自動檢測與轉(zhuǎn)換技術(shù)-第七章

1、2022-5-191第第7章章 霍爾傳感器霍爾傳感器本章主要講述內(nèi)容：本章主要講述內(nèi)容：1、霍爾傳感器的工作原理、霍爾傳感器的工作原理2、霍爾元件的基本結(jié)構(gòu)和主要技術(shù)指標、霍爾元件的基本結(jié)構(gòu)和主要技術(shù)指標3、霍爾元件的測量電路、霍爾元件的測量電路4、霍爾傳感器舉例、霍爾傳感器舉例2022-5-192概述：概述： 霍爾元件是一種基于霍爾效應的磁傳感器，得到廣泛的應用。可以檢測磁場及其變化，可在各種與磁場有關(guān)的場合中使用?；魻柶骷曰魻栃獮槠涔ぷ骰A(chǔ)。特點：特點： 霍爾器件具有許多優(yōu)點，它們的結(jié)構(gòu)牢固，體積小，重量輕，壽命長，安裝方便，功耗小，頻率高，耐震動，不怕灰塵、油污、水汽及鹽霧等的污染或

2、腐蝕。 第一節(jié)第一節(jié) 霍爾元件的基本工作原理霍爾元件的基本工作原理2022-5-193霍爾效應原理圖霍爾效應原理圖2022-5-194霍爾元件霍爾元件 金屬或半導體薄片置于磁場中，當有電流金屬或半導體薄片置于磁場中，當有電流流過時，在垂直于電流和磁場的方向上將產(chǎn)生流過時，在垂直于電流和磁場的方向上將產(chǎn)生電動勢，這種物理現(xiàn)象稱為霍爾效應。電動勢，這種物理現(xiàn)象稱為霍爾效應。（左手定則左手定則判斷洛倫茲力方向即判斷洛倫茲力方向即自由電子偏轉(zhuǎn)方向自由電子偏轉(zhuǎn)方向）2022-5-195 設圖中的材料是型半導體，導電的載設圖中的材料是型半導體，導電的載流子是電子。在軸方向的磁場作用下，電子流子是電子。在軸

3、方向的磁場作用下，電子將受到一個沿軸負方向力的作用，這個力就將受到一個沿軸負方向力的作用，這個力就是洛侖茲力。它的大小為：是洛侖茲力。它的大小為：FL=evB zxyIADBCBlLdUHA、B-霍爾電極 C、D-控制電極F FL LF FL LBI6 電荷的聚積必將產(chǎn)生靜電場，即為霍爾電電荷的聚積必將產(chǎn)生靜電場，即為霍爾電場，該靜電場對電子的作用力為場，該靜電場對電子的作用力為FE與洛侖茲力與洛侖茲力FL方向相反，將阻止電子繼續(xù)偏轉(zhuǎn)，其大小為方向相反，將阻止電子繼續(xù)偏轉(zhuǎn)，其大小為式中式中EH為霍爾電場，為霍爾電場，e為電子電量，為電子電量，UH為霍爾為霍爾電勢，電勢，l為霍爾元件寬度。為霍爾

4、元件寬度。當當FL = FE時，電子的積時，電子的積累達到動平衡，即累達到動平衡，即所以所以lBUHIADBCBlLdUHA、B-霍爾電極C、D-控制電極F FE EF FL L);(lUeBeH7 設流過霍爾元件的電流為設流過霍爾元件的電流為 I 時，時，ldnedtdQI 式中式中l(wèi)d為與電流方向為與電流方向垂直的截面積，垂直的截面積，n 為單為單位體積內(nèi)自由電子數(shù)位體積內(nèi)自由電子數(shù)(載流子濃度載流子濃度)。則。則nedIBUHIADBCBlLdUHA、B-霍爾電極C、D-控制電極F FL LF FE EldnedtdQInedIBUH2022-5-198令令 neRH1dIBRUHHRH

