霍尔式传感器精选文档.ppt

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1、霍尔式传感器本讲稿第一页，共五十三页 霍尔式传感器是利用霍尔元件基于霍尔效应原理而将被霍尔式传感器是利用霍尔元件基于霍尔效应原理而将被霍尔式传感器是利用霍尔元件基于霍尔效应原理而将被霍尔式传感器是利用霍尔元件基于霍尔效应原理而将被测量，如测量，如测量，如测量，如电流、磁场、位移、压力电流、磁场、位移、压力等转换成等转换成电动势电动势电动势电动势输出输出输出输出的一种传感器。虽然它的的一种传感器。虽然它的的一种传感器。虽然它的的一种传感器。虽然它的转换效率较低转换效率较低，温度影响大温度影响大温度影响大温度影响大，要求转换精度较高时必须进行温度补偿，但霍尔式传感器要求转换精度较高时必须进行温度补

2、偿，但霍尔式传感器要求转换精度较高时必须进行温度补偿，但霍尔式传感器要求转换精度较高时必须进行温度补偿，但霍尔式传感器结结结结构简单，体积小，坚固构简单，体积小，坚固构简单，体积小，坚固构简单，体积小，坚固，频率响应宽频率响应宽频率响应宽频率响应宽(从直流到微波从直流到微波从直流到微波从直流到微波)，动态范围动态范围动态范围动态范围(输出电势的变化输出电势的变化输出电势的变化输出电势的变化)大，无触点，使用寿命长，可大，无触点，使用寿命长，可大，无触点，使用寿命长，可大，无触点，使用寿命长，可靠性高，易微型化和集成电路化，靠性高，易微型化和集成电路化，靠性高，易微型化和集成电路化，靠性高，易微

3、型化和集成电路化，因此在测量技术、自动因此在测量技术、自动因此在测量技术、自动因此在测量技术、自动化技术和信息处理等方面得到广泛的应用。化技术和信息处理等方面得到广泛的应用。化技术和信息处理等方面得到广泛的应用。化技术和信息处理等方面得到广泛的应用。霍尔式传感器简介霍尔式传感器简介本讲稿第二页，共五十三页 霍尔传感器是利用霍尔传感器是利用霍尔传感器是利用霍尔传感器是利用霍尔效应霍尔效应霍尔效应霍尔效应实现磁电转换的一种传感器。实现磁电转换的一种传感器。实现磁电转换的一种传感器。实现磁电转换的一种传感器。霍尔效应自霍尔效应自霍尔效应自霍尔效应自18791879年被发现自今已有年被发现自今已有年被

4、发现自今已有年被发现自今已有100100多年的历史，但直到本多年的历史，但直到本多年的历史，但直到本多年的历史，但直到本世纪世纪世纪世纪5050年代，由于微电子学的发展，才被人们所重视和利用，年代，由于微电子学的发展，才被人们所重视和利用，年代，由于微电子学的发展，才被人们所重视和利用，年代，由于微电子学的发展，才被人们所重视和利用，开发了多种霍尔元件。我国从开发了多种霍尔元件。我国从开发了多种霍尔元件。我国从开发了多种霍尔元件。我国从7070年代开始研究霍尔器件，经年代开始研究霍尔器件，经年代开始研究霍尔器件，经年代开始研究霍尔器件，经过过过过3 30余年的研究和开发、目前已经能生产各种性能

5、的霍余年的研究和开发、目前已经能生产各种性能的霍尔元件，例如尔元件，例如普通型、高灵敏度型、低温度系数型、测普通型、高灵敏度型、低温度系数型、测温测磁型和开关温测磁型和开关式的霍尔元件。式的霍尔元件。式的霍尔元件。式的霍尔元件。由于霍尔传感器具有由于霍尔传感器具有灵敏度高、线性度好、稳定性高、灵敏度高、线性度好、稳定性高、灵敏度高、线性度好、稳定性高、灵敏度高、线性度好、稳定性高、体积小和耐高温体积小和耐高温体积小和耐高温体积小和耐高温等特性，它已广泛应用于非电量测量、自等特性，它已广泛应用于非电量测量、自等特性，它已广泛应用于非电量测量、自等特性，它已广泛应用于非电量测量、自动控制、计算机装

6、置和现代军事技术等各个领域。动控制、计算机装置和现代军事技术等各个领域。动控制、计算机装置和现代军事技术等各个领域。动控制、计算机装置和现代军事技术等各个领域。第一节第一节 霍尔效应和工作原理霍尔效应和工作原理本讲稿第三页，共五十三页一、霍尔效应一、霍尔效应 如图如图1所示的一块半导体薄片，其长度为所示的一块半导体薄片，其长度为L，宽度为，宽度为b，厚，厚度为度为d，当它被置于磁感应强度为，当它被置于磁感应强度为B的磁场中，如果在它相的磁场中，如果在它相对的两边通以控制电流对的两边通以控制电流I，且磁场方向与电流方向正交，且磁场方向与电流方向正交，则在半导体另外两边将产生一个大小与控制电流则在

