霍爾檢測元件

1、霍爾傳感器 1霍爾傳感器霍爾元件霍爾元件霍爾傳感器 2 1878 1878年美國物理學(xué)家霍爾首先發(fā)現(xiàn)金屬中的年美國物理學(xué)家霍爾首先發(fā)現(xiàn)金屬中的霍爾效應(yīng)，因為太弱沒有得到應(yīng)用?；魻栃?yīng)，因為太弱沒有得到應(yīng)用。 隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，人們發(fā)現(xiàn)半導(dǎo)體材隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，人們發(fā)現(xiàn)半導(dǎo)體材料的霍爾效應(yīng)非常明顯，并且體積小有利于集成料的霍爾效應(yīng)非常明顯，并且體積小有利于集成化?；?。 霍爾傳感器是基于霍爾效應(yīng)?；魻杺鞲衅魇腔诨魻栃?yīng)?；魻杺鞲衅?3 通電的導(dǎo)體（半導(dǎo)體）垂直放在磁場通電的導(dǎo)體（半導(dǎo)體）垂直放在磁場中，導(dǎo)體在垂直于電流中，導(dǎo)體在垂直于電流I I與磁場與磁場B B方方向上會產(chǎn)生向上會產(chǎn)生感

2、應(yīng)電動勢感應(yīng)電動勢，這種現(xiàn)象，這種現(xiàn)象稱為稱為霍爾效應(yīng)霍爾效應(yīng)。 b UH B a d I + + + + + + + + fL fE - - - - - - - - - - - - - - v 霍爾傳感器 4 在與磁場垂直的半導(dǎo)體薄片上通以電流在與磁場垂直的半導(dǎo)體薄片上通以電流I I，假設(shè)載，假設(shè)載流子為電子流子為電子(N(N型半導(dǎo)體材料型半導(dǎo)體材料) )，它沿與電流，它沿與電流I I相反的相反的方向運動，由于洛侖茲力方向運動，由于洛侖茲力f fL L的作用，電子將向一側(cè)的作用，電子將向一側(cè)偏轉(zhuǎn)，并使該側(cè)形成電子的積累，而另一側(cè)形成正偏轉(zhuǎn)，并使該側(cè)形成電子的積累，而另一側(cè)形成正電荷積累，于是

3、元件的橫向便形成了電場。該電場電荷積累，于是元件的橫向便形成了電場。該電場阻止電子繼續(xù)向側(cè)面偏移，當電子所受到的電場力阻止電子繼續(xù)向側(cè)面偏移，當電子所受到的電場力f fE E與洛侖茲力與洛侖茲力f fL L相等時，電子的積累達到動態(tài)平衡。相等時，電子的積累達到動態(tài)平衡。這時在兩橫端面之間建立的電場稱為這時在兩橫端面之間建立的電場稱為霍爾電場霍爾電場E EH H，相應(yīng)的電勢稱為相應(yīng)的電勢稱為霍爾電勢霍爾電勢U UH H。 b UH B a d I + + + + + + + + fL fE - - - - - - - - - - - - - - v 霍爾電勢的產(chǎn)生霍爾電勢的產(chǎn)生霍爾傳感器 5霍爾

4、效應(yīng)演示霍爾效應(yīng)演示 當磁場垂直于薄片時，電子受到洛侖當磁場垂直于薄片時，電子受到洛侖茲力的作用，茲力的作用，向內(nèi)側(cè)偏移，在半導(dǎo)體薄片向內(nèi)側(cè)偏移，在半導(dǎo)體薄片c、d方向的端面之間建立起霍爾電勢。方向的端面之間建立起霍爾電勢。cd霍爾傳感器 6在磁場作用下導(dǎo)體中的自由電子做定向運動。在磁場作用下導(dǎo)體中的自由電子做定向運動。 每個電子受洛侖茲力作用被推向?qū)w的另一側(cè)：每個電子受洛侖茲力作用被推向?qū)w的另一側(cè)： LFe B霍爾電場作用于電子的力霍爾電場作用于電子的力HHFeE霍爾電場霍爾電場當兩作用力相等時電荷不當兩作用力相等時電荷不再再 向兩邊積累達到動態(tài)平衡：向兩邊積累達到動態(tài)平衡：HLFFHe

