霍爾傳感器工程實(shí)踐課件

1、磁敏傳感器 磁敏傳感器是對(duì)磁場(chǎng)參量(B,H,)敏感的元器件或裝置 ,具有把磁學(xué)物理量轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的功能。霍爾磁敏傳感器霍爾磁敏傳感器 半導(dǎo)體磁敏傳感器半導(dǎo)體磁敏傳感器霍爾磁敏傳感器霍爾磁敏傳感器 （一）霍爾效應(yīng)（一）霍爾效應(yīng) 通電的導(dǎo)體或半導(dǎo)體，在垂直于電流和磁通電的導(dǎo)體或半導(dǎo)體，在垂直于電流和磁場(chǎng)的方向上將產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)的現(xiàn)象。場(chǎng)的方向上將產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)的現(xiàn)象。+I+ +lwd霍爾效應(yīng)原理圖VH（二）霍爾磁敏傳感器工作原理（二）霍爾磁敏傳感器工作原理 設(shè)霍爾片的長度為l，寬度為w，厚度為d。又設(shè)電子以均勻的速度v運(yùn)動(dòng)，則在垂直方向施加的磁感應(yīng)強(qiáng)度B的作用下，它受到洛侖茲力q電子電量(1.6210-1

2、9C)； v電于運(yùn)動(dòng)速度。同時(shí)，作用于電子的電場(chǎng)力 qvBfLwqVqEfHHE/wqVqvBH/當(dāng)達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡時(shí)dnqvwdjwIdnqwIv/pqdIBVH/霍爾電勢(shì)VH與 I、B的乘積成正比，而與d成反比。于是可改寫成： dIBRVHHHR電流密度j=nqvnN型半導(dǎo)體中的電子濃度N型半導(dǎo)體P型半導(dǎo)體 霍爾系數(shù)，由載流材料物理性質(zhì)決定。材料電阻率pP型半導(dǎo)體中的孔穴濃度型）（型）（PqpRNqnRHH11載流子遷移率,=v/E,即單位電場(chǎng)強(qiáng)度作用下載流子的平均速度。金屬材料，電子金屬材料，電子很高但很高但很小，絕緣材料，很小，絕緣材料，很高但很高但很小。很小。故為獲得較強(qiáng)霍爾效應(yīng)，霍爾片

3、全部采用半導(dǎo)體材料制成。故為獲得較強(qiáng)霍爾效應(yīng)，霍爾片全部采用半導(dǎo)體材料制成。設(shè) KH=RH / d KH霍爾器件的乘積靈敏度。它與載流材料的物理性質(zhì)和幾何尺寸有關(guān)，表示在單位磁感應(yīng)強(qiáng)度和單位控制電流時(shí)霍爾電勢(shì)的大小。 若磁感應(yīng)強(qiáng)度B的方向與霍爾器件的平面法線夾角為時(shí)，霍爾電勢(shì)應(yīng)為： VH KH I B VH KH I B cos 注意：當(dāng)控制電流的方向或磁場(chǎng)方向改變時(shí)，輸出注意：當(dāng)控制電流的方向或磁場(chǎng)方向改變時(shí)，輸出霍霍爾電爾電勢(shì)的方向也改變。但當(dāng)磁場(chǎng)與電流同時(shí)改變方勢(shì)的方向也改變。但當(dāng)磁場(chǎng)與電流同時(shí)改變方向時(shí)，向時(shí)，霍爾電霍爾電勢(shì)并不改變方向。勢(shì)并不改變方向?；魻柶骷?a)實(shí)際結(jié)構(gòu)(mm)

4、；(b)簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)；(c)等效電路外形尺寸:6.43.10.2;有效尺寸：5.42.70.2（三）霍爾磁敏傳感器（霍爾器件）（三）霍爾磁敏傳感器（霍爾器件）dsl（b）2.15.42.7AB0.20.50.3CD（a）w電流極霍爾電極R4ABCDR1R2R3R4（c）霍爾輸出端的端子C、D相應(yīng)地稱為霍爾端或輸出端。若霍爾端子間連接負(fù)載,稱為霍爾負(fù)載電阻或霍爾負(fù)載。電流電極間的電阻，稱為輸入電阻，或者控制內(nèi)阻?；魻柖俗娱g的電阻，稱為輸出電阻或霍爾側(cè)內(nèi)部電阻。 器件電流(控制電流或輸入電流):流入到器件內(nèi)的電流。電流端子A、B相應(yīng)地稱為器件電流端、控制電流端或輸入電流端。H霍耳器件符號(hào)AAABBBC