7、半导体另外两边将产生一个大小与控制电流I和磁和磁感应强度感应强度B乘积成正比的电势乘积成正比的电势 ，即即 ，其中，其中 为霍尔元件的灵敏度。这一现象为霍尔元件的灵敏度。这一现象称为称为霍尔效应霍尔效应，该电势，该电势 称为霍尔电势，半导体薄片就是霍称为霍尔电势，半导体薄片就是霍尔元件。尔元件。本讲稿第四页，共五十三页二、工作原理二、工作原理:霍尔效应是半导体中自由电荷受磁场中洛仑兹力作用而霍尔效应是半导体中自由电荷受磁场中洛仑兹力作用而产生的。产生的。图图1本讲稿第五页，共五十三页 设霍尔元件为设霍尔元件为N型半导体，当它通以电流型半导体，当它通以电流I时，半导体时，半导体中的自由电荷即载流

8、子中的自由电荷即载流子(电子）受到磁场中洛仑兹力电子）受到磁场中洛仑兹力 的的作用，其大小为作用，其大小为式中：式中：为电子速度，为电子速度，B 为垂直于霍尔元件表面的磁感应为垂直于霍尔元件表面的磁感应强度。使电子向垂直于强度。使电子向垂直于B和自由电子运动方向偏移，其方向和自由电子运动方向偏移，其方向符合符合右手螺旋定律或左手定则右手螺旋定律或左手定则，即电子有向某一端积聚的，即电子有向某一端积聚的现象，使半导体一端面产生负电荷积聚，另一端面则为现象，使半导体一端面产生负电荷积聚，另一端面则为正电荷积聚。由于电荷聚积，产生静电场，即为霍尔电正电荷积聚。由于电荷聚积，产生静电场，即为霍尔电场该

9、静电场对电子的作用力场该静电场对电子的作用力 与洛仑兹力方向相反，将与洛仑兹力方向相反，将阻止电子继续偏转，其大小为：阻止电子继续偏转，其大小为：本讲稿第六页，共五十三页 静电场作用于运动电子上的静电场作用于运动电子上的 与洛仑兹力与洛仑兹力 相等时，相等时，电子积累达到动态平衡，即电子积累达到动态平衡，即 所以：所以：流过霍尔元件的电流流过霍尔元件的电流I为：为：所以：所以：代入代入 中得：中得：n为单位体积内自由电子数为单位体积内自由电子数(载流子浓度载流子浓度)本讲稿第七页，共五十三页 若霍尔元件为若霍尔元件为P型半导体、则：型半导体、则：P为单位体积内空穴数为单位体积内空穴数(载流子浓

10、度载流子浓度)。三、三、霍尔系数和灵敏度霍尔系数和灵敏度在上式中令：在上式中令：或或 则式则式 和式和式 变为：变为：则则 被定义为被定义为霍尔传感器的霍尔系数霍尔传感器的霍尔系数。很明显，霍尔系。很明显，霍尔系数由半导体材料性质决定。它决定霍尔电势的强弱。设：数由半导体材料性质决定。它决定霍尔电势的强弱。设：则有：则有：霍尔元件的灵敏度霍尔元件的灵敏度就是指在单位磁感应强度就是指在单位磁感应强度B和单位控制和单位控制电流电流I作用时，所能输出的霍尔电势的大小。作用时，所能输出的霍尔电势的大小。本讲稿第八页，共五十三页由于材料电阻率由于材料电阻率 与超流子浓度与超流子浓度 和其迁移率和其迁移率

11、 有关，即有关，即 则：则：则有则有 由此可见，要想霍尔电势强，半导体材料的由此可见，要想霍尔电势强，半导体材料的电阻率必须要高，且迁移率也要大。虽然，金属导体的电阻率必须要高，且迁移率也要大。虽然，金属导体的载流子迁移率很大，但其电阻率低；绝缘体电阻率很高，载流子迁移率很大，但其电阻率低；绝缘体电阻率很高，但其载流于迁移率低。因此，只有半导体材料为最佳霍但其载流于迁移率低。因此，只有半导体材料为最佳霍尔传感器的材料。表尔传感器的材料。表91列出了一些霍尔元件材料特性。列出了一些霍尔元件材料特性。霍尔电势除了与材料的载流子迁移率和电阻率有关，同时霍尔电势除了与材料的载流子迁移率和电阻率有关，同

12、时还与霍尔元件的几何尺寸有关。还与霍尔元件的几何尺寸有关。本讲稿第九页，共五十三页 一般要求霍尔元件灵敏度越大越好霍尔元件的厚一般要求霍尔元件灵敏度越大越好霍尔元件的厚度度d与与 成反比因此，霍尔元件的厚度越小其灵敏度越成反比因此，霍尔元件的厚度越小其灵敏度越高。当霍尔元件的宽度高。当霍尔元件的宽度b加大，或加大，或 减小时，载流子在减小时，载流子在偏转过程中的损失将加大、偏转过程中的损失将加大、下降。通常要对式下降。通常要对式 加以形状效应修正：加以形状效应修正：本讲稿第十页，共五十三页霍尔元件霍尔元件：直角平行六面体的单晶半导体薄片：直角平行六面体的单晶半导体薄片：直角平行六面体的单晶半导

