華科檢測(cè)技術(shù)-霍爾傳感器

霍爾式傳感器是利用霍爾效應(yīng)把被測(cè)信號(hào)轉(zhuǎn)換成電勢(shì)變化信號(hào)的傳感器。第4章霍爾傳感器1編輯版pppt背景知識(shí)1霍爾效應(yīng)的工作原理23霍爾元件的主要技術(shù)指標(biāo)4霍爾元件的溫度特性及補(bǔ)償主要內(nèi)容5霍爾傳感器及應(yīng)用2編輯版pppt背景知識(shí)1霍爾效應(yīng)的工作原理23霍爾元件的主要技術(shù)指標(biāo)4霍爾元件的溫度特性及補(bǔ)償主要內(nèi)容5霍爾傳感器及應(yīng)用3編輯版pppt霍爾效應(yīng)1879年由JohnsHopkins大學(xué)的研究生EdwinHall發(fā)現(xiàn),其導(dǎo)師是HenryA.Rowland教授.是在探索“電”與“磁”的相互影響的過程中偶然發(fā)現(xiàn)的。只觀察到現(xiàn)象，而不能解釋該現(xiàn)象?！罢摯盆F對(duì)電流的新作用”發(fā)表在《美國數(shù)學(xué)雜志》上。這種“新作用”就是后來被人們稱作的“霍耳效應(yīng)”。EdwinHall(1855-1938)HenryAugustusRowland(1848-1901)背景知識(shí)14編輯版pppt1978年KlausvonKlitzing在極低溫度和強(qiáng)磁場(chǎng)（凝聚態(tài)）中的半導(dǎo)體中研究霍爾效應(yīng)，意外發(fā)現(xiàn)霍爾常數(shù)的躍變。直到1980年,KlausvonKlitzing才注意到霍爾平臺(tái)的量子化單位。1985年,KlausvonKlitzing因?qū)α孔踊魻栃?yīng)的突出貢獻(xiàn)獲諾貝爾物理獎(jiǎng).KlausvonKlitzing(1943--)背景知識(shí)15編輯版pppt1982年,受到KlausvonKlitzing研究成果的影響，崔琦(Princeton),H.L.Stormer(Columbia)與RobertLaughlin(Stanford)在更低溫度和更強(qiáng)磁場(chǎng)下驗(yàn)證霍爾效應(yīng)，意外的發(fā)現(xiàn)了新的霍爾平臺(tái)。1983年,R.B.Laughlin寫下了一個(gè)波函數(shù),對(duì)這種現(xiàn)象給出了很好的解釋。1998年，諾貝爾物理獎(jiǎng)授予HorstStormer,崔琦和RobertLaughlin,以表彰他們發(fā)現(xiàn)分?jǐn)?shù)量子霍爾效應(yīng)及對(duì)這一新效應(yīng)的深刻理解.崔琦(1939--)Stormer(1949--)Laughlin(1950--)背景知識(shí)16編輯版pppt科學(xué)研究工作有繼承性、偶然性。以史為鑒，繼往開來持之以恒，變偶然為必然背景知識(shí)17編輯版pppt背景知識(shí)1霍爾效應(yīng)的工作原理23霍爾元件的主要技術(shù)指標(biāo)4霍爾元件的溫度特性及補(bǔ)償主要內(nèi)容5霍爾傳感器及應(yīng)用8編輯版pppt①霍爾效應(yīng)霍爾效應(yīng)：把一個(gè)導(dǎo)體（半導(dǎo)體薄片）兩端通以控制電流I，在薄片垂直方向施加磁感應(yīng)強(qiáng)度B的磁場(chǎng)，在薄片的另外兩側(cè)會(huì)產(chǎn)生一個(gè)與控制電流I和磁場(chǎng)強(qiáng)度B的乘積成比例的電動(dòng)勢(shì)。霍爾效應(yīng)的工作原理21820年，安培（法國化學(xué)家、物理學(xué)家、數(shù)學(xué)家）發(fā)現(xiàn)了安培力，總結(jié)為左手定則。9編輯版pppt習(xí)題：

由N型半導(dǎo)體材料和P型半導(dǎo)體材料制成的霍爾元件各一塊，若激勵(lì)電流和施加磁場(chǎng)完全相同，則兩個(gè)霍爾電勢(shì)的方向：