5、則被定義為霍爾傳感器的霍爾系數(shù)。則被定義為霍爾傳感器的霍爾系數(shù)。由于金屬導體內(nèi)的載流子濃度大于半導由于金屬導體內(nèi)的載流子濃度大于半導體內(nèi)的載流子濃度，所以，半導體霍爾體內(nèi)的載流子濃度，所以，半導體霍爾系數(shù)大于導體。系數(shù)大于導體?；魻栂禂?shù)及靈敏度霍爾系數(shù)及靈敏度則則neRH1dIBRUHH2022-5-199 KH為霍爾元件的靈敏度。為霍爾元件的靈敏度。 由上述討論可知，霍爾元件的靈敏度不僅由上述討論可知，霍爾元件的靈敏度不僅與元件材料的霍爾系數(shù)有關(guān)，還與霍爾元件的與元件材料的霍爾系數(shù)有關(guān)，還與霍爾元件的幾何尺寸有關(guān)。一般要求霍爾元件靈敏度越大幾何尺寸有關(guān)。一般要求霍爾元件靈敏度越大越好，霍爾元

6、件靈敏度的公式可知，霍爾元件越好，霍爾元件靈敏度的公式可知，霍爾元件的厚度的厚度d與與KH成反比。成反比。dRnedKHH1IBKUHH令令 則則dRnedKHH1IBKUHH2022-5-1910通過以上分析可知：通過以上分析可知：1）霍爾電壓 UH 與材料的性質(zhì)有關(guān) n 愈大，KH 愈小，霍爾靈敏度愈低； n 愈小，KH 愈大，但若n太小，需施加極高的電壓才能產(chǎn)生很小的電流。因此霍爾元件一般采用N型半導體材料2022-5-19112）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，但 d 太小，會使元件的輸入、輸出電阻增加。 霍爾電壓

7、UH 與控制電流及磁場強度成正比，當磁場改變方向時，也改變方向。若磁場B和霍爾元件平面的法線成一角度，則作用于霍爾元件的有效磁感應強度為Bcos，因此 UH=KHIBcos2022-5-1912IADBCBlLdUHA、B-霍爾電極 C、D-控制電極3）P型半導體，其多數(shù)載流子是空穴，也存在霍爾效應，但極性和N型半導體的相反。4）霍爾電壓UH與磁場B和電流I成正比，只要測出UH ，那么B或I的未知量均可利用霍爾元件進行測量。2022-5-19132022-5-1914一、霍爾元件的基本結(jié)構(gòu)組成一、霍爾元件的基本結(jié)構(gòu)組成由霍爾片、四根引線和殼體組成，如下圖示。由霍爾片、四根引線和殼體組成，如下圖

8、示。第二節(jié)第二節(jié) 霍爾元件的基本結(jié)構(gòu)霍爾元件的基本結(jié)構(gòu)和主要特性參數(shù)和主要特性參數(shù)國產(chǎn)霍爾元件型號的命名方法2022-5-19151、輸入電阻、輸入電阻Ri和輸出電阻和輸出電阻R0 Ri是指流過控制電流的電極（簡稱控制電極）是指流過控制電流的電極（簡稱控制電極）間的電阻值，間的電阻值，R0是是指霍爾元件的霍爾電勢輸出指霍爾元件的霍爾電勢輸出電極（簡稱霍爾電極）間的電阻，單位為電極（簡稱霍爾電極）間的電阻，單位為?？??？梢栽跓o磁場即以在無磁場即B0和室溫（和室溫（20 5）時，用歐時，用歐姆表等測量。姆表等測量。2022-5-1916二、主要特性參數(shù)二、主要特性參數(shù)2、額定激勵電流、額定激勵電流