5、CCDDD關(guān)于霍爾器件符號(hào)，名稱及型號(hào)，國內(nèi)外尚無統(tǒng)一規(guī)定，為敘述方便起見，暫規(guī)定下列名稱的符號(hào)。 控制電流I；霍爾電勢(shì)VH；控制電壓V；輸出電阻R2；輸入電阻R1；霍爾負(fù)載電阻R3；霍爾電流IH。 圖中控制電流I由電源E供給,R為調(diào)節(jié)電阻,保證器件內(nèi)所需控制電流I?；魻栞敵龆私迂?fù)載R3,R3可是一般電阻或放大器的輸入電阻、或表頭內(nèi)阻等。磁場(chǎng)B垂直通過霍爾器件,在磁場(chǎng)與控制電流作用下，由負(fù)載上獲得電壓。VHR3VBIEIH霍爾器件的基本電路R實(shí)際使用時(shí),器件輸入信號(hào)可以是I或B，或者IB,而輸出可以正比于I或B, 或者正比于其乘積IB。IKBIdRVIHHVKVRKBVdRRVVHH1111上

6、兩式是霍爾器件中的基本公式。即：輸入電流或輸入電壓和霍爾輸出電勢(shì)完全呈線性關(guān)系。如果輸入電流或電壓中任一項(xiàng)固定時(shí)，磁感應(yīng)強(qiáng)度和輸出電勢(shì)之間也完全呈線性關(guān)系。同樣，若給出控制電壓V，由于V=R1I，可得控制電壓和霍爾電勢(shì)的關(guān)系式設(shè)霍爾片厚度d均勻，電流I和霍爾電場(chǎng)的方向分別平行于長、短邊界，則控制電流I和霍爾電勢(shì)VH的關(guān)系式（四）基本特性（四）基本特性 1、直線性：指霍爾器件的輸出電勢(shì)VH分別和基本參數(shù)I、V、B之間呈線性關(guān)系。VH=KHBI 2、靈敏度：可以用乘積靈敏度或磁場(chǎng)靈敏度以及電流靈敏度、電勢(shì)靈敏度表示：KH乘積靈敏度，表示霍爾電勢(shì)VH與磁感應(yīng)強(qiáng)度B和控制電流I乘積之間的比值，通常以m

7、V/(mA0.1T)。因?yàn)榛魻栐妮敵鲭妷阂蓛蓚€(gè)輸入量的乘積來確定,故稱為乘積靈敏度乘積靈敏度。KB磁場(chǎng)靈敏度，通常以額定電流為標(biāo)準(zhǔn)。磁場(chǎng)靈敏度等于霍爾元件通以額定電流時(shí)每單位磁感應(yīng)強(qiáng)度對(duì)應(yīng)的霍爾電勢(shì)值。常用于磁場(chǎng)測(cè)量等情況。 KI電流靈敏度，電流靈敏度等于霍爾元件在單位磁感應(yīng)強(qiáng)度下電流對(duì)應(yīng)的霍爾電勢(shì)值。若控制電流值固定，則：VHKBB若磁場(chǎng)值固定，則：VHKI I3、額定電流：霍爾元件的允許溫升規(guī)定著一個(gè)最大控制電流。4、最大輸出功率 在霍爾電極間接入負(fù)載后，元件的功率輸出與負(fù)載的大小有關(guān)，當(dāng)霍爾電極間的內(nèi)阻R2等于霍爾負(fù)載電阻R3時(shí)，霍爾輸出功率為最大。 22max4/ RVPHO5、

8、最大效率 霍爾器件的輸出與輸入功率之比，稱為效率，和最大輸出對(duì)應(yīng)的效率，稱為最大效率，即：1222maxmax4/RIRVPPHinO6、負(fù)載特性 當(dāng)霍爾電極間串接有負(fù)載時(shí)，因?yàn)榱鬟^霍爾電流，在其內(nèi)阻上將產(chǎn)生壓降，故實(shí)際霍爾電勢(shì)比理論值小。由于霍爾電極間內(nèi)阻和磁阻效應(yīng)的影響，霍爾電勢(shì)和磁感應(yīng)強(qiáng)度之間便失去了線性關(guān)系。如圖所示。 8060402000.20.40.60.81.0VH/mV=7.0=1.5=3.0B/T理論值理論值實(shí)際值實(shí)際值VHR3I霍爾電勢(shì)的負(fù)載特性=R3/R2 霍爾電勢(shì)隨負(fù)載電阻值而改變的情況7、溫度特性：指霍爾電勢(shì)或靈敏度的溫度特性，以及輸入阻抗和輸出阻抗的溫度特性。它們可