13、体薄片：直角平行六面体的单晶半导体薄片材料材料材料材料：锗：锗：锗：锗(Ge)(Ge)、硅、硅、硅、硅(Si)(Si)、砷化铟、砷化铟、砷化铟、砷化铟(InSb)(InSb)等半导体材料。等半导体材料。霍尔元件组成霍尔元件组成霍尔元件组成霍尔元件组成：半导体薄片和两对电极组成：半导体薄片和两对电极组成：半导体薄片和两对电极组成：半导体薄片和两对电极组成输入引线输入引线输入引线输入引线a a、b b：激励电极：激励电极：激励电极：激励电极输出引线输出引线输出引线输出引线c c、d d：霍尔电极：霍尔电极：霍尔电极：霍尔电极 霍尔元件的基本结构、组成霍尔元件的基本结构、组成形状效应系数，其修正值如

14、表形状效应系数，其修正值如表:图图2本讲稿第十一页，共五十三页霍尔元件的符号和基本电路霍尔元件的符号和基本电路图图3本讲稿第十二页，共五十三页霍尔电势方向判别：霍尔电势方向判别：P P型材料：型材料：型材料：型材料：N N型材料：型材料：型材料：型材料：左手定则：左手定则：左手定则：左手定则：四指四指四指四指指向电流指向电流指向电流指向电流 B B 穿过手心穿过手心穿过手心穿过手心 大拇指大拇指大拇指大拇指指向的是力的方向指向的是力的方向指向的是力的方向指向的是力的方向图图4本讲稿第十三页，共五十三页Sensor新型传感器不断用于汽车、新型传感器不断用于汽车、机器人等行业机器人等行业 人们过去

15、的常识是人们过去的常识是“汽车并不使用最尖端技术汽车并不使用最尖端技术”。要。要对生命负责的汽车厂商，采用实用化技术的原则今后恐怕也对生命负责的汽车厂商，采用实用化技术的原则今后恐怕也不会改变。但是为了安全而必须使用最尖端技术的话，那么不会改变。但是为了安全而必须使用最尖端技术的话，那么强烈希望采用最尖端技术的趋势必将越来越强。丰田汽车已强烈希望采用最尖端技术的趋势必将越来越强。丰田汽车已经制定了在经制定了在2020年把日本国内汽车事故减少一半的目标，并年把日本国内汽车事故减少一半的目标，并将为此采取逐步把将为此采取逐步把汽车设计成汽车设计成“电子茧电子茧”的方针。也就是说，的方针。也就是说，

16、利用数百个传感器把车辆包围起来，根据来自这些传感器的信利用数百个传感器把车辆包围起来，根据来自这些传感器的信息，利用激励器对息，利用激励器对刹车和方向盘刹车和方向盘进行电控。进行电控。本讲稿第十四页，共五十三页这里所必需的包括：各种传感器、可快速处理来自传感器的这里所必需的包括：各种传感器、可快速处理来自传感器的大量信息的处理器、驱动激励器的高耐压（大量信息的处理器、驱动激励器的高耐压（LSI），以及能够），以及能够将将LSI的可靠性提高到与飞机相媲美的技术。所有这些元件均的可靠性提高到与飞机相媲美的技术。所有这些元件均为尖端技术的结晶。为尖端技术的结晶。在机器人的发展过程中，车载元件技术起着

17、关键作在机器人的发展过程中，车载元件技术起着关键作用。因为机器人所需的关键技术包含于车载元件中。对用。因为机器人所需的关键技术包含于车载元件中。对于两者来说，传感器、激励器和信号处理等都至关重要。于两者来说，传感器、激励器和信号处理等都至关重要。机器人也必须像汽车一样如同电子茧似地配备传感器，机器人也必须像汽车一样如同电子茧似地配备传感器，并快速判断所接收到的信息。比如躲避运动的障碍物行并快速判断所接收到的信息。比如躲避运动的障碍物行走的动作，必须识别障碍物、预测其动作，并在不破坏走的动作，必须识别障碍物、预测其动作，并在不破坏平衡的条件下控制双足等。平衡的条件下控制双足等。本讲稿第十五页，共

18、五十三页第二节、霍尔元件的主要技术参数第二节、霍尔元件的主要技术参数 1额定功耗额定功耗P0 霍尔元件在环境温度霍尔元件在环境温度T25c时，允许通过霍尔元件的时，允许通过霍尔元件的电流电流I和电压和电压E的乘积，分最小、典型、最大三档，单位的乘积，分最小、典型、最大三档，单位为为mw。当供给霍尔元件的电压确定后，根据额定功耗可。当供给霍尔元件的电压确定后，根据额定功耗可以知道额定控制电流以知道额定控制电流I，因此有些产品则提供额定控制电，因此有些产品则提供额定控制电流流I，不给出额定功耗，不给出额定功耗P0。2输入电阻输入电阻Ri和输出电阻和输出电阻Ro。Ri是指控制电流极之间的电阻值，是指