5、Ee B b UH B a d I + + + + + + + + fL fE - - - - - - - - - - - - - - v HHUEbabUBHaHUBba霍爾電勢霍爾電勢霍爾傳感器 7霍爾電勢與電流和磁場強度的關(guān)系：霍爾電勢與電流和磁場強度的關(guān)系：通過（半）導(dǎo)體薄片的電流通過（半）導(dǎo)體薄片的電流I I與下列因素有關(guān)：與下列因素有關(guān)： 載流子濃度載流子濃度n n，電子運動速度，電子運動速度v v，導(dǎo)體薄片橫截面積，導(dǎo)體薄片橫截面積 a a* *d d， e e 為電子電荷量。為電子電荷量。代入后：代入后：1HRne 與材料有關(guān)與材料有關(guān)霍爾常數(shù)霍爾常數(shù)霍爾電勢與電流霍爾電勢與電

6、流和磁場強度的乘和磁場強度的乘積成正比積成正比HHRKd與薄片尺寸有關(guān)與薄片尺寸有關(guān)霍爾靈敏度霍爾靈敏度式中：式中：電阻率、電阻率、n n電子濃度電子濃度 電子遷移率電子遷移率=/E =/E 單位電場強度作用下載流子運動速度。單位電場強度作用下載流子運動速度。Ine bd adHHHIBIBUBbRK IBnedd a b UH B a d I + + + + + + + + fL fE - - - - - - - - - - - - - - v 霍爾傳感器 8磁場不垂直于霍爾元件時的霍爾電動勢磁場不垂直于霍爾元件時的霍爾電動勢 若磁感應(yīng)強度若磁感應(yīng)強度B B不垂直于霍爾元件，而是與其法不垂直

7、于霍爾元件，而是與其法線成某一角度線成某一角度 時，實際上作用于霍爾元件上的有效時，實際上作用于霍爾元件上的有效磁感應(yīng)強度是其法線方向（與薄片垂直的方向）的分磁感應(yīng)強度是其法線方向（與薄片垂直的方向）的分量，即量，即B Bcoscos ，這時的霍爾電勢為，這時的霍爾電勢為 U UH H= =K KH HIBIBcoscos 結(jié)論：結(jié)論：霍爾電勢與輸入電流霍爾電勢與輸入電流I I、磁感應(yīng)強度、磁感應(yīng)強度B B成成正比，且當正比，且當B B的方向改變時，霍爾電勢的方向也隨之的方向改變時，霍爾電勢的方向也隨之改變。如果所施加的磁場為交變磁場，則霍爾電勢改變。如果所施加的磁場為交變磁場，則霍爾電勢為同

8、頻率的交變電勢。為同頻率的交變電勢。 霍爾傳感器 9HHRKd1HRne HHUK IB討論：討論： 任何材料在一定條件下都能產(chǎn)生霍爾電勢，但不是任何材料在一定條件下都能產(chǎn)生霍爾電勢，但不是都可以制造霍爾元件都可以制造霍爾元件; ; 絕緣材料絕緣材料很大，很大，很小，不適用；很小，不適用； 金屬材料電子濃度金屬材料電子濃度n n很高，很高，R RH H很小，很小，U UH H很小很小; ; 半導(dǎo)體材料電阻率半導(dǎo)體材料電阻率較大較大, ,R RH H大，非常適于做霍爾元大，非常適于做霍爾元件，半導(dǎo)體中電子遷移率一般大于空穴的遷移率，所件，半導(dǎo)體中電子遷移率一般大于空穴的遷移率，所以霍爾元件多采用

9、以霍爾元件多采用 N N 型半導(dǎo)體（多電子）型半導(dǎo)體（多電子）; ; 厚度厚度d d越小，霍爾靈敏度越小，霍爾靈敏度 K KHH 越大，所以霍爾元件做越大，所以霍爾元件做的較薄，通常近似的較薄，通常近似1 1微米微米(d1(d1m)m) ?；魻杺鞲衅?102. 2. 霍爾元件的基本結(jié)構(gòu)與基本測量電路霍爾元件的基本結(jié)構(gòu)與基本測量電路 霍爾元件的結(jié)構(gòu)很簡單，它是由霍爾片、四根引線和殼體組成的，霍爾元件的結(jié)構(gòu)很簡單，它是由霍爾片、四根引線和殼體組成的，如圖?；魻栐话憧捎脙煞N符號表示，如圖（如圖?；魻栐话憧捎脙煞N符號表示，如圖（b b）所示。）所示。 霍爾片是一塊矩形半導(dǎo)體薄片，引出四根引線：