9、歸結(jié)為霍爾系數(shù)和電阻率（或電導(dǎo)率）與溫度的關(guān)系?；魻柌牧系臏囟忍卣骰魻柌牧系臏囟忍卣鳎╝）RH與溫度的關(guān)系；（與溫度的關(guān)系；（b）與溫度的關(guān)系與溫度的關(guān)系RH/cm2/A-1-1250200150100504080120160200LnSbLnAsT/0246/710-3cmLnAs20015010050LnSbT/0雙重影響雙重影響：元件電阻，采用恒流供電；載流子遷移率，影響靈敏度。二者相反。8、頻率特性u(píng)磁場(chǎng)恒定，而通過傳感器的電流是交變的。磁場(chǎng)恒定，而通過傳感器的電流是交變的。器件的頻率特性很好，到10kHz時(shí)交流輸出還與直流情況相同。因此,霍爾器件可用于微波范圍,其輸出不受頻率影響。

10、u磁場(chǎng)交變。磁場(chǎng)交變?；魻栞敵霾粌H與頻率有關(guān)，而且還與器件的電導(dǎo)率、周圍介質(zhì)的磁導(dǎo)率及磁路參數(shù)(特別是氣隙寬度)等有關(guān)。這是由于在交變磁場(chǎng)作用下，元件與導(dǎo)體一樣會(huì)在其內(nèi)部產(chǎn)生渦流的緣故。 總之，在交變磁場(chǎng)下，當(dāng)頻率為數(shù)十kHz時(shí)，可以不考慮頻率對(duì)器件輸出的影響，即使在數(shù)MHz時(shí)，如果能仔細(xì)設(shè)計(jì)氣隙寬度，選用合適的元件和導(dǎo)磁材料，仍然可以保證器件有良好的頻率特性的。 霍爾開關(guān)集成傳感器是利用霍爾效應(yīng)與集成電路技術(shù)結(jié)合而制成的一種磁敏傳感器，它能感知一切與磁信息有關(guān)的物理量，并以開關(guān)信號(hào)形式輸出?；魻栭_關(guān)集成傳感器具有使用壽命長、無觸點(diǎn)磨損、無火花干擾、無轉(zhuǎn)換抖動(dòng)、工作頻率高、溫度特性好、能適應(yīng)惡

11、劣環(huán)境等優(yōu)點(diǎn)。（五）（五） 霍爾開關(guān)集成傳感器霍爾開關(guān)集成傳感器由穩(wěn)壓電路、霍爾元件、放大器、整形電路、開路輸出五部分組成。 穩(wěn)壓電路穩(wěn)壓電路可使傳感器在較寬的電源電壓范圍內(nèi)工作；開路輸出開路輸出可使傳感器方便地與各種邏輯電路接口。 1 1霍爾開關(guān)集成傳感器的結(jié)構(gòu)及工作原理霍爾開關(guān)集成傳感器的結(jié)構(gòu)及工作原理霍爾開關(guān)集成傳感器內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖23輸出+穩(wěn)壓VCC1霍爾元件放大BT整形地H 3020T輸出輸出VoutR=2k+12V123（b）應(yīng)用電路）應(yīng)用電路 （a）外型）外型 霍爾開關(guān)集成傳感器的外型及應(yīng)用電路霍爾開關(guān)集成傳感器的外型及應(yīng)用電路1232 2霍爾開關(guān)集成傳感器的工作特性曲線霍爾開關(guān)集

12、成傳感器的工作特性曲線 從工作特性曲線上可以看出，工作特性有一定的磁滯BH，這對(duì)開關(guān)動(dòng)作的可靠性非常有利。 圖中的BOP為工作點(diǎn)“開”的磁感應(yīng)強(qiáng)度，BRP為釋放點(diǎn)“關(guān)”的磁感應(yīng)強(qiáng)度?；魻栭_關(guān)集成傳感器的工作特性曲線霍爾開關(guān)集成傳感器的工作特性曲線VOUT/V12ONOFFBRPBOPBHB霍爾開關(guān)集成傳感器的技術(shù)參數(shù)： 工作電壓 、磁感應(yīng)強(qiáng)度、輸出截止電壓、 輸出導(dǎo)通電流、工作溫度、工作點(diǎn)。0 該曲線反映了外加磁場(chǎng)與傳感器輸出電平的關(guān)系。當(dāng)外加磁感強(qiáng)度高于BOP時(shí)，輸出電平由高變低，傳感器處于開狀態(tài)。當(dāng)外加磁感強(qiáng)度低于BRP時(shí)，輸出電平由低變高，傳感器處于關(guān)狀態(tài)。 3 3霍爾開關(guān)集成傳感器的應(yīng)

