电势电势如何有效补偿不等位电势与寄生直流电势电势？问题5不等位电势与寄生直流电势的本质区别是什么不等位电势与寄生直流电势的本质区别是什么不等位电势与寄生直流电势的本质区别是什么不等位电势与寄生直流电势的本质区别是什么？问题6霍尔传感器能够测量哪些物理量，有何特点？霍尔传感器能够测量哪些物理量，有何特点？霍尔传感器能够测量哪些物理量，有何特点？霍尔传感器能够测量哪些物理量，有何特点？问题747编辑版pppt习题：习题：设在负载阻抗设在负载阻抗Z ZL L上施加交流电压上施加交流电压u=uu=um msint,sint,试用霍尔元件构成功率计。试用霍尔元件构成功率计。（1 1）测量）测量Z ZL L上的有功功率，画出电路图，上的有功功率，画出电路图，简述工作原理，推导出相应的被测量表简述工作原理，推导出相应的被测量表达式。达式。（2 2）测量）测量Z ZL L上的无功功率，画出电路图，上的无功功率，画出电路图，简述工作原理，推导出相应的被测量表简述工作原理，推导出相应的被测量表达式。达式。48编辑版pppt作业作业1 1：下图中，下图中，a)a)、b b）分别是一个霍尔钳型电流）分别是一个霍尔钳型电流传感器外型及其结构示意图传感器外型及其结构示意图（1 1）试分析并简述其工作原理。）试分析并简述其工作原理。（2 2）该电流传感器与交流电流互感器相比较，）该电流传感器与交流电流互感器相比较，有何特点，为什么？有何特点，为什么？图a图b49编辑版pppt感谢亲观看此幻灯片，此课件部分内容来源于网络，感谢亲观看此幻灯片，此课件部分内容来源于网络，如有侵权请及时联系我们删除，谢谢配合！如有侵权请及时联系我们删除，谢谢配合！50