10、霍爾片是一塊矩形半導(dǎo)體薄片，引出四根引線： 1 1、 11兩根引兩根引線加激勵電壓或電流，稱線加激勵電壓或電流，稱激勵電極（控制電極）激勵電極（控制電極）； 2 2、 22引線引線為霍爾輸出引線，為霍爾輸出引線， 稱稱霍爾電極霍爾電極。 霍爾傳感器 11 霍爾晶體的外形為矩形薄片有四根引線，霍爾晶體的外形為矩形薄片有四根引線， 兩端加激勵，兩端為輸出，兩端加激勵，兩端為輸出，RLRL為負載電阻為負載電阻 ； 電源電源E E通過通過R R控制激勵電流控制激勵電流I I； 磁場磁場B B與元件面垂直（向里）與元件面垂直（向里） 實測中可把實測中可把I I* *B B作輸入，作輸入， 也可把也可把I

11、 I或或B B單獨做輸入；單獨做輸入； 通過霍爾電勢輸出測量結(jié)果。通過霍爾電勢輸出測量結(jié)果。 輸出輸出UoUo與與I I或或B B成正比關(guān)系，或與成正比關(guān)系，或與I I* *B B成正比關(guān)系。成正比關(guān)系?；魻杺鞲衅?12霍爾元件的轉(zhuǎn)換效率較低，實際應(yīng)用中，為了獲得較霍爾元件的轉(zhuǎn)換效率較低，實際應(yīng)用中，為了獲得較大的霍爾電壓，可將幾個霍爾元件的輸出串聯(lián)起來。大的霍爾電壓，可將幾個霍爾元件的輸出串聯(lián)起來。在這種連接方法中，激勵電流極是并聯(lián)的。在這種連接方法中，激勵電流極是并聯(lián)的。雖然霍爾元件的串聯(lián)可以增加輸出電壓，但其輸出電雖然霍爾元件的串聯(lián)可以增加輸出電壓，但其輸出電阻也將增大。阻也將增大?；魻?/p>

12、元件輸出串聯(lián)霍爾元件輸出串聯(lián)霍爾傳感器 133.3.霍爾元件的應(yīng)用霍爾元件的應(yīng)用 霍爾電勢是關(guān)于霍爾電勢是關(guān)于I、B、 三個變量的函數(shù)，三個變量的函數(shù)，即即 EH=KHIBcos 。 利用這個關(guān)系可以使其中兩個量不變，將利用這個關(guān)系可以使其中兩個量不變，將第三個量作為變量，或者固定其中一個量，第三個量作為變量，或者固定其中一個量，其余兩個量都作為變量。這使得霍爾傳感其余兩個量都作為變量。這使得霍爾傳感器有許多用途。器有許多用途?；魻杺鞲衅?14（1）霍爾傳感器用于測量磁場強度）霍爾傳感器用于測量磁場強度 霍爾元件霍爾元件測量鐵心測量鐵心 氣隙的氣隙的B值值霍爾傳感器 15（2）霍爾轉(zhuǎn)速表）霍爾

13、轉(zhuǎn)速表 將線性型霍爾器件及磁路系統(tǒng)靠近齒盤。將線性型霍爾器件及磁路系統(tǒng)靠近齒盤。隨著隨著齒輪的轉(zhuǎn)動，齒輪的轉(zhuǎn)動，磁路的磁阻隨氣隙的改變而周期磁路的磁阻隨氣隙的改變而周期性地變化，霍爾器件輸出的微小脈沖信號經(jīng)放性地變化，霍爾器件輸出的微小脈沖信號經(jīng)放大、整形后可以確定被測物的轉(zhuǎn)速。大、整形后可以確定被測物的轉(zhuǎn)速。S SN N霍爾元件霍爾元件磁鐵磁鐵霍爾傳感器 16霍爾轉(zhuǎn)速表原理霍爾轉(zhuǎn)速表原理 當齒對準霍爾元件時，磁力線集中穿過霍爾當齒對準霍爾元件時，磁力線集中穿過霍爾元件，可產(chǎn)生較大的霍爾電動勢，放大、整形元件，可產(chǎn)生較大的霍爾電動勢，放大、整形后輸出高電平；反之，當齒輪的空隙對準霍爾后輸出高電

14、平；反之，當齒輪的空隙對準霍爾元件時，輸出為低電平。元件時，輸出為低電平?；魻杺鞲衅?17 測量霍爾元件輸出的脈沖頻率就可以確定被測量霍爾元件輸出的脈沖頻率就可以確定被測物的轉(zhuǎn)速。測物的轉(zhuǎn)速。齒輪齒齒輪齒數(shù)數(shù)fmin)/(60 rNfn霍爾傳感器 18 被測力使波紋膜盒膨脹，帶動杠桿向上移動，被測力使波紋膜盒膨脹，帶動杠桿向上移動，從而使霍爾元件在磁路系統(tǒng)中運動，改變了從而使霍爾元件在磁路系統(tǒng)中運動，改變了霍爾元件所受的磁場大小及方向，引起霍爾霍爾元件所受的磁場大小及方向，引起霍爾電勢大小和極性的變化。電勢大小和極性的變化。 由于波紋膜盒及霍爾元件的靈敏度很高，所由于波紋膜盒及霍爾元件的靈敏度

