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什么是霍尔效应、霍尔原理?霍尔传感器的工作原理是怎样的?

来源:华强商城 发布时间:2022-09-16

摘要: 霍尔传感器是根据霍尔效应制作的一种磁场传感器,它可以检测磁场及其变化,可在各种与磁场有关的场合中使用,霍尔元件是应用霍尔效应的半导体,一般用于电机中测定转子转速,如录像机的磁鼓,电脑中的散热风扇等;霍尔传感器已发展成一个品种多样的磁传感器产品族,并已得到广泛的应用。下文中将介绍什么是霍尔效应、霍尔原理、以及霍尔传感器的工作原理。

霍尔传感器是根据霍尔效应制作的一种磁场传感器,它可以检测磁场及其变化,可在各种与磁场有关的场合中使用,霍尔元件是应用霍尔效应的半导体,一般用于电机中测定转子转速,如录像机的磁鼓,电脑中的散热风扇等;霍尔传感器已发展成一个品种多样的磁传感器产品族,并已得到广泛的应用。下文中将介绍什么是霍尔效应、霍尔原理、以及霍尔传感器的工作原理

霍尔传感器

1.什么是霍尔效应?


霍尔效应是电磁效应的一种,是物理学家霍尔在研究金属的导电机制时发现的:当电流垂直于外磁场通过半导体时,载流子发生偏转,垂直于电流和磁场的方向会产生一附加电场,从而在半导体的两端产生电势差,这一现象就是霍尔效应,这个电势差也被称为霍尔电势差。霍尔效应使用左手定则判断。

霍尔效应

  霍尔效应从本质上讲是运动的带电粒子在磁场中受洛仑兹力作用引起的偏转。当带电粒子(电子或空穴)被约束在固体材料中,这种偏转就导致在垂直电流和磁场的方向上产生正负电荷的聚积,从而形成附国的横向电场。对于图所示的半导体试样,若在X方向通以电流IS,在Z方向加磁场B,则在Y方向即试样A,A′电极两侧就开始聚积异号电荷而产生相应的附加电场。电场的指向取决定于试样的电类型。显然,该电场是阻止载流子继续向侧面偏移,当载流子所受的横向电场力eEH与洛仑兹力image.png相等时,样品两侧电荷的积累就达到平衡,故有

 image.png

  其中EH为霍尔电场,V是载流子在电流方向上的平均漂移速度。设试样的宽为b,厚度为d,载流子浓度为n,则:

 image.png

  由(1)、(2)两式可得:

 image.png

  即霍尔电压VH(A、A′电极之间的电压)与ISB乘积正比与试样厚度d成反比。比例系数image.png称为霍尔系数,它是反映材料霍尔效应强弱的重要参数,只要测出 VH(伏)以及知道IS以及知道IS(安)、B(高斯)和d(厘 米)可按下式计算RH(厘米3/库仑)。

image.png


2.霍尔原理


  由霍尔效应的原理知,霍尔电势的大小取决于: UH=Rh×IC×B/d

  Rh为霍尔常数,它与半导体材质有关;IC为霍尔元件的偏置电流;B为磁场强度;d为半导体材料的厚度。

  对于一个给定的霍尔器件,当偏置电流Ic固定时,Vh将完全取决于被测的磁场强度B。一个霍尔元件一般有四个引出端子,其中两根是霍尔元件的偏置电流IC的输入端,另两根是霍尔电压的输出端。如果两输出端构成外回路,就会产生霍尔电流。一般地说,偏置电流的设定通常由外部的基准电压源给出;若精度要求高,则基准电压源均用恒流源取代。为了达到高的灵敏度,有的霍尔元件的传感面上装有高导磁系数的坡莫合金;这类传感器的霍尔电势较大,但在0.05T左右出现饱和,仅适用在低量限、小量程下使用。

  在半导体薄片两端通以控制电流I,并在薄片的垂直方向施加磁感应强度为B的匀强磁场,则在垂直于电流和磁场的方向上,将产生电势差为UH的霍尔电压。


3.霍尔传感器的工作原理


  磁场中有一个霍尔半导体片,恒定电流I从A到B通过该片。在洛仑兹力的作用下,I的电子流在通过霍尔半导体时向一侧偏移,使该片在CD方向上产生电位差,这就是所谓的霍尔电压。

  霍尔电压随磁场强度的变化而变化,磁场越强,电压越高,磁场越弱,电压越低。霍尔电压值很小,通常只有几个毫伏,但经集成电路中的放大器放大,就能使该电压放大到足以输出较强的信号。若使霍尔集成电路起传感作用,需要用机械的方法来改变磁场强度。用一个转动的叶轮作为控制磁通量的开关,当叶轮叶片处于磁铁和霍尔集成电路之间的气隙中时,磁场偏离集成片,霍尔电压消失。这样,霍尔集成电路的输出电压的变化,就能表示出叶轮驱动轴的某一位置,利用这一工作原理,可将霍尔集成电路片用作用点火正时传感器。霍尔效应传感器属于被动型传感器,它要有外加电源才能工作,这一特点使它能检测转速低的运转情况。


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