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半导体薄片置于磁感应强度为半导体薄片置于磁感应强度为B 的磁场中，磁场方向的磁场中，磁场方向垂直于薄片，当有电流垂直于薄片，当有电流I 流过薄片时，在垂直于电流和磁流过薄片时，在垂直于电流和磁场的方向上将产生电动势场的方向上将产生电动势EH，这种现象称为，这种现象称为霍尔效应霍尔效应。5.5 霍尔传感器霍尔传感器霍尔效应演示霍尔效应演示 当磁场垂直于薄片时，电子受到洛仑当磁场垂直于薄片时，电子受到洛仑兹力的作用，兹力的作用，向内侧偏移，在半导体薄片向内侧偏移，在半导体薄片c、d方向的端面之间建立起霍尔电势。方向的端面之间建立起霍尔电势。c cd da ab b霍尔电势的推导霍尔电势的推导 基片宽度两侧基片宽度两侧建立的电势差称为霍尔建立的电势差称为霍尔电势电势，它与霍尔电场它与霍尔电场强度强度EH的关系为：的关系为：UH=EHb=Bvb (b为宽度)设设n n是是N N型半导体载流子型半导体载流子浓度，浓度，bdbd是与电流方向垂直的截面是与电流方向垂直的截面积，则流过基片电流积，则流过基片电流:I I=nqvbdnqvbd vb=I/nqd vb=I/nqd 代入代入UH=Bvb得：得：IBKUdRKnqRdIBRnqdBIUHHHHHHH霍尔元件的灵敏度霍尔系数.1.结论：霍尔电势与激励电流结论：霍尔电势与激励电流I、磁感应强度、磁感应强度B成正比，且当成正比，且当B的方的方向改变时，霍尔电势的方向也随之改变。如果所施加的磁场为交向改变时，霍尔电势的方向也随之改变。如果所施加的磁场为交变磁场，则霍尔电势为同频率的交变电势。变磁场，则霍尔电势为同频率的交变电势。磁场不垂直于霍尔元件时的霍尔电动势磁场不垂直于霍尔元件时的霍尔电动势 若磁感应强度若磁感应强度B B不垂直于霍尔元件，而是不垂直于霍尔元件，而是与其法线成某一角度与其法线成某一角度 时，这时的霍尔电势为时，这时的霍尔电势为:UH=K KH HIBIBcoscos dRnqdKHH1nqRH1IBKUHH关于最大关于最大激励电流激励电流IM:根据根据U UH H=K=KH HIBIB，霍尔电势霍尔电势U UH H随激励电流随激励电流I I增大而增大，故在应用中总希望选用较大的增大而增大，故在应用中总希望选用较大的激励电流。但激励电流增大，霍尔元件的功激励电流。但激励电流增大，霍尔元件的功耗增大，元件的温度升高，从而引起霍尔电耗增大，元件的温度升高，从而引起霍尔电势的势的温漂增大，甚至烧坏元件，温漂增大，甚至烧坏元件，因此每种型因此每种型号的元件均规定了相应的最大激励电流，它号的元件均规定了相应的最大激励电流，它的数值从几毫安至十几毫安。的数值从几毫安至十几毫安。激励电流常用激励电流常用 20mA 5.2.25.2.2、霍尔传感器的组成及基本特性、霍尔传感器的组成及基本特性 霍尔传感器由霍尔传感器由霍尔元件霍尔元件、激励电源激励电源、测量电路测量电路、磁路磁路装置装置组成。组成。(1)(1)霍尔元件的构造霍尔元件的构造由霍尔片、引线和壳体组成，霍尔片是型半导体矩由霍尔片、引线和壳体组成，霍尔片是型半导体矩型薄片。长边引电压输出，短边引控制电流。型薄片。长边引电压输出，短边引控制电流。常用常用N N型锗型锗Ge,Ge,锑化铟锑化铟InSb,InSb,砷化铟砷化铟InSbInSb材料材料霍尔元件的电路部分霍尔元件的电路部分 激励电流可以是直流或交流。激励电流是直流电，产生霍尔电势是直流，激励电流是交流电，产生霍尔电势是交流。RP作用，调节激励电流。元件分线性应用和开关应用。增加霍尔输出电势或功率的方法 霍尔传感器应用霍尔传感器应用 一、利用一、利用UH与电流与电流I的关系的关系 当磁场恒定时，在一定温度下，霍尔电势与控制电流当磁场恒定时，在一定温度下，霍尔电势与控制电流I成很好成很好的线性关系。利用此特性，可直接用于测量电流，也可用于测的线性关系。利用此特性，可直接用于测量电流，也可用于测量能转换为电流的其它物理量。量能转换为电流的其它物理量。优点：可进行非接触测量优点：可进行非接触测量,结构简单结构简单,体积小体积小,频率高频率高,频带宽频带宽,动动态特性好态特性好,寿命长寿命长.可测量磁场强度可测量磁场强度,功率功率,相位相位,电能，位移电能，位移,转速转速,压力压力,加速度等。加速度等。如下图所示安装两磁钢，在中心位置的磁场具有均匀的梯度变化特性，有B=Cx。霍尔片沿x方向移动时，霍尔电势：UH=KHIB=KHICx=Kx二、利用二、利用UH与的与的B关系，用于微位移、压力、加速度、关系，用于微位移、压力、加速度、振动等。振动等。霍尔传感器位移特性实验原理霍尔传感器位移特性实验原理 （P107 图图5-5-6）钳形电流表的工作原理（如有图）：待测电流产生的磁感应强度B为：B=KBIX 霍尔电势为：U0=KHIB=KHIKBIX=KIX 因此，钳形电流表在不断开电路的情况下，可测量大电流，最大可测100KA以上的电流，而且还可以测量电子束、离子束等的电流。三、利用UH与I、B关系 控制电流为I1，磁感应强度B由励磁电流I2产生，则UH=KI1I2，可以实现模拟乘法器等。利用霍尔元件作为平均功率的测量。KPIKUUbbcos应用：转速测量转速测量 导磁盘转动时，霍尔元件磁路中的磁阻发生周期性变化，使霍尔元件感受的磁场强度发生周期变化，从而输出一系列频率与转速成正比的脉冲序列。应用：加速度测量加速度测量 作业 第112页，20题
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