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自动检测与转换技术第七章2022-9-112022-9-111现在学习的是第1页，共46页概述：概述：霍尔元件是一种基于霍尔效应的磁传感器，得到广泛的应用。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。霍尔器件以霍尔效应为其工作基础。特点：特点：霍尔器件具有许多优点，它们的结构牢固，体积小，重量轻，寿命长，安装方便，功耗小，频率高，耐震动，不怕灰尘、油污、水汽及盐雾等的污染或腐蚀。第一节第一节 霍尔元件的基本工作原理霍尔元件的基本工作原理2022-9-112022-9-112现在学习的是第2页，共46页霍尔效应原理图霍尔效应原理图2022-9-112022-9-113现在学习的是第3页，共46页霍尔元件霍尔元件 金属或半导体薄片置于磁场中，当有电流流过时，金属或半导体薄片置于磁场中，当有电流流过时，在垂直于电流和磁场的方向上将产生电动势，这种物理在垂直于电流和磁场的方向上将产生电动势，这种物理现象称为霍尔效应。现象称为霍尔效应。（左手定则左手定则判断洛伦兹力方向即判断洛伦兹力方向即自由电子偏转方向自由电子偏转方向）2022-9-112022-9-114现在学习的是第4页，共46页 设图中的材料是型半导体，导电的载流子是设图中的材料是型半导体，导电的载流子是电子。在轴方向的磁场作用下，电子将受到一个沿电子。在轴方向的磁场作用下，电子将受到一个沿轴负方向力的作用，这个力就是洛仑兹力。它的大轴负方向力的作用，这个力就是洛仑兹力。它的大小为：小为：FL=evB zxyIADBCBlLdUHA、B-霍尔电极 C、D-控制电极F FL LF FL LBI2022-9-112022-9-115现在学习的是第5页，共46页 电荷的聚积必将产生静电场，即为霍尔电场电荷的聚积必将产生静电场，即为霍尔电场，该静电场对电子的作用力为，该静电场对电子的作用力为FE与洛仑兹力与洛仑兹力FL方方向相反，将阻止电子继续偏转，其大小为向相反，将阻止电子继续偏转，其大小为式中式中EH为霍尔电场，为霍尔电场，e为电为电子电量，子电量，UH为霍尔电势，为霍尔电势，l为霍尔元件宽度。当为霍尔元件宽度。当FL=FE时，电子的积累达到动平时，电子的积累达到动平衡，即衡，即所以所以lBUHIADBCBlLdUHA、B-霍尔电极C、D-控制电极F FE EF FL L);(lUeBeH6现在学习的是第6页，共46页 设流过霍尔元件的电流为设流过霍尔元件的电流为 I 时，时，ldnedtdQI 式中式中ld为与电流方向垂为与电流方向垂直的截面积，直的截面积，n 为单位体为单位体积内自由电子数积内自由电子数(载流子浓载流子浓度度)。则。则nedIBUHIADBCBlLdUHA、B-霍尔电极C、D-控制电极F FL LF FE EldnedtdQInedIBUH7现在学习的是第7页，共46页令令 neRH1dIBRUHHRH则被定义为霍尔传感器的霍尔系数。由则被定义为霍尔传感器的霍尔系数。由于金属导体内的载流子浓度大于半导体内于金属导体内的载流子浓度大于半导体内的载流子浓度，所以，半导体霍尔系数大的载流子浓度，所以，半导体霍尔系数大于导体。于导体。霍尔系数及灵敏度霍尔系数及灵敏度则则neRH1dIBRUHH2022-9-112022-9-118现在学习的是第8页，共46页 KH为霍尔元件的灵敏度。为霍尔元件的灵敏度。由上述讨论可知，霍尔元件的灵敏度不仅与元由上述讨论可知，霍尔元件的灵敏度不仅与元件材料的霍尔系数有关，还与霍尔元件的几何尺寸件材料的霍尔系数有关，还与霍尔元件的几何尺寸有关。一般要求霍尔元件灵敏度越大越好，霍尔元有关。一般要求霍尔元件灵敏度越大越好，霍尔元件灵敏度的公式可知，霍尔元件的厚度件灵敏度的公式可知，霍尔元件的厚度d与与KH成反成反比。比。dRnedKHH1IBKUHH令令 则则dRnedKHH1IBKUHH2022-9-112022-9-119现在学习的是第9页，共46页通过以上分析可知：通过以上分析可知：1）霍尔电压 UH 与材料的性质有关 n 愈大，KH 愈小，霍尔灵敏度愈低；n 愈小，KH 愈大，但若n太小，需施加极高的电压才能产生很小的电流。因此霍尔元件一般采用N型半导体材料2022-9-112022-9-1110现在学习的是第10页，共46页2）霍尔电压 UH 与元件的尺寸有关。