A.相同B.相反C.不確定10編輯版pppt問題2什么材料最適合制作霍爾元件？問題3如何提高霍爾元件的靈敏度？與霍爾效應(yīng)相關(guān)的幾個(gè)問題：問題1為什么第一個(gè)霍爾元件的出現(xiàn)經(jīng)歷了近百年的時(shí)間？11編輯版pppt自由電子在磁場(chǎng)的作用下做定向運(yùn)動(dòng)，受洛侖茲力作用：霍爾電場(chǎng)作用于電子的力霍爾電場(chǎng)②霍爾電勢(shì)霍爾效應(yīng)的工作原理212編輯版pppt

當(dāng)兩作用力相等時(shí)電荷不再向兩邊積累，達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡：霍爾電勢(shì)：通過（半）導(dǎo)體薄片的電流I與載流子濃度n，電子運(yùn)動(dòng)速度v，薄片橫截面積b*d

有關(guān)：霍爾電勢(shì)與電子運(yùn)動(dòng)速度ν、霍爾片寬度b、磁感應(yīng)強(qiáng)度B呈正比關(guān)系？13編輯版pppt代入后：霍爾常數(shù)與材料有關(guān)（量子霍爾效應(yīng)）霍爾靈敏度與薄片尺寸有關(guān)材料中電子在電場(chǎng)作用下，運(yùn)動(dòng)速度的大小常用載流子遷移率μ來表示，指在單位電場(chǎng)強(qiáng)度作用下，載流子的平均速度值。ρ為材料電阻率。霍爾電勢(shì)與激勵(lì)電流I、磁感應(yīng)強(qiáng)度B呈正比關(guān)系，與霍爾片厚度d、呈反比關(guān)系，還與材料特性有關(guān)。14編輯版pppt載流體的電阻率與霍爾系數(shù)和載流子遷移率之間的關(guān)系為可以看出1）霍爾電壓UH與材料的性質(zhì)有關(guān)。材料的ρ、μ大，RH就大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。3）霍爾電壓UH與控制電流及磁場(chǎng)強(qiáng)度有關(guān)，UH正比于I及B，當(dāng)控制電流恒定時(shí)，B愈大，UH愈大，當(dāng)磁場(chǎng)方向改變時(shí)，UH也改變方向。同樣，當(dāng)霍爾靈敏度RH及磁感應(yīng)強(qiáng)度恒定時(shí)，增加控制電流I，也可以提高霍爾電壓的輸出。15編輯版pppt問題1幾個(gè)問題的回答：為什么第一個(gè)霍爾元件的出現(xiàn)經(jīng)歷了近百年的時(shí)間？問題2什么材料最適合制作霍爾元件？問題3如何提高霍爾元件的靈敏度？理論的突破（微電子理論）、材料的發(fā)展（從導(dǎo)體到半導(dǎo)體）絕緣材料電阻率很大，但電子遷移率很小，不適用；金屬材料電子濃度很高，故RH很小，UH很小。半導(dǎo)體電子遷移率一般大于空穴的遷移率，所以霍爾元件多采用N型半導(dǎo)體（多電子）。增大霍爾常數(shù)RH，選用高性能材料；減小厚度d，霍爾靈敏度KH越大，所以霍爾元件做的較薄，通常近似1微米。16編輯版pppt背景知識(shí)1霍爾效應(yīng)的工作原理23霍爾元件的主要技術(shù)指標(biāo)4霍爾元件的溫度特性及補(bǔ)償主要內(nèi)容5霍爾傳感器及應(yīng)用17編輯版pppt3霍爾元件的主要技術(shù)指標(biāo)①霍爾元件的結(jié)構(gòu)和符號(hào)霍爾元件是利用霍爾效應(yīng)（常溫常態(tài)）制作的元器件。問題4怎樣才能制作一個(gè)理想的霍爾元件？18編輯版pppt霍爾元件示意圖三極直插式三極直插式四極直插式三極貼片式19編輯版pppt②霍爾元件的材料3霍爾元件的主要技術(shù)指標(biāo)問題4怎樣才能制作一個(gè)理想的霍爾元件？首先，需要性能優(yōu)越的材料。禁帶寬度（eV）遷移率（cm2V-1S-1）300K0K電子空穴InSb0.170.23800001250InAs0.340.4233000460GaAs1.421.528500400Si1.121.171500450Ge0.660.743900190020編輯版pppt③霍爾元件的性能指標(biāo)3霍爾元件的主要技術(shù)指標(biāo)問題4怎樣才能制作一個(gè)理想的霍爾元件？其次，需要良好的線性度和穩(wěn)定性。額定激勵(lì)電流IH:使霍爾元件溫升10℃所施加的控制電流值稱為額定激勵(lì)電流。通常用IH表示。

