霍爾傳感器-課件

第九章霍爾傳感器本章主要講述內(nèi)容：1、霍爾傳感器的工作原理2、霍爾元件的基本結構和主要技術指標3、霍爾元件的測量電路4、霍爾傳感器舉例1PPT課件概述：

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?？梢詸z測磁場及其變化，可在各種與磁場有關的場合中使用?；魻柶骷曰魻栃獮槠涔ぷ骰A。特點：

霍爾器件具有許多優(yōu)點，它們的結構牢固，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腐蝕。

第一節(jié)霍爾元件的基本工作原理2PPT課件霍爾效應原理圖3PPT課件霍爾元件

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)生電動勢，這種物理現(xiàn)象稱為霍爾效應。4PPT課件

設圖中的材料是Ｎ型半導體，導電的載流子是電子。在ｚ軸方向的磁場作用下，電子將受到一個沿ｙ軸負方向力的作用，這個力就是洛侖茲力。它的大小為：FL=－evB

zxyIADBCBlLdUHA、B-霍爾電極

C、D-控制電極FL5PPT課件

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FE與洛侖茲力方向相反，將阻止電子繼續(xù)偏轉，其大小為式中EH為霍爾電場，e為電子電量，UH為霍爾電勢。當FL=FE時，電子的積累達到動平衡，即所以IADBCBlLdUHA、B-霍爾電極C、D-控制電極FLFE6PPT課件

設流過霍爾元件的電流為I時，

式中l(wèi)d為與電流方向垂直的截面積，n為單位體積內(nèi)自由電子數(shù)(載流子濃度)。則IADBCBlLdUHA、B-霍爾電極C、D-控制電極FLFE7PPT課件令

RH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體內(nèi)的載流子濃度，所以，半導體霍爾系數(shù)大于導體。霍爾系數(shù)及靈敏度則8PPT課件KH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與元件材料的霍爾系數(shù)有關，還與霍爾元件的幾何尺寸有關。一般要求霍爾元件靈敏度越大越好，霍爾元件靈敏度的公式可知，霍爾元件的厚度d與KH成反比。令

則9PPT課件通過以上分析可知：1）霍爾電壓UH與材料的性質有關

n愈大，KH愈小，霍爾靈敏度愈低；

n愈小，KH愈大，但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10PPT課件2）霍爾電壓UH與元件的尺寸有關。

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?；魻栯妷篣H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。11PPT課件若磁場B和霍爾元件平面的法線成一角度θ，則作用于霍爾元件的有效磁感應強度為Bcosθ，因此

UH=KHIBcosθIADBCBlLdUHA、B-霍爾電極

C、D-控制電極θ12PPT課件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。13PPT課件一、霍爾元件的基本結構組成由霍爾片、四根引線和殼體組成，如下圖示。第二節(jié)霍爾元件的基本結構和主要技術指標14PPT課件國產(chǎn)霍爾元件型號的命名方法15PPT課件二、主要技術指標1、額定控制電流IC和最大控制電流ICm霍爾元件在空氣中產(chǎn)生10℃的溫升時所施加的控制電流稱為額定控制電流IC。在相同的磁感應強度下，IC值較大則可獲得較大的霍爾輸出。霍爾元件限制IC的主要因素是散熱條件。一般鍺元件的最大允許溫升ΔTm<80℃，硅元件的ΔTm<175℃。當霍爾元件的溫升達到ΔTm時的IC就是最大控制電流ICm

。16PPT課件

霍爾元件的乘積靈敏度定義為在單位控制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換能力，一般希望它越大越好。2、乘積靈敏度KH其定義17PPT課件3、輸入電阻Ri和輸出電阻R0Ri是指流過控制電流的電極（簡稱控制電極）間的電阻值，R0是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Ω?？梢栽跓o磁場即B＝0和室溫（205）℃時，用歐姆表等測量。18PPT課件

在額定控制電流Ic

之下，不加磁B＝0時，霍爾電極間的空載霍爾電勢UH≠0，稱為不平衡(不等位)電勢，單位為mV。一般要求霍爾元件的UH<1mV，好的霍爾元件的UH可以小于0.1mV。不等位電勢和額定控制電流Ic之比為不等位電阻RM，即

4、不等位電勢UM和不等位電阻RM19PPT課件

不平衡電勢UH是主要的零位誤差。因為在工藝上難以保證霍爾元件兩側的電極焊接在同一等電位面上。如下圖(a)所示。當控制電流I流過時，即使末加外磁場，A、B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）UH。20PPT課件

在一定的磁感應強度和控制電流下，溫度變化1℃時，霍爾電勢變化的百分率稱為霍爾電勢溫度系數(shù)α，單位為1／℃。5、霍爾電勢溫度系數(shù)α21PPT課件一、基本測量電路控制電流I由電源E供給，電位器R調(diào)節(jié)控制電流I的大小?；魻栐敵鼋迂撦d電阻RL，RL可以是放大器的輸入電阻或測量儀表的內(nèi)阻。由于霍爾元件必須在磁場與控制電流作用下，才會產(chǎn)生霍爾電勢UH，所以在測量中，可以把I