d 愈小，KH 愈大，霍尔灵敏度愈高，所以霍尔元件的厚度都比较薄，但 d 太小，会使元件的输入、输出电阻增加。霍尔电压 UH 与控制电流及磁场强度成正比，当磁场改变方向时，也改变方向。2022-9-112022-9-1111现在学习的是第11页，共46页若磁场B和霍尔元件平面的法线成一角度，则作用于霍尔元件的有效磁感应强度为Bcos，因此 UH=KHIBcosIADBCBlLdUHA、B-霍尔电极 C、D-控制电极2022-9-112022-9-1112现在学习的是第12页，共46页3）P型半导体，其多数载流子是空穴，也存在霍尔效应，但极性和N型半导体的相反。4）霍尔电压UH与磁场B和电流I成正比，只要测出UH，那么B或I的未知量均可利用霍尔元件进行测量。2022-9-112022-9-1113现在学习的是第13页，共46页一、霍尔元件的基本结构组成一、霍尔元件的基本结构组成由霍尔片、四根引线和壳体组成，如下图示。由霍尔片、四根引线和壳体组成，如下图示。第二节第二节 霍尔元件的基本结构和霍尔元件的基本结构和主要特性参数主要特性参数2022-9-112022-9-1114现在学习的是第14页，共46页国产霍尔元件型号的命名方法2022-9-112022-9-1115现在学习的是第15页，共46页1、输入电阻、输入电阻Ri和输出电阻和输出电阻R0 Ri是指流过控制电流的电极（简称控制电极）间是指流过控制电流的电极（简称控制电极）间的电阻值，的电阻值，R0是指霍尔元件的霍尔电势输出电极（简是指霍尔元件的霍尔电势输出电极（简称霍尔电极）间的电阻，单位为称霍尔电极）间的电阻，单位为。可以在无磁场即。可以在无磁场即B0和室温（和室温（20 5）时，用欧姆表等测量。时，用欧姆表等测量。二、主要特性参数二、主要特性参数2022-9-112022-9-1116现在学习的是第16页，共46页2、额定激励电流、额定激励电流I 和最大激励电流和最大激励电流IM 霍尔元件在空气中产生10的温升时所施加的激励电流称为额定激励电流I。在相同的磁感应强度下，I值较大则可获得较大的霍尔输出。霍尔元件限制I 的主要因素是散热条件。一般锗元件的最大允许温升Tm80，硅元件的Tm175。当霍尔元件的温升达到Tm时的IC就是最大激励电流Im。2022-9-112022-9-1117现在学习的是第17页，共46页 霍尔元件的乘积灵敏度定义为在单位激励电流和单位磁感应强度下，霍尔电势输出端开路时的电势值，其单位为V（AT），它反应了霍尔元件本身所具有的磁电转换能力，一般希望它越大越好。IBUKHH3、乘积灵敏度KH其定义2022-9-112022-9-1118现在学习的是第18页，共46页 在额定激励电流 I 之下，不加磁B0时，霍尔电极间的空载霍尔电势UH0，称为不平衡(不等位)电势，单位为mV。一般要求霍尔元件的UH1mV，好的霍尔元件的UH可以小于0.1mV。不等位电势UM和额定激励电流I之比为不等位电阻RM，即 4 4、不等位电势、不等位电势 U UM M 和不等位电阻和不等位电阻 R RM M（工艺工艺）IURMM2022-9-112022-9-1119现在学习的是第19页，共46页 不平衡电势不平衡电势UH是主要的零位误差。因为在工艺上难是主要的零位误差。因为在工艺上难以保证霍尔元件两侧的电极焊接在同一等电位面上。如以保证霍尔元件两侧的电极焊接在同一等电位面上。如下图下图(a)(a)所示。当控制电流所示。当控制电流I I流过时，即使末加外磁流过时，即使末加外磁场，场，A A、B B两电极此时仍存在电位差，此电位差被称为两电极此时仍存在电位差，此电位差被称为不等位电势（不平衡电势）不等位电势（不平衡电势）UH。2022-9-112022-9-1120现在学习的是第20页，共46页 在一定的磁感应强度和控制电流下，温度变化在一定的磁感应强度和控制电流下，温度变化11时，霍尔电势变化的百分率称为霍尔电势时，霍尔电势变化的百分率称为霍尔电势温度系数温度系数，单位为，单位为1 1。5 5、霍尔电势温度系数、霍尔电势温度系数2022-9-112022-9-1121现在学习的是第21页，共46页一、基本测量电路一、基本测量电路 控制电流控制电流I I由电源由电源E E供给，电供给，电位器位器R R调节控制电流调节控制电流I I的大小。霍尔的大小。霍尔元件输出接负载电阻元件输出接负载电阻R RL L，R RL L可以是可以是放大器的输入电阻或测量仪表的内放大器的输入电阻或测量仪表的内阻。