13、用霍爾開關(guān)集成傳感器的應(yīng)用 （1）霍爾開關(guān)集成傳感器的接口電路RLVACVccVccVACVccVACKVccKVccVACVccMOSVOUTVAC霍爾開關(guān)集成傳感器的一般接口電路霍爾開關(guān)集成傳感器的一般接口電路VACRL磁鐵軸心接近式 在磁鐵的軸心方向垂直于傳感器并同傳感器軸心重合的條件下，霍爾開關(guān)集成傳感器的L1-B關(guān)系曲線NSAlNiCo 磁鐵6.4320.100.080.060.040.0202.557.51012.51517.520距離L1/mmB/TL1隨磁鐵與傳感器的間隔距離的增加,作用在傳感器表面的磁感強(qiáng)度衰減很快。當(dāng)磁鐵向傳感器接近到一定位置時(shí),傳感器開關(guān)接通,而磁鐵移開到

14、一定距離時(shí)開關(guān)關(guān)斷。應(yīng)用時(shí),如果磁鐵已選定,則應(yīng)按具體的應(yīng)用場(chǎng)合,對(duì)作用距離作合適的選擇。 （2）給傳感器施加磁場(chǎng)的方式 磁鐵側(cè)向滑近式磁鐵側(cè)向滑近式 要求磁鐵平面與傳感器平面的距離不變，而磁鐵的軸線與傳感器的平面垂直。磁鐵以滑近移動(dòng)滑近移動(dòng)的方式在傳感器前方通過?；魻栭_關(guān)集成傳感器的霍爾開關(guān)集成傳感器的L2-B關(guān)系曲線關(guān)系曲線0.100.080.060.040.0202.557.51012.51517.520B/TNS空隙空隙2.05AlNiCo 磁鐵磁鐵6.432L2距離距離L2/mm采用磁力集中器增加傳感器的磁感應(yīng)強(qiáng)度在霍爾開關(guān)應(yīng)用時(shí)，提高激勵(lì)傳感器的磁感應(yīng)強(qiáng)度是一個(gè)重要方面。除選用磁感

15、應(yīng)強(qiáng)度大的磁鐵或減少磁鐵與傳感器的間隔距離外，還可采用下列方法增強(qiáng)傳感器的磁感應(yīng)強(qiáng)度。SN磁力集中器傳感器磁鐵磁力集中器安裝示意圖磁力集中器安裝示意圖SN磁力集中器傳感器磁鐵鐵底盤在磁鐵上安裝鐵底盤示意圖在磁鐵上安裝鐵底盤示意圖SN磁鐵磁力集中器傳感器帶有磁力集中器的移動(dòng)激勵(lì)方式示意圖帶有磁力集中器的移動(dòng)激勵(lì)方式示意圖磁感應(yīng)強(qiáng)度B/T0.100.080.060.040.0202.557.510磁鐵與中心線的距離L2/mmB-L2曲線的對(duì)比圖曲線的對(duì)比圖 (a)加磁力集中器的移動(dòng)激勵(lì)方式 激勵(lì)磁場(chǎng)應(yīng)用實(shí)例(b)推拉式 兩個(gè)磁鐵的S極都面對(duì)傳感器，這樣可以得到如圖所示的較為線性的特性。N SS N

16、傳感器推拉式激勵(lì)磁場(chǎng)示意圖推拉式推拉式L1-B關(guān)系曲線關(guān)系曲線距離距離L1/mmB/T0.05-0.050-10-5051015-15注意：磁鐵S極作用于傳感器背面，會(huì)抵消傳感器正面磁鐵S極的激勵(lì)作用。(c)雙磁鐵滑近式 為激勵(lì)傳感器開關(guān)的接通，往往把磁鐵的S極對(duì)著傳感器正面，如果在傳感器的背面也設(shè)置一磁鐵，使它的N極對(duì)著傳感器的背面，就會(huì)獲得大得多的磁場(chǎng)。傳感器滑近S N N S 雙磁鐵滑近式結(jié)構(gòu)示意圖 (d)翼片遮擋式 翼片遮擋方法就是把鐵片放到磁鐵與傳感器之間，使磁力線被分流、傍路，遮擋磁場(chǎng)對(duì)傳感器激勵(lì)。當(dāng)磁鐵和傳感器之間無遮擋時(shí)，傳感器被磁鐵激勵(lì)而導(dǎo)通；當(dāng)翼片轉(zhuǎn)動(dòng)到磁鐵和傳感器之間時(shí)，