第三節(jié)霍爾元件的測量電路與B的乘積、或者I，或者B作為輸入情號，則霍爾元件的輸出電勢分別正比于IB或I或B。22PPT課件

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(a)為直流供電，控制電流端并聯(lián)輸出串聯(lián)。下圖(b)為交流供電，控制電流端串聯(lián)變壓器疊加輸出。連接方式23PPT課件

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、霍爾電勢等也隨溫度變化而變化。這種變化程度隨不同半導體材料有所不同。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忽視的誤差。針對溫度變化導致內(nèi)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行補償。

二、溫度誤差及其補償24PPT課件（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+ΔT，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（1－αΔT），其中α是KH的溫度系數(shù)。25PPT課件另一方面霍爾元件輸入電阻由Ri減小到Ri

（1－βΔT）。其中β是Ri的溫度系數(shù)。輸入電阻的變化將使控制電流由IC變?yōu)镮C＋ΔIC，此時霍爾電勢將由UH＝KHICB變?yōu)閁H＋Δ

UH

＝KH（1－αΔT）（IC＋ΔIC）B。要使Δ

UH

＝0，必須IC＝（1－αΔT）（IC＋ΔIC）26PPT課件要滿足IC＝（1－αΔT）（IC＋ΔIC），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)上圖可得式中γ—補償電阻R的溫度系數(shù)。27PPT課件將這兩式代入對上式進行整理，并忽略（ΔT）2項可得得到28PPT課件

對于一個確定的霍爾元件，α和β值可由元件參數(shù)表查得，Ri可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償電阻，使其R和γ滿足上式，就可在輸入回路實現(xiàn)對溫度誤差的補償了。29PPT課件（二）合理選擇負載電阻如上圖所示，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：式中R0—霍爾元件的輸出電阻。30PPT課件當溫度由T變?yōu)門+ΔT時，則RL上的電壓變?yōu)槭街笑痢魻栯妱莸臏囟认禂?shù)；β—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ΔUL＝0，由上兩式可知，必須對上式進行整理可得31PPT課件

對于一個確定的霍爾元件，可以方便地獲得α、β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)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。32PPT課件（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）。33PPT課件圖（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。34PPT課件

圖（b）則是在輸出回路進行溫度補償?shù)碾娐?，當溫度變化時，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，應使熱敏元件和霍爾元件的溫度一致。35PPT課件

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36PPT課件

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R1＝R2＝R3＝R4。如果霍爾元件的UM≠0，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方法都可作為不等位電勢的補償方法。37PPT課件（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9－7為兩種常見電路，其中RW是調(diào)節(jié)電阻?；狙a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)。38PPT課件（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。39PPT課件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B＝0時的總輸出電壓為零。40PPT課件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。41PPT課件當工作溫度T1升高到T1

＋ΔT時，熱敏電阻的阻值為Rt（T1＋ΔT

）。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＋ΔUM。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ΔT時的不等位電勢的變化量ΔUM的變化補償電壓分量。42PPT課件根據(jù)上述討論可知，采用橋式補償電路，可以在霍爾元件的整個溫度范圍內(nèi)對不等位電勢進行良好的補償，并且對不等位電勢的恒定部分和變化部分的補償可獨立地進行調(diào)節(jié)。所以，可達到相當高的補償精度。43PPT課件第四節(jié)霍爾式傳感器舉例一、將被測量轉換為磁感應強度B保持霍爾元件的控制電流I恒定不變，就可測量磁感應強度B，以及位移、角度等可直接轉換為B的物理量，進一步還可以測量先轉換成位移或角度、然后間接轉換為B的物理量，如振動、壓力、速度、加速度、轉速等等。下面以霍爾式壓力傳感器為例進行說明。44PPT課件

圖9-9霍爾壓力傳感器結構原理圖霍爾元件磁鋼壓力P波登管NSSN霍爾式壓力傳感器霍爾式壓力傳感器由兩部分組成：一部分是彈性敏感元件的波登管用以感受壓力P，并將P轉換為彈性元件的位移量x，即x＝KPP，其中系數(shù)KP為常數(shù)。另一部分是霍爾元件和磁系統(tǒng)，磁系統(tǒng)形成一個均勻梯度磁場，如右圖所示，在其工作范圍內(nèi)，B＝KBx，其中斜率KB為常數(shù)；霍爾元件固定在彈性元件上，因此霍爾元件在均勻梯度磁場中的位移也是x。這樣，霍爾電勢UH與被測壓力P之間的關系就可表示為UH＝KHIB＝KHIKBKPP＝KP式中KHIKBKP＝K—霍爾式壓力傳感器的輸出靈敏度。二、將被測量轉換為I與B的乘積右圖為霍爾式單相交流功率計的基本電路。設輸入電壓BiRuicUHZL經(jīng)過降壓電阻R得到霍爾元件的控制電流負載ZL上的電流流過鐵心線圈，產(chǎn)生垂直于霍爾平面的交變磁感應強度