9、I 和最大激勵電流和最大激勵電流IM 霍爾元件在空氣中產(chǎn)生10的溫升時所施加的激勵電流稱為額定激勵電流I。在相同的磁感應強度下，I值較大則可獲得較大的霍爾輸出。 霍爾元件限制I 的主要因素是散熱條件。 一般鍺元件的最大允許溫升Tm80，硅元件的Tm175。當霍爾元件的溫升達到Tm時的IC就是最大激勵電流Im。2022-5-1917 霍爾元件的乘積靈敏度定義為在單位激勵電流和單位磁感應強度下，霍爾電勢輸出端開路時的電勢值，其單位為V（AT），它反應了霍爾元件本身所具有的磁電轉(zhuǎn)換能力，一般希望它越大越好。IBUKHH2022-5-19183、乘積靈敏度KH其定義2022-5-1919 在額定激勵電

10、流 I 之下，不加磁B0時，霍爾電極間的空載霍爾電勢UH0，稱為不平衡(不等位)電勢，單位為mV。一般要求霍爾元件的UH1mV，好的霍爾元件的UH可以小于0.1mV。不等位電勢UM和額定激勵電流I之比為不等位電阻RM，即 4 4、不等位電勢、不等位電勢 U UM M 和不等位電阻和不等位電阻 R RM M （工藝工藝）IURMM2022-5-1920 不平衡電勢不平衡電勢UH是主要的零位誤差。因為在工是主要的零位誤差。因為在工藝上難以保證霍爾元件兩側(cè)的電極焊接在同一等藝上難以保證霍爾元件兩側(cè)的電極焊接在同一等電位面上。如下圖電位面上。如下圖(a)(a)所示。當控制電流所示。當控制電流I I流過

11、時，流過時，即使末加外磁場，即使末加外磁場，A A、B B兩電極此時仍存在電位差，兩電極此時仍存在電位差，此電位差被稱為不等位電勢（不平衡電勢）此電位差被稱為不等位電勢（不平衡電勢）UH。2022-5-1921 在一定的磁感應強度和控制電流下，溫在一定的磁感應強度和控制電流下，溫度變化度變化11時，霍爾電勢變化的百分率稱為時，霍爾電勢變化的百分率稱為霍爾電勢溫度系數(shù)霍爾電勢溫度系數(shù)，單位為，單位為1 1。5 5、霍爾電勢溫度系數(shù)、霍爾電勢溫度系數(shù)2022-5-1922一、基本測量電路一、基本測量電路 控制電流控制電流I I由電源由電源E E供給，供給，電位器電位器R R調(diào)節(jié)控制電流調(diào)節(jié)控制電流

12、I I的大小。的大小?；魻栐敵鼋迂撦d電阻霍爾元件輸出接負載電阻R RL L，R RL L可以是放大器的輸入電阻或可以是放大器的輸入電阻或測量儀表的內(nèi)阻。由于霍爾元測量儀表的內(nèi)阻。由于霍爾元件必須在磁場與控制電流作用件必須在磁場與控制電流作用下，才會產(chǎn)生霍爾電勢下，才會產(chǎn)生霍爾電勢U UH H，所，所以在測量中，可以把以在測量中，可以把 I I與與 B B 的的 第三節(jié)第三節(jié) 霍爾元件的測量電路及補償霍爾元件的測量電路及補償乘積、或者乘積、或者 I I，或者，或者 B B 作為輸入情號，則霍爾元件作為輸入情號，則霍爾元件的輸出電勢分別正比于的輸出電勢分別正比于 IB IB 或或 I I 或或

13、 B B。 2022-5-1923 為了獲得較大的霍爾輸出電勢，可為了獲得較大的霍爾輸出電勢，可以采用幾片疊加的連接方式。下圖以采用幾片疊加的連接方式。下圖(a)為直流為直流供電，控制電流端并聯(lián)輸出串聯(lián)。下圖供電，控制電流端并聯(lián)輸出串聯(lián)。下圖(b)為為交流供電，控制電流端串聯(lián)變壓器疊加輸出。交流供電，控制電流端串聯(lián)變壓器疊加輸出。連接方式連接方式2022-5-1924 由于載流子濃度等隨溫度變化而變化，因由于載流子濃度等隨溫度變化而變化，因此會導致霍爾元件的內(nèi)阻、霍爾電勢等也隨溫此會導致霍爾元件的內(nèi)阻、霍爾電勢等也隨溫度變化而變化。這種變化程度隨不同半導體材度變化而變化。這種變化程度隨不同半導