熱阻RQ:它表示在霍爾電極開路情況下，在霍爾元件上輸入lmW的電功率時(shí)產(chǎn)生的溫升，單位為C／mW。所以稱它為熱阻是因?yàn)檫@個(gè)溫升的大小在一定條件下與電阻有關(guān)。輸入電阻Ri

:它是指控制電流極間的電阻值。它規(guī)定要在室溫(20±5℃)的環(huán)境溫度中測(cè)取。輸出電阻Rs:它是指霍爾電極間的電阻值。規(guī)定中要求在(20±5℃)的條件下測(cè)取。21編輯版pppt霍爾元件的主要技術(shù)指標(biāo):不等位電勢(shì)

當(dāng)霍爾元件通以控制電流IH而不加外磁場(chǎng)時(shí)，它的霍爾輸出端之間仍有空載電勢(shì)存在，該電勢(shì)就稱為不等位電勢(shì)(或零位電勢(shì))。寄生直流電勢(shì)當(dāng)不加外磁場(chǎng)，控制電流改用額定交流電流時(shí)，霍爾電極間的空載電勢(shì)為直流與交流電勢(shì)之和。其中的交流霍爾電勢(shì)與前述零位電勢(shì)相對(duì)應(yīng)，而直流霍爾電勢(shì)是個(gè)寄生量，稱為寄生直流電勢(shì)V。問題5不等位電勢(shì)與寄生直流電勢(shì)的本質(zhì)區(qū)別是什么？22編輯版pppt不等位電勢(shì)U0產(chǎn)生的原因：

（1）制造工藝不可能保證將兩個(gè)霍爾電極對(duì)稱地焊在霍爾片的兩側(cè)，致使兩電極點(diǎn)不能完全位于同一等位面上（2）霍爾片電阻率不均勻或厚薄不均勻或控制電流極接觸不良都將使等位面歪斜，致使兩霍爾電極不在同一等位面上而產(chǎn)生不等位電動(dòng)勢(shì)。霍爾引出電極安裝不對(duì)稱半導(dǎo)體材料不均勻問題5不等位電勢(shì)與寄生直流電勢(shì)的本質(zhì)區(qū)別是什么？23編輯版pppt寄生直流電勢(shì)：當(dāng)控制磁場(chǎng)為零，激勵(lì)電流用額定交流電流時(shí)，霍爾電極間的空載電勢(shì)為直流電勢(shì)與交流電勢(shì)之和。在此情況下，直流電勢(shì)稱為寄生直流電勢(shì)；交流電勢(shì)稱為交流不等位電勢(shì)。寄生直流電勢(shì)產(chǎn)生的原因是電極與基片間存在非歐姆接觸（接觸不良），以及兩個(gè)霍爾電極焊點(diǎn)大小不同而導(dǎo)致的直流溫差電勢(shì)。電極與基片之間的接觸電勢(shì)電極之間的溫差電勢(shì)24編輯版pppt產(chǎn)生原因不同

不等位電勢(shì)－－電極安裝不對(duì)稱、半導(dǎo)體材料不均勻寄生直流電勢(shì)－－接觸電勢(shì)、溫差電勢(shì)表現(xiàn)形式不同不等位電勢(shì)－－與激勵(lì)電流相關(guān)寄生直流電勢(shì)－－與激勵(lì)電流不相關(guān)補(bǔ)償方法不同不等位電勢(shì)－－補(bǔ)償較為容易寄生直流電勢(shì)－－難于完全補(bǔ)償問題5不等位電勢(shì)與寄生直流電勢(shì)的本質(zhì)區(qū)別是什么？問題5的回答問題6如何有效補(bǔ)償這兩種電勢(shì)？25編輯版pppt不等位電勢(shì)的補(bǔ)償霍爾元件可以等效為一個(gè)四臂電阻電橋，不等位電勢(shì)就相當(dāng)于電橋的初始不平衡輸出電壓。理想的霍爾元件：R1＝R2；R3＝R426編輯版pppt不等位電勢(shì)補(bǔ)償?shù)谋举|(zhì)：R’1＝R’2；R’3＝R’427編輯版pppt問題6如何有效補(bǔ)償這兩種電勢(shì)？寄生直流電勢(shì)的補(bǔ)償：減去固定值。28編輯版pppt背景知識(shí)1霍爾效應(yīng)的工作原理23霍爾元件的主要技術(shù)指標(biāo)4霍爾元件的溫度特性及補(bǔ)償主要內(nèi)容5霍爾傳感器及應(yīng)用29編輯版pppt4霍爾元件的溫度特性及補(bǔ)償