17、傳感器被關(guān)斷。翼片遮擋器的形狀片狀筒狀 霍爾開關(guān)集成傳感器的應(yīng)用領(lǐng)域：點(diǎn)火系統(tǒng)、保安系統(tǒng)、轉(zhuǎn)速、里程測(cè)定、機(jī)械設(shè)備的限位開關(guān)、按鈕開關(guān)、電流的測(cè)定與控制、位置及角度的檢測(cè)等等(e) 偏磁式 在傳感器背面放置固定的磁鐵加入偏磁，就可以改變傳感器的工作點(diǎn)或釋放點(diǎn)。例如。將磁鐵的N極粘附在傳感器的背面，則傳感器在正常情況下處于導(dǎo)通狀態(tài)，必須在它的正面施加更強(qiáng)的負(fù)磁場(chǎng)，才能使它關(guān)斷。 4.霍爾開關(guān)集成傳感器的應(yīng)用領(lǐng)域 1霍爾線性集成傳感器的結(jié)構(gòu)及工作原理 霍爾線性集成傳感器的輸出電壓與外加磁場(chǎng)成線性比例關(guān)系。這類傳感器一般由霍爾元件和放大器組成，當(dāng)外加磁場(chǎng)時(shí),霍爾元件產(chǎn)生與磁場(chǎng)成線性比例變化的霍爾電壓

18、,經(jīng)放大器放大后輸出。在實(shí)際電路設(shè)計(jì)中，為了提高傳感器的性能，往往在電路中設(shè)置穩(wěn)壓、電流放大輸出級(jí)、失調(diào)調(diào)整和線性度調(diào)整等電路?；魻栭_關(guān)集成傳感器的輸出有低電平或高電平兩種狀態(tài)，而霍爾線性集成傳感器的輸出卻是對(duì)外加磁場(chǎng)的線性感應(yīng)。因此霍爾線性集成傳感器廣泛用于位置、力、重量、厚度、速度、磁場(chǎng)、電流等的測(cè)量或控制?；魻柧€性集成傳感器有單端輸出和雙端輸出兩種，其電路結(jié)構(gòu)如下圖。（六）霍爾線性集成傳感器（六）霍爾線性集成傳感器單端輸出傳感器的電路結(jié)構(gòu)框圖23輸出+穩(wěn)壓VCC1霍爾元件放大地H穩(wěn)壓H3VCC地4輸出輸出18675 雙端輸出傳感器的電路結(jié)構(gòu)框圖 單端輸出的傳感器是一個(gè)三端器件，它的輸出電

19、壓對(duì)外加磁場(chǎng)的微小變化能做出線性響應(yīng)，通常將輸出電壓用電容交連到外接放大器，將輸出電壓放大到較高的電平。其典型產(chǎn)品是SL3501T。 雙端輸出的傳感器是一個(gè)8腳雙列直插封裝的器件，它可提供差動(dòng)射極跟隨輸出，還可提供輸出失調(diào)調(diào)零。其典型產(chǎn)品是SL3501M。2 2霍爾線性集成傳感器的主要技術(shù)特性霍爾線性集成傳感器的主要技術(shù)特性(1)(1) 傳感器的輸出特性如下圖： 磁感應(yīng)強(qiáng)度B/T5.64.63.62.61.6- -0.3 -0-0.2-0.1-0.100.10.20.3輸輸出出電電壓壓U/VSL3501T傳感器的輸出特性曲線2 2霍爾線性集成傳感器的主要技術(shù)特性霍爾線性集成傳感器的主要技術(shù)特性(2)(2) 傳感器的輸出特性如下圖： 2.52.01.51.00.50 0.040.080.120.16 0.200.24輸輸出出電電壓壓U/V磁感應(yīng)強(qiáng)度磁感應(yīng)強(qiáng)度B/TSL3501M傳感器的輸出特性曲線00.28 0.32R=0R=15R=100 （七）霍爾磁敏傳感器的應(yīng)用（七）霍爾磁敏傳感器的應(yīng)用 利用霍爾效應(yīng)制