14、體材料有所不同。而且溫度高到一定程度，產(chǎn)生的料有所不同。而且溫度高到一定程度，產(chǎn)生的變化相當大。溫度誤差是霍爾元件測量中不可變化相當大。溫度誤差是霍爾元件測量中不可忽視的誤差。忽視的誤差。 針對溫度變化導致內(nèi)阻針對溫度變化導致內(nèi)阻( (輸入、輸出電阻輸入、輸出電阻) )的變化，可以采用對輸入或輸出電路的電阻進的變化，可以采用對輸入或輸出電路的電阻進行補償。行補償。 二、溫度誤差及其補償二、溫度誤差及其補償（一）采用恒流源提供控制電流 對于上圖所示的基本測量電路， 設溫度由T增加到T+T， 因霍爾片的電子濃度n增加，從而使霍爾元件的乘積靈敏度由 KH減小到KH（1T）， 其中是KH的溫度系數(shù)。2

15、022-5-1925 另一方面霍爾元件輸入電阻由Ri減小減小到Ri （1T）。其中是Ri的溫度系數(shù)。 輸入電阻的變化將使控制電流由I IC變?yōu)镮 ICIC， 此時霍爾電勢將由UHKHICB變?yōu)閁H UH KH （1T）（）（I ICIC ）B。 要使 UH 0，必須I IC （1T） （I ICIC ）2022-5-1926)1 ()1 ()1 (TRTRTRIIIRRRIIiCCiC 要滿足I IC （1T） （I ICIC ），為此采用上圖所示的電源為恒流源的測量電路，電路中并聯(lián)一個起分流作用的補償電阻R。根據(jù)上圖可得2022-5-1927式中 補償電阻R的溫度系數(shù)。)1 ()1 ()1

16、()1 (TRTRTRITRRRIii)1 ()1 ()1 (TRTRTRIIIRRRIIiCCiC2022-5-1928將這兩式代入對上式進行整理，并忽略（T）2 項可得得到iRR)(1 (CCCIITICI2022-5-1929 對于一個確定的霍爾元件，對于一個確定的霍爾元件，和和值可由元件參數(shù)表查得，值可由元件參數(shù)表查得，R Ri i可可在無外磁場和室溫條件下直接測在無外磁場和室溫條件下直接測得。因此只要選擇適當?shù)难a償電得。因此只要選擇適當?shù)难a償電阻，使其阻，使其R R和和滿足上式，就可在滿足上式，就可在輸入回路實現(xiàn)對溫度誤差的補償輸入回路實現(xiàn)對溫度誤差的補償了。了。iRR（二）合理選擇

17、負載電阻0RRRUULLHL 如上圖所示，若霍爾電勢輸出端接負載電阻RL，則當溫度為T時，RL上的電壓可表示為：2022-5-1930式中 R0霍爾元件的輸出電阻。 當溫度由T變?yōu)門+T時，則RL上的電壓變?yōu)?1 ()1 (0TRRRTUUULLHLL)1 ()1 (00TRRRTURRRULLHLLH2022-5-1931式中 霍爾電勢的溫度系數(shù)； 霍爾元件輸出電阻的溫度系數(shù)。 要使UL不受溫度變化的影響，即UL0，由上兩式可知，必須對上式進行整理可得0RRL0RRL2022-5-1932 對于一個確定的霍爾元件，可以方便地獲得、和R0的值，因此只要使負載電阻RL滿足上式，就可在輸出回路實現(xiàn)