19、控制电流极之间的电阻值，Ro指霍尔元件电极指霍尔元件电极间的电阻，单位为欧姆。间的电阻，单位为欧姆。Ri和和Ro可在无磁场即可在无磁场即B=0时，时，用欧姆表等测量。用欧姆表等测量。本讲稿第十六页，共五十三页 3不平衡电势不平衡电势Uo 在额定控制电流在额定控制电流I之下，不加磁场时，霍尔电极间的空载霍之下，不加磁场时，霍尔电极间的空载霍尔电势称为不平衡尔电势称为不平衡(不等不等)电势，单位为电势，单位为mv。不平衡电势和额定。不平衡电势和额定控制电流控制电流I之比为不平衡电阻之比为不平衡电阻ro。有些产品也提供不平衡电阻参。有些产品也提供不平衡电阻参数值。数值。4霍尔电势稳定系数霍尔电势稳定

20、系数 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1时，时，霍尔电势变化的百分率，称为霍尔电势温度系数霍尔电势变化的百分率，称为霍尔电势温度系数.5内阻温度系数内阻温度系数霍尔元件在无磁场及工作温度范围内，温度每变化霍尔元件在无磁场及工作温度范围内，温度每变化1时，输时，输入电阻与输出电阻变化的百分率称为内阻温度系数，一般取不入电阻与输出电阻变化的百分率称为内阻温度系数，一般取不同温度时的平均值。同温度时的平均值。本讲稿第十七页，共五十三页 6灵敏度系数灵敏度系数 其定义同前述，有时某些产品给出无负载时灵敏度，在其定义同前述，有时某些产品给出无负载时灵敏度，

21、在某一控制电流和一定强度磁场中，输出极开路时元件的灵某一控制电流和一定强度磁场中，输出极开路时元件的灵敏度。敏度。表表93列出中国科学院半导体研究所生产的砷化镓列出中国科学院半导体研究所生产的砷化镓(GaAs)霍尔元件的主要技术参数。霍尔元件的主要技术参数。本讲稿第十八页，共五十三页砷化镓霍尔元件的主要技术参数砷化镓霍尔元件的主要技术参数本讲稿第十九页，共五十三页第三节、霍尔元件连接方式和输出电路第三节、霍尔元件连接方式和输出电路1基本测量电路基本测量电路 霍尔元件的基本测量电路霍尔元件的基本测量电路如图如图4所示所示,控制电流控制电流I由电源由电源E供给、电位器供给、电位器W调节控制电流调节

22、控制电流I的的大小。霍尔元件输出接负载电阻大小。霍尔元件输出接负载电阻RL RL可以是放大器的输入电可以是放大器的输入电阻或测量仪表的内阻。由于霍尔阻或测量仪表的内阻。由于霍尔元件必须在磁场与控制电流作用元件必须在磁场与控制电流作用下，才会产生霍尔电势，所以在下，才会产生霍尔电势，所以在测量中可以把测量中可以把I和和B的乘积、或的乘积、或者者I，或者，或者B作为输人信号，则作为输人信号，则霍尔元件的输出电势分别正比霍尔元件的输出电势分别正比于于I或或B。图图4基本测量电路基本测量电路 本讲稿第二十页，共五十三页2连接方式连接方式 除了霍尔元件基本电路形式之外，如果为了获得较大除了霍尔元件基本电

23、路形式之外，如果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、如图的霍尔输出电势，可以采用几片叠加的连接方式、如图5(a)所示。所示。图图5（a）为直流供电情况。控制电流端并联，由为直流供电情况。控制电流端并联，由w1、w2调节两个元件的输出霍尔电势，调节两个元件的输出霍尔电势，A、B为输出端，则它的输为输出端，则它的输出电势为单块的两倍。出电势为单块的两倍。图图 5(b)为交流供电情况。控制电流端串联，各元件输出为交流供电情况。控制电流端串联，各元件输出端接输出变压器端接输出变压器B的初级绕组，变压器的次级便有霍尔的初级绕组，变压器的次级便有霍尔电势信号叠加值输出。电势信号叠加值输

24、出。本讲稿第二十一页，共五十三页图图5霍尔元件输出叠加连接方式霍尔元件输出叠加连接方式3霍尔电势的输出电路霍尔电势的输出电路 霍尔器件是一种四端器件本身不带放大器。霍尔霍尔器件是一种四端器件本身不带放大器。霍尔电势一般在毫伏量级，在实际使用中必须加差分放大电势一般在毫伏量级，在实际使用中必须加差分放大器。霍尔元件大体分为线性测量和开关状态两种使用器。霍尔元件大体分为线性测量和开关状态两种使用方式。方式。本讲稿第二十二页，共五十三页 因此，输出电路如图因此，输出电路如图6所示两种结构。下面以我国科学所示两种结构。下面以我国科学院半导体研究所生产的院半导体研究所生产的GaAs霍尔元件为例，给出两种

25、霍尔元件为例，给出两种参考电路，分别如图参考电路，分别如图6(a)和和(b)所示。所示。图图6 霍尔元件的输出电路霍尔元件的输出电路本讲稿第二十三页，共五十三页 当霍尔元件作线性测量时最好选用灵敏度低一点、不等位当霍尔元件作线性测量时最好选用灵敏度低一点、不等位电势小、稳定性和线性度优良的霍尔元件。电势小、稳定性和线性度优良的霍尔元件。例如，选用例如，选用 ，控制电流为，控制电流为5mA的霍尔元件作线性测量元件，若要测量的霍尔元件作线性测量元件，若要测量1Gs一一10kGs的磁场，则霍尔器件最低输出电势的磁场，则霍尔器件最低输出电势 为：为：故要选择低噪音的放大器作为前级放大。故要选择低噪音的