15、很高，所以可用于測量微小壓力的變化。以可用于測量微小壓力的變化?；魻柺綁毫鞲衅骰魻柺綁毫鞲衅?(3)(3)測量壓力測量壓力霍爾傳感器 19 作為壓力敏感元件的彈簧管，其一端固定，另一端作為壓力敏感元件的彈簧管，其一端固定，另一端安裝霍爾元件。安裝霍爾元件。 當輸入壓力增加時，彈簧管伸長，使處于恒定磁場當輸入壓力增加時，彈簧管伸長，使處于恒定磁場中的霍爾元件產(chǎn)生相應(yīng)位移，霍爾元件的輸出即可中的霍爾元件產(chǎn)生相應(yīng)位移，霍爾元件的輸出即可反映被測壓力的大小。反映被測壓力的大小。 彈 簧 管 霍 爾 元 件磁 鋼 N S N 被 測 壓 力p(3)(3)測量壓力測量壓力霍爾傳感器 20(4) (4)

16、 霍爾液位傳感器霍爾液位傳感器 霍爾器件裝在容器外面，永久磁體支在浮子霍爾器件裝在容器外面，永久磁體支在浮子上，隨著上，隨著液位變化液位變化，作用到霍爾器件上的，作用到霍爾器件上的磁磁場的磁感應(yīng)強度改變場的磁感應(yīng)強度改變，從而可測得液位。，從而可測得液位。 霍爾傳感器 21霍爾式振動示意圖（5 5）測振動）測振動霍爾傳感器 22（6）霍爾式接近開關(guān)）霍爾式接近開關(guān) 當磁鐵的有效磁極接當磁鐵的有效磁極接近、并達到動作距離近、并達到動作距離時，霍爾式接近開關(guān)時，霍爾式接近開關(guān)動作。動作。如保安系統(tǒng)，把如保安系統(tǒng)，把霍爾開關(guān)集成器件裝在門框里，永霍爾開關(guān)集成器件裝在門框里，永久磁鐵裝在門上，當門關(guān)閉

17、時，開關(guān)輸出低電平；久磁鐵裝在門上，當門關(guān)閉時，開關(guān)輸出低電平；當門打開時，磁鐵離開傳感器，開關(guān)輸出高電平，當門打開時，磁鐵離開傳感器，開關(guān)輸出高電平，驅(qū)動電鈴，可作為報警設(shè)備。驅(qū)動電鈴，可作為報警設(shè)備。 霍爾傳感器 23（6）霍爾式接近開關(guān)）霍爾式接近開關(guān) 當磁鐵的有效磁極接當磁鐵的有效磁極接近、并達到動作距離近、并達到動作距離時，霍爾式接近開關(guān)時，霍爾式接近開關(guān)動作。動作?；魻杺鞲衅?24霍爾式接近開關(guān)霍爾式接近開關(guān)用于轉(zhuǎn)速測量演示用于轉(zhuǎn)速測量演示n= = 6060f4(r/min)軟鐵翼片 開關(guān)型霍爾開關(guān)型霍爾IC IC T T霍爾傳感器 25霍爾集成器件可分為線性型和開關(guān)型兩大類?；魻?/p>

18、集成器件可分為線性型和開關(guān)型兩大類。 (1) (1)霍爾線性集成器件霍爾線性集成器件將霍爾元件和恒流源、線性差動放大器等做在一個芯將霍爾元件和恒流源、線性差動放大器等做在一個芯片上，輸出電壓為伏級，比直接使用霍爾元件方便得片上，輸出電壓為伏級，比直接使用霍爾元件方便得多。較典型的線性型霍爾器件如多。較典型的線性型霍爾器件如UGN3501等。等。4.4.霍爾集成器件霍爾集成器件霍爾傳感器 26線性型霍爾特性線性型霍爾特性 右圖示出了具有雙端差右圖示出了具有雙端差動輸出特性的線性霍爾動輸出特性的線性霍爾器件的輸出特性曲線。器件的輸出特性曲線。 當磁場為零時，它的輸當磁場為零時，它的輸出電壓等于零；出電壓等于零； 當感受的磁場為正向當感受的磁場為正向（磁鋼的（磁鋼的S S極對準霍爾極對準霍爾器件的正面）時，器件的正面）時， 輸輸出為正；出為正； 磁