由于霍尔元件必须在磁场与控阻。由于霍尔元件必须在磁场与控制电流作用下，才会产生霍尔电势制电流作用下，才会产生霍尔电势U UH H，所以在测量中，可以把，所以在测量中，可以把 I I与与 B B 的的 第三节第三节 霍尔元件的测量电路及补偿霍尔元件的测量电路及补偿乘积、或者乘积、或者 I I，或者，或者 B B 作为输入情号，则霍尔元件的输出电作为输入情号，则霍尔元件的输出电势分别正比于势分别正比于 IB IB 或或 I I 或或 B B。2022-9-112022-9-1122现在学习的是第22页，共46页 为了获得较大的霍尔输出电势，可以采为了获得较大的霍尔输出电势，可以采用几片叠加的连接方式。下图用几片叠加的连接方式。下图(a)为直流供电，控为直流供电，控制电流端并联输出串联。下图制电流端并联输出串联。下图(b)为交流供电，控为交流供电，控制电流端串联变压器叠加输出。制电流端串联变压器叠加输出。连接方式连接方式2022-9-112022-9-1123现在学习的是第23页，共46页 由于载流子浓度等随温度变化而变化，因此由于载流子浓度等随温度变化而变化，因此会导致霍尔元件的内阻、霍尔电势等也随温度变会导致霍尔元件的内阻、霍尔电势等也随温度变化而变化。这种变化程度随不同半导体材料有所化而变化。这种变化程度随不同半导体材料有所不同。而且温度高到一定程度，产生的变化相当不同。而且温度高到一定程度，产生的变化相当大。温度误差是霍尔元件测量中不可忽视的误差大。温度误差是霍尔元件测量中不可忽视的误差。针对温度变化导致内阻针对温度变化导致内阻(输入、输出电阻输入、输出电阻)的的变化，可以采用对输入或输出电路的电阻进行补变化，可以采用对输入或输出电路的电阻进行补偿。偿。二、温度误差及其补偿二、温度误差及其补偿2022-9-112022-9-1124现在学习的是第24页，共46页（一）采用恒流源提供控制电流 对于上图所示的基本测量电路，设温度由T增加到T+T，因霍尔片的电子浓度n增加，从而使霍尔元件的乘积灵敏度由 KH减小到KH（1T），其中是KH的温度系数。2022-9-112022-9-1125现在学习的是第25页，共46页另一方面霍尔元件输入电阻由Ri减小减小到Ri（1T）。其中是Ri的温度系数。输入电阻的变化将使控制电流由I IC变为I ICIC，此时霍尔电势将由UHKHICB变为UH UH KH（1T）（）（I ICIC）B。要使 UH 0，必须I IC （1T）（I ICIC）2022-9-112022-9-1126现在学习的是第26页，共46页)1()1()1(TRTRTRIIIRRRIIiCCiC 要满足I IC （1T）（I ICIC），为此采用上图所示的电源为恒流源的测量电路，电路中并联一个起分流作用的补偿电阻R。根据上图可得式中 补偿电阻R的温度系数。2022-9-112022-9-1127现在学习的是第27页，共46页)1()1()1()1(TRTRTRITRRRIii)1()1()1(TRTRTRIIIRRRIIiCCiC将这两式代入对上式进行整理，并忽略（T）2 项可得得到iRR)(1(CCCIITICI2022-9-112022-9-1128现在学习的是第28页，共46页 对于一个确定的霍尔元件，对于一个确定的霍尔元件，和和值可由元件参数表查得，值可由元件参数表查得，R Ri i可在无外可在无外磁场和室温条件下直接测得。因此只磁场和室温条件下直接测得。因此只要选择适当的补偿电阻，使其要选择适当的补偿电阻，使其R R和和满满足上式，就可在输入回路实现对温足上式，就可在输入回路实现对温度误差的补偿了。度误差的补偿了。iRR2022-9-112022-9-1129现在学习的是第29页，共46页（二）合理选择负载电阻0RRRUULLHL 如上图所示，若霍尔电势输出端接负载电阻RL，则当温度为T时，RL上的电压可表示为：式中 R0霍尔元件的输出电阻。2022-9-112022-9-1130现在学习的是第30页，共46页 当温度由T变为T+T时，则RL上的电压变为)1()1(0TRRRTUUULLHLL)1()1(00TRRRTURRRULLHLLH式中 霍尔电势的温度系数；霍尔元件输出电阻的温度系数。要使UL不受温度变化的影响，即UL0，由上两式可知，必须对上式进行整理可得0RRL2022-9-112022-9-1131现在学习的是第31页，共46页0RRL 对于一个确定的霍尔元件，可以方便地获得、和R0的值，因此只要使负载电阻RL满足上式，就可在输出回路实现对温度误差的补偿了。