26、放大器作为前级放大。高精度高速运放高精度高速运放OP-17,OP-17,超低噪声超低噪声、高精度、高精度OP-27(OP-37OP-27(OP-37)运放专题：运放专题：本讲稿第二十四页，共五十三页OP-17OP-17 速度与速度与 CF357 CF357 相当相当,U UIOSIOS I IIOSIOS 和和UUIOSIOS 大约大约 只有只有CF357CF357的十分之一的十分之一;封装、引线排列和应用线路与封装、引线排列和应用线路与CF357CF357的完全相同的完全相同;工作温度范围为工作温度范围为10 10 7070。OP-27OP-27 U UIOS IOS,U,UIOSIOS 与

27、与OP-07OP-07相近相近;I IIOSIOS 和和 I IIOSIOS 比比 OP-07OP-07的大的大;OP-27OP-27 噪声电压特别小噪声电压特别小,小于小于OP-07OP-07的十分之一的十分之一;本讲稿第二十五页，共五十三页当霍尔元件作开关使用时，要选择灵敏度高的霍尔器当霍尔元件作开关使用时，要选择灵敏度高的霍尔器件。件。例如例如 ，如果采用，如果采用2x 3x 5(mm)的衫磁钢的器的衫磁钢的器件，控制电流为件，控制电流为2mA，施加一个距离器件为施加一个距离器件为5mm的的300G s的磁场，则输出霍尔电势为的磁场，则输出霍尔电势为 这时选用一般的放大器即可满足。这时选

28、用一般的放大器即可满足。n输入失调电压输入失调电压U UIOSIOS 和输入失调电流和输入失调电流I IIOSIOS 很小；很小；n输入失调电压温漂输入失调电压温漂UUIOSIOS 和输入失调电流温漂和输入失调电流温漂IIIOSIOS 很很小；小；精度比较高；价格不高精度比较高；价格不高,很受欢迎。很受欢迎。低失调低漂移运放低失调低漂移运放OP07OP07本讲稿第二十六页，共五十三页第四节第四节 霍尔元件的测量误差和补偿方法霍尔元件的测量误差和补偿方法 霍尔元件在实际应用时，存在多种因素影响其测量精霍尔元件在实际应用时，存在多种因素影响其测量精度，造成测量误差的主要因素优两类度，造成测量误差的

29、主要因素优两类:一类是半导体固有特性；一类为半导体制造工艺的一类是半导体固有特性；一类为半导体制造工艺的缺陷缺陷。其表现为零位误差和温度引起的误差。其表现为零位误差和温度引起的误差。1、零位误误差及补偿方法：、零位误误差及补偿方法：零位误差是霍尔元件在加控制电流或不加外磁场时，零位误差是霍尔元件在加控制电流或不加外磁场时，而出现的霍尔电势称为零位误差。由制造霍尔元件的工而出现的霍尔电势称为零位误差。由制造霍尔元件的工艺问题造成的不等位电势是主要的零位误差。因为在工艺问题造成的不等位电势是主要的零位误差。因为在工艺上难以保证霍尔元件两侧的电级焊接在同一等电位面艺上难以保证霍尔元件两侧的电级焊接在

30、同一等电位面上上本讲稿第二十七页，共五十三页U0产生的原因：产生的原因：(1)(1)制制造造工工艺艺不不可可能能保保证证将将两两个个霍霍尔尔电电极极对对称称地地焊焊在在霍霍尔尔片片的的两两侧侧，致致使使两两电电极极点点不不能能完完全全位位于于同同一一等等位位面上，如图面上，如图5-8a所示。所示。(2)霍霍霍霍尔尔尔尔片片片片电电电电阻阻阻阻率率率率不不不不均均均均匀匀匀匀或或或或片片片片厚厚厚厚薄薄薄薄不不不不均均均均匀匀匀匀或或或或控控控控制制制制电电电电流流流流极极极极接接接接触触触触不不不不良良良良都都都都将将将将使使使使等等等等位位位位面面面面歪歪歪歪斜斜斜斜(见见见见图图图图5-8

31、b)5-8b)，致致致致使使使使两两两两霍霍霍霍尔尔尔尔电电电电极极极极不在同一等位面上而产生不等位电动势。不在同一等位面上而产生不等位电动势。不在同一等位面上而产生不等位电动势。不在同一等位面上而产生不等位电动势。本讲稿第二十八页，共五十三页 如图如图如图如图7(a)7(a)所示。当控制电流所示。当控制电流所示。当控制电流所示。当控制电流I I流过时，即使未加外磁场。流过时，即使未加外磁场。流过时，即使未加外磁场。流过时，即使未加外磁场。A、B两电极此时仍存在电位差，此电位差被称为不等位电势两电极此时仍存在电位差，此电位差被称为不等位电势两电极此时仍存在电位差，此电位差被称为不等位电势两电极