18、對溫度誤差的補償了。雖然RL通常是放大器的輸入電阻或表頭內(nèi)阻，其值是一定的，但可通過串、并聯(lián)電阻來調(diào)整RL的值。（三）采用熱敏元件對于由溫度系數(shù)較大的半導體材料（如銻化銦）制成的霍爾元件，常采用右圖所示的溫度補償電路，圖中Rt是熱敏元件(熱電阻或熱敏電阻)。2022-5-1933圖（a）是在輸入回路進行溫度補償電路，當溫度變化時，用Rt的變化來抵消霍爾元件的乘積靈敏度KH和輸入電阻Ri變化對霍爾輸出電勢UH的影響。2022-5-193435圖（b）則是在輸出回路進行溫度補償?shù)碾娐罚敎囟茸兓瘯r，用Rt的變化來抵消霍爾電勢UH和輸出電阻R0變化對負載電阻RL上的電壓UL的影響。 在安裝測量電路時

19、，應使熱敏元件和霍爾元件的溫度一致。36 不等位電勢是霍爾元件在加控制電流而不加外磁場時，而出現(xiàn)的霍爾電勢稱為零位誤差。 在分析不等位電勢時，可將霍爾元件等效為一個電橋，如右圖所示?？刂齐姌OA、B和霍爾電極C、D可看作電橋的電阻連接點。它們之間分布電阻R1、R2、R3、R4構(gòu)成四個橋臂，控制電壓可視為電橋的工作電壓。三、不等位電勢的補償三、不等位電勢的補償2022-5-1937 理想情況下，不等位電勢UM=0，對應于電橋的平衡狀態(tài)，此時R1R2R3R4。 如果霍爾元件的UM0，則電橋就處于不平衡狀態(tài)，此時R1、R2、R3、R4的阻值有差異，UM就是電橋的不平衡輸出電壓。 只要能使電橋達到平衡的

20、方法都可作為不等位電勢的補償方法。（一）基本補償電路（一）基本補償電路 霍爾元件的不等位電勢補償電路有多種形式，圖97為兩種常見電路，其中RW是調(diào)節(jié)電阻。 基本補償電路沒有考慮溫度變化的影響。當溫度發(fā)生變化，需要重新進行平衡調(diào)節(jié)。2022-5-1938（二）具有溫度補償?shù)难a償電路 右圖是一種常見的具有溫度補償?shù)牟坏任浑妱菅a償電路。該補償電路本身也接成橋式電路，其工作電壓有霍爾元件的控制電壓提供；其中一個為熱敏電阻Rt，并且于霍爾元件的等效電阻的溫度特性相同。2022-5-1939 在該電橋的負載電阻RP2上取出電橋的部分輸出電壓（稱為補償電壓），與霍爾元件的輸出電壓反向串聯(lián)。在磁感應強度B為零

21、時，調(diào)節(jié)RP1和RP2，使補償電壓抵消霍爾元件此時輸出的不等位電勢，從而使B0時的總輸出電壓為零。2022-5-1940 在霍爾元件的工作溫度下限T1時，熱敏電阻的阻值為Rt（T1）。電位器RP2保持在某一確定位置，通過調(diào)節(jié)電位器的RP1來調(diào)節(jié)補償電橋的工作電壓，使補償電壓抵消此時的不等位電勢UML，此時的補償電壓稱為恒定補償電壓。2022-5-1941 當工作溫度T1升高到T1 T時，熱敏電阻的阻值為Rt（T1 T ）。RP1保持不變，通過調(diào)節(jié)RP2，使補償電壓抵消此時的不等位電勢UML UM。此時的補償電壓實際上包含了兩個分量，一個是抵消工作溫度為T1時的不等位電勢UML的恒定補償電壓分量，另一個是抵消工作溫度升高T時的不等位電勢的變化量UM的變化補償電壓