一般半導(dǎo)體材料的電阻率、遷移率和載流子濃度等都隨溫度而變化。霍爾元件由半導(dǎo)體材料制成，因此它的參數(shù)如輸入和輸出電阻、霍爾常數(shù)等也隨溫度而變化，致使霍爾電動(dòng)勢(shì)變化，產(chǎn)生溫度誤差。①溫度誤差產(chǎn)生機(jī)理30編輯版pppt選用溫度系數(shù)小的霍爾元件（RH小）采用適當(dāng)?shù)难a(bǔ)償電路采用恒流源供電（消除Ri的影響）采用恒流源供電，合理選取負(fù)載電阻RL的阻值（補(bǔ)償RH與Ro影響）采用恒壓源和輸入回路串聯(lián)電阻（開路工作，與Ro無關(guān)，補(bǔ)償RH、Ri）采用溫度補(bǔ)償元件（全面補(bǔ)償）4霍爾元件的溫度特性及補(bǔ)償②如何減小溫度誤差31編輯版pppt溫度對(duì)霍爾元件的參數(shù)影響：ΔT：溫度變化量；α：霍爾電勢(shì)的溫度系數(shù)；β：霍爾元件輸入輸出電阻的溫度系數(shù)。4霍爾元件的溫度特性及補(bǔ)償③恒流源激勵(lì)時(shí)的補(bǔ)償32編輯版pppt溫度為To時(shí)為使負(fù)載上的電壓不隨溫度而變化，應(yīng)使即得溫度為To＋ΔT時(shí)RL應(yīng)該具有良好的溫度穩(wěn)定性。33編輯版pppt溫度對(duì)霍爾元件的參數(shù)影響：ΔT：溫度變化量；α：霍爾電勢(shì)的溫度系數(shù)；β：霍爾元件輸入輸出電阻的溫度系數(shù)。4霍爾元件的溫度特性及補(bǔ)償③恒壓源激勵(lì)時(shí)的補(bǔ)償34編輯版pppt溫度為To時(shí)為使霍爾電勢(shì)不隨溫度而變化，應(yīng)使即得溫度為To＋ΔT時(shí)R應(yīng)該具有良好的溫度穩(wěn)定性。35編輯版pppt習(xí)題：某霍爾片的霍爾溫度系數(shù)α＝0.0005（1/℃），霍爾電阻溫度系數(shù)β＝0.004（1/℃），輸出電阻120Ω，輸入電阻100Ω，額定電流20mA，請(qǐng)采用合適的方法進(jìn)行溫度補(bǔ)償，并畫出電路圖。36編輯版pppt背景知識(shí)1霍爾效應(yīng)的工作原理23霍爾元件的主要技術(shù)指標(biāo)4霍爾元件的溫度特性及補(bǔ)償主要內(nèi)容5霍爾傳感器及應(yīng)用37編輯版pppt乘法作用：指當(dāng)霍爾傳感器的KH恒定時(shí)，霍爾電壓與控制電流及外加磁場(chǎng)磁感應(yīng)強(qiáng)度的乘積成正比。可用于乘法、功率等方面的計(jì)算與測(cè)量。5霍爾傳感器及應(yīng)用霍爾傳感器是利用霍爾元件制成的測(cè)量裝置。傳遞電阻基準(zhǔn)（量子霍爾效應(yīng)）電流比例性：磁場(chǎng)強(qiáng)度恒定時(shí)，霍爾電壓和控制電流之間的關(guān)系。磁場(chǎng)比例性:指控制電流恒定時(shí)，霍爾電壓和磁場(chǎng)之間的關(guān)系?？梢詼y(cè)量磁場(chǎng)、位移等。38編輯版pppt霍爾傳感器用于測(cè)量磁場(chǎng)強(qiáng)度

霍爾元件測(cè)量鐵心氣隙的B值①霍爾傳感器用以測(cè)量磁場(chǎng)39編輯版pppt霍爾特斯拉計(jì)（高斯計(jì)）

40編輯版pppt②霍爾傳感器用以測(cè)量電流II線性霍爾IC開環(huán)型閉環(huán)型41編輯版pppt點(diǎn)陣式空芯霍爾電流傳感器42編輯版pppt③霍爾傳感器用以測(cè)量位移43編輯版pppt④霍爾傳感器用以測(cè)量壓力壓力產(chǎn)生形變，形變轉(zhuǎn)換成位移。44編輯版pp