32、此时仍存在电位差，此电位差被称为不等位电势 。图图图图7 7 霍尔元件的不等位电势和等效电路霍尔元件的不等位电势和等效电路霍尔元件的不等位电势和等效电路霍尔元件的不等位电势和等效电路本讲稿第二十九页，共五十三页 为了减小或消除不等位电势，可以采用电桥平衡原理补为了减小或消除不等位电势，可以采用电桥平衡原理补为了减小或消除不等位电势，可以采用电桥平衡原理补为了减小或消除不等位电势，可以采用电桥平衡原理补偿。根据霍尔元件的工作原理，可以把霍尔元件等效于一个偿。根据霍尔元件的工作原理，可以把霍尔元件等效于一个偿。根据霍尔元件的工作原理，可以把霍尔元件等效于一个偿。根据霍尔元件的工作原理，可以把霍尔元

33、件等效于一个四臂电桥，如图四臂电桥，如图四臂电桥，如图四臂电桥，如图95(b)95(b)所示。如果两个霍尔电势极所示。如果两个霍尔电势极所示。如果两个霍尔电势极所示。如果两个霍尔电势极A A、B B处处处处在同一等位面上。桥路处于平衡状态，即在同一等位面上。桥路处于平衡状态，即在同一等位面上。桥路处于平衡状态，即在同一等位面上。桥路处于平衡状态，即 ，则，则，则，则不等位电势不等位电势不等位电势不等位电势 。如果两个霍尔电势极不在同一等位面上。如果两个霍尔电势极不在同一等位面上。如果两个霍尔电势极不在同一等位面上。如果两个霍尔电势极不在同一等位面上电桥不平衡，不等位电势电桥不平衡，不等位电势电

34、桥不平衡，不等位电势电桥不平衡，不等位电势 。此时根据。此时根据。此时根据。此时根据A A、B B两点电两点电两点电两点电位高低判断应在某一桥臂上并联一个电阻使电桥平衡从位高低判断应在某一桥臂上并联一个电阻使电桥平衡从位高低判断应在某一桥臂上并联一个电阻使电桥平衡从位高低判断应在某一桥臂上并联一个电阻使电桥平衡从而就消除了不等位电势。而就消除了不等位电势。而就消除了不等位电势。而就消除了不等位电势。图图8给出几种常用的补偿方法。为了消除不等位电势，给出几种常用的补偿方法。为了消除不等位电势，可在阻值较大的桥臂上并联电阻可在阻值较大的桥臂上并联电阻可在阻值较大的桥臂上并联电阻可在阻值较大的桥臂上

35、并联电阻如图如图如图如图8(a)8(a)所示，或在两个所示，或在两个桥臀上同时并联如图桥臀上同时并联如图8(b)(c)8(b)(c)所示的电阻。显然，方案所示的电阻。显然，方案所示的电阻。显然，方案所示的电阻。显然，方案(c)(c)调调调调整比较方便。整比较方便。整比较方便。整比较方便。本讲稿第三十页，共五十三页图图图图8 8 不等位电势补偿电路原理图不等位电势补偿电路原理图不等位电势补偿电路原理图不等位电势补偿电路原理图本讲稿第三十一页，共五十三页Sensor具有自清洁功能的新型传感器问世具有自清洁功能的新型传感器问世 据悉，美国宾夕法尼亚州立大学研发出一种具有自我清洁据悉，美国宾夕法尼亚州

36、立大学研发出一种具有自我清洁功能的新型传感器功能的新型传感器二氧化钛纳米管氢二氧化钛纳米管氢传感器。传感器。研究表明，尽管二氧化钛纳米管氢传感器属气敏传感器，研究表明，尽管二氧化钛纳米管氢传感器属气敏传感器，但却有着光敏性较其他形式的二氧化钛材料高但却有着光敏性较其他形式的二氧化钛材料高100100倍的特性。倍的特性。只要将其暴露在紫外线下，吸附在二氧化钛纳米管氢传感器上只要将其暴露在紫外线下，吸附在二氧化钛纳米管氢传感器上的污染物质就能轻而易举地被有效清除掉。因此，在实际使用的污染物质就能轻而易举地被有效清除掉。因此，在实际使用中，这种传感器能够靠自己的能耐使自己清洁如故、性能如初，中，这种

37、传感器能够靠自己的能耐使自己清洁如故、性能如初，并保持原有的探测灵敏度。并保持原有的探测灵敏度。本讲稿第三十二页，共五十三页 氢传感器广泛应用于化工、石油和半导体工业，也常氢传感器广泛应用于化工、石油和半导体工业，也常被用作诊断工具，用来监测某些种类的细菌感染。在日常被用作诊断工具，用来监测某些种类的细菌感染。在日常生活中，氢传感器同样大有用武之地。比如，面包店可以生活中，氢传感器同样大有用武之地。比如，面包店可以利用氢传感器帮助面包师监测氢浓度和烤箱温度，确定面利用氢传感器帮助面包师监测氢浓度和烤箱温度，确定面包出炉的时间；氢传感器更是燃料电池汽车忠实的安全卫包出炉的时间；氢传感器更是燃料电