虽然RL通常是放大器的输入电阻或表头内阻，其值是一定的，但可通过串、并联电阻来调整RL的值。2022-9-112022-9-1132现在学习的是第32页，共46页（三）采用热敏元件对于由温度系数较大的半导体材料（如锑化铟）制成的霍尔元件，常采用右图所示的温度补偿电路，图中Rt是热敏元件(热电阻或热敏电阻)。2022-9-112022-9-1133现在学习的是第33页，共46页图（a）是在输入回路进行温度补偿电路，当温度变化时，用Rt的变化来抵消霍尔元件的乘积灵敏度KH和输入电阻Ri变化对霍尔输出电势UH的影响。2022-9-112022-9-1134现在学习的是第34页，共46页图（b）则是在输出回路进行温度补偿的电路，当温度变化时，用Rt的变化来抵消霍尔电势UH和输出电阻R0变化对负载电阻RL上的电压UL的影响。在安装测量电路时，应使热敏元件和霍尔元件的温度一致。35现在学习的是第35页，共46页 不等位电势是霍尔元件在加控制电流而不加外磁场时，而出现的霍尔电势称为零位误差。在分析不等位电势时，可将霍尔元件等效为一个电桥，如右图所示。控制电极A、B和霍尔电极C、D可看作电桥的电阻连接点。它们之间分布电阻R1、R2、R3、R4构成四个桥臂，控制电压可视为电桥的工作电压。三、不等位电势的补偿三、不等位电势的补偿36现在学习的是第36页，共46页 理想情况下，不等位电势UM=0，对应于电桥的平衡状态，此时R1R2R3R4。如果霍尔元件的UM0，则电桥就处于不平衡状态，此时R1、R2、R3、R4的阻值有差异，UM就是电桥的不平衡输出电压。只要能使电桥达到平衡的方法都可作为不等位电势的补偿方法。2022-9-112022-9-1137现在学习的是第37页，共46页（一）基本补偿电路（一）基本补偿电路 霍尔元件的不等位电势补偿电路有多种形式，图97为两种常见电路，其中RW是调节电阻。基本补偿电路没有考虑温度变化的影响。当温度发生变化，需要重新进行平衡调节。2022-9-112022-9-1138现在学习的是第38页，共46页（二）具有温度补偿的补偿电路 右图是一种常见的具有温度补偿的不等位电势补偿电路。该补偿电路本身也接成桥式电路，其工作电压有霍尔元件的控制电压提供；其中一个为热敏电阻Rt，并且于霍尔元件的等效电阻的温度特性相同。2022-9-112022-9-1139现在学习的是第39页，共46页 在该电桥的负载电阻RP2上取出电桥的部分输出电压（称为补偿电压），与霍尔元件的输出电压反向串联。在磁感应强度B为零时，调节RP1和RP2，使补偿电压抵消霍尔元件此时输出的不等位电势，从而使B0时的总输出电压为零。2022-9-112022-9-1140现在学习的是第40页，共46页 在霍尔元件的工作温度下限T1时，热敏电阻的阻值为Rt（T1）。电位器RP2保持在某一确定位置，通过调节电位器的RP1来调节补偿电桥的工作电压，使补偿电压抵消此时的不等位电势UML，此时的补偿电压称为恒定补偿电压。2022-9-112022-9-1141现在学习的是第41页，共46页 当工作温度T1升高到T1 T时，热敏电阻的阻值为Rt（T1 T）。RP1保持不变，通过调节RP2，使补偿电压抵消此时的不等位电势UML UM。此时的补偿电压实际上包含了两个分量，一个是抵消工作温度为T1时的不等位电势UML的恒定补偿电压分量，另一个是抵消工作温度升高T时的不等位电势的变化量UM的变化补偿电压分量。2022-9-112022-9-1142现在学习的是第42页，共46页 根据上述讨论可知，采用桥式补偿电路，可以在霍尔元件的整个温度范围内对不等位电势进行良好的补偿，并且对不等位电势的恒定部分和变化部分的补偿可独立地进行调节。所以，可达到相当高的补偿精度。2022-9-112022-9-1143现在学习的是第43页，共46页第四节 霍尔式传感器举例 一、将被测量转换为磁感应强度B 保持霍尔元件的控制电流I恒定不变，就可测量磁感应强度B，以及位移、角度等可直接转换为B的物理量，进一步还可以测量先转换成位移或角度、然后间接转换为B的物理量，如振动、压力、速度、加速度、转速等等。下面以霍尔式压力传感器为例进行说明。2022-9-112022-9-1144现在学习的是第44页，共46页现在学习的是第45页，共46页现在学习的是第46页，共46页