38、池汽车忠实的安全卫士，用于监测这种汽车的燃烧系统的氢泄漏。对于燃料电士，用于监测这种汽车的燃烧系统的氢泄漏。对于燃料电池汽车来讲，如果氢泄漏达到池汽车来讲，如果氢泄漏达到4 4，就会引发爆炸。，就会引发爆炸。然而，常规氢传感器的保洁问题颇令人头疼。在使用然而，常规氢传感器的保洁问题颇令人头疼。在使用氢传感器的各种场合，比如在石化厂，氢传感器经常变得氢传感器的各种场合，比如在石化厂，氢传感器经常变得很脏，监测功能也因此大打折扣。宾夕法尼亚州立大学科很脏，监测功能也因此大打折扣。宾夕法尼亚州立大学科研人员的这项研究，其目标就是让氢传感器升级换代，彻研人员的这项研究，其目标就是让氢传感器升级换代，彻

39、底解决这种传感器的保洁问题。底解决这种传感器的保洁问题。本讲稿第三十三页，共五十三页2温度误差及其补偿温度误差及其补偿 由于半导体材料的由于半导体材料的由于半导体材料的由于半导体材料的电阻串、迁移率和载流子浓度电阻串、迁移率和载流子浓度电阻串、迁移率和载流子浓度电阻串、迁移率和载流子浓度等都随温等都随温等都随温等都随温度变化而变化，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化而变化。这种变化程度随不同半导体材料有所不同。而温度变化

40、而变化。这种变化程度随不同半导体材料有所不同。而温度变化而变化。这种变化程度随不同半导体材料有所不同。而温度变化而变化。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，产生的变化相当大。温度误差是霍尔元件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。针对温度变化导致内阻测量中不可忽视的误差。针对温度变化导致内阻测量中不可忽视的误差。针对温度变化导致内阻测量中不可忽视的误差。针对温度变化导致内阻(输入、输出电输入、输出电输入、输出电输入、输出

41、电阻阻阻阻)的变化可以采用对输入或输出电路的电阻进行补偿。的变化可以采用对输入或输出电路的电阻进行补偿。的变化可以采用对输入或输出电路的电阻进行补偿。的变化可以采用对输入或输出电路的电阻进行补偿。(1)利用输出回路并联电阻进行补偿利用输出回路并联电阻进行补偿 在输入控制电流恒定的情况下，如果输出电阻随温度增加而在输入控制电流恒定的情况下，如果输出电阻随温度增加而在输入控制电流恒定的情况下，如果输出电阻随温度增加而在输入控制电流恒定的情况下，如果输出电阻随温度增加而增大霍尔电势增加；增大霍尔电势增加；增大霍尔电势增加；增大霍尔电势增加；本讲稿第三十四页，共五十三页 若在输出端并联一个补偿电阻若在

42、输出端并联一个补偿电阻若在输出端并联一个补偿电阻若在输出端并联一个补偿电阻RLRL，则通过霍尔元件的电，则通过霍尔元件的电，则通过霍尔元件的电，则通过霍尔元件的电流减小，而通过的流减小，而通过的流减小，而通过的流减小，而通过的RL电流电流电流电流 却增大。只要适当选择补偿电却增大。只要适当选择补偿电却增大。只要适当选择补偿电却增大。只要适当选择补偿电阻阻阻阻RLRL，就可达到补偿的目的，如图，就可达到补偿的目的，如图，就可达到补偿的目的，如图，就可达到补偿的目的，如图9 9所示。下面介绍如何选所示。下面介绍如何选所示。下面介绍如何选所示。下面介绍如何选择适当的补偿电阻。择适当的补偿电阻。择适当

43、的补偿电阻。择适当的补偿电阻。图图图图9 9 输出回路补偿输出回路补偿输出回路补偿输出回路补偿本讲稿第三十五页，共五十三页 在温度影响下，元件的输出电阻从在温度影响下，元件的输出电阻从在温度影响下，元件的输出电阻从在温度影响下，元件的输出电阻从 变到变到变到变到 。输出电。输出电。输出电。输出电阻阻阻阻 和电势应为和电势应为和电势应为和电势应为:式中式中:、为温度为温度t时霍尔元件的输出电势时霍尔元件的输出电势时霍尔元件的输出电势时霍尔元件的输出电势 和电阻和电阻和电阻和电阻 的的的的温度系数。此时温度系数。此时温度系数。此时温度系数。此时 的电压则为：的电压则为：的电压则为：的电压则为：补偿

44、电阻补偿电阻补偿电阻补偿电阻RL上电压随温度变化最小的极值条件为：上电压随温度变化最小的极值条件为：上电压随温度变化最小的极值条件为：上电压随温度变化最小的极值条件为：即：即：即：即：本讲稿第三十六页，共五十三页 因此当知道霍尔元件的因此当知道霍尔元件的 、及及 时，便可以计算出时，便可以计算出能实现温度补偿的电阻能实现温度补偿的电阻RL的值。的值。的值。的值。(2)利用输入回路的串联电阻进行补偿利用输入回路的串联电阻进行补偿 霍尔元件的控制回路用稳压电源霍尔元件的控制回路用稳压电源E E供电，其输出端处于供电，其输出端处于供电，其输出端处于供电，其输出端处于开路工作状态，如图开路工作状态，如

45、图开路工作状态，如图开路工作状态，如图1010所示当输入回路串联适当的电阻所示当输入回路串联适当的电阻所示当输入回路串联适当的电阻所示当输入回路串联适当的电阻R R时，时，霍尔电势随温度的变化可得到补偿。霍尔电势随温度的变化可得到补偿。图图图图1010本讲稿第三十七页，共五十三页 当温度增加时，霍尔电势的增加值为：当温度增加时，霍尔电势的增加值为：当温度增加时，霍尔电势的增加值为：当温度增加时，霍尔电势的增加值为：另一方面，元件的输入电阻随温度的增加值为：另一方面，元件的输入电阻随温度的增加值为：用稳压源供电时控制电流的减小量为用稳压源供电时控制电流的减小量为它使霍尔电势的减小量为它使霍尔电势

46、的减小量为要想得到全补偿，应有要想得到全补偿，应有 ，则，则结出霍尔元件的结出霍尔元件的结出霍尔元件的结出霍尔元件的 、值，即可求得值，即可求得值，即可求得值，即可求得R R和和和和 的关系。的关系。的关系。的关系。本讲稿第三十八页，共五十三页 除此之外，还可以在霍尔元件的输入端除此之外，还可以在霍尔元件的输入端除此之外，还可以在霍尔元件的输入端除此之外，还可以在霍尔元件的输入端采用恒流源采用恒流源采用恒流源采用恒流源来减小温来减小温来减小温来减小温度的影响。实际的补偿电路如图度的影响。实际的补偿电路如图度的影响。实际的补偿电路如图度的影响。实际的补偿电路如图1111所示。调节电位器所示。调节

47、电位器所示。调节电位器所示。调节电位器W1W1可以可以消除不等位电势。电桥由温度系数低的电阻构成，在某一消除不等位电势。电桥由温度系数低的电阻构成，在某一桥臂电阻上并联热敏电阻。当温度变化时，热敏电阻将随桥臂电阻上并联热敏电阻。当温度变化时，热敏电阻将随温度变化而变化使补偿电桥的输出电压温度变化而变化使补偿电桥的输出电压 相应变化，相应变化，只要仔细调节，即可使其输出电压只要仔细调节，即可使其输出电压 与温度基本无关。与温度基本无关。图图11实际的温度补实际的温度补实际的温度补实际的温度补偿电路偿电路偿电路偿电路本讲稿第三十九页，共五十三页3、采用温度补偿元件、采用温度补偿元件 图图图图12

48、12 温度补偿温度补偿温度补偿温度补偿本讲稿第四十页，共五十三页第五节第五节 霍尔式传感器应用霍尔式传感器应用 根根根根据据据据霍霍霍霍尔尔尔尔电电电电势势势势的的的的表表表表达达达达式式式式，其其其其应应应应用用用用可可可可用用用用于于于于下下下下述述述述三三三三个个个个方方方方面：面：面：面：控制电流控制电流控制电流控制电流I I不变，传感器处于非均匀磁场中，不变，传感器处于非均匀磁场中，不变，传感器处于非均匀磁场中，不变，传感器处于非均匀磁场中，U UH B B 。可进行磁场、位移、角度、转速、加速度等测量。可进行磁场、位移、角度、转速、加速度等测量。可进行磁场、位移、角度、转速、加速度

49、等测量。可进行磁场、位移、角度、转速、加速度等测量。磁场不变，即磁场不变，即磁场不变，即磁场不变，即B B不变，不变，不变，不变，U UHH I I。故凡能转换成电流变化的各量均能测量。故凡能转换成电流变化的各量均能测量。故凡能转换成电流变化的各量均能测量。故凡能转换成电流变化的各量均能测量。I I、B B均变化，均变化，均变化，均变化，U UHH IBIB。可用于乘法、功率等方面的计算与测量。可用于乘法、功率等方面的计算与测量。可用于乘法、功率等方面的计算与测量。可用于乘法、功率等方面的计算与测量。本讲稿第四十一页，共五十三页 一、霍尔位移传感器应用一、霍尔位移传感器应用 霍尔位移传感器可制

50、作成如图霍尔位移传感器可制作成如图霍尔位移传感器可制作成如图霍尔位移传感器可制作成如图1313所示结构。在极性相反、所示结构。在极性相反、所示结构。在极性相反、所示结构。在极性相反、磁场强度相同的两个磁钢的气隙间放置一个霍尔元件。当控制磁场强度相同的两个磁钢的气隙间放置一个霍尔元件。当控制磁场强度相同的两个磁钢的气隙间放置一个霍尔元件。当控制磁场强度相同的两个磁钢的气隙间放置一个霍尔元件。当控制电流电流电流电流I I恒定不变时，霍尔电势与外磁感应强度成正比恒定不变时，霍尔电势与外磁感应强度成正比恒定不变时，霍尔电势与外磁感应强度成正比恒定不变时，霍尔电势与外磁感应强度成正比图图图图12(a)1