半导体敏磁传感器 精.ppt

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1、半导体敏磁传感器 第1页，本讲稿共40页简简简简 介介介介磁敏式传感器都是利用半导体材料中的自由电子或空穴随磁场改磁敏式传感器都是利用半导体材料中的自由电子或空穴随磁场改磁敏式传感器都是利用半导体材料中的自由电子或空穴随磁场改磁敏式传感器都是利用半导体材料中的自由电子或空穴随磁场改变其运动方向这一特性而制成。变其运动方向这一特性而制成。变其运动方向这一特性而制成。变其运动方向这一特性而制成。按其结构可分为按其结构可分为按其结构可分为按其结构可分为体型和结型体型和结型体型和结型体型和结型两大类。两大类。两大类。两大类。体型的有霍尔传感器，其主要材料体型的有霍尔传感器，其主要材料体型的有霍尔传感器

2、，其主要材料体型的有霍尔传感器，其主要材料InSb(InSb(锑化铟锑化铟锑化铟锑化铟)、InAsInAs（砷化铟）（砷化铟）（砷化铟）（砷化铟）、GeGe（锗）、（锗）、（锗）、（锗）、SiSi、GaAsGaAs等和磁敏电阻等和磁敏电阻等和磁敏电阻等和磁敏电阻InSbInSb、InAsInAs。结型的有磁敏二极管结型的有磁敏二极管结型的有磁敏二极管结型的有磁敏二极管(Ge(Ge、Si)Si)，磁敏三极管，磁敏三极管，磁敏三极管，磁敏三极管(Si)(Si)应用范围可分为模拟用途和数字用途。应用范围可分为模拟用途和数字用途。应用范围可分为模拟用途和数字用途。应用范围可分为模拟用途和数字用途。第2

3、页，本讲稿共40页7.1 霍尔传感器 7.1.1 7.1.1 霍尔效应霍尔效应霍尔效应霍尔效应霍尔效应是磁电效应的一种，这一现象是霍尔效应是磁电效应的一种，这一现象是美国物理学家霍尔（美国物理学家霍尔（A.H.Hall，18551938）于）于1879年在研究金属的导电机构时年在研究金属的导电机构时发现的。当发现的。当电流电流垂直于外磁场通过导体时，垂直于外磁场通过导体时，在导体的垂直于磁场和电流方向的两个端面在导体的垂直于磁场和电流方向的两个端面之间会出现之间会出现电势差电势差，这一现象便是霍尔效应。，这一现象便是霍尔效应。这个电势差也被叫做霍尔电势差。这个电势差也被叫做霍尔电势差。第3页，

4、本讲稿共40页7.1.1 7.1.1 霍尔效应霍尔效应霍尔效应霍尔效应有一如图所示的半导体薄片，若在它的两端通以控制电流I，在薄片的垂直方向上施加磁感应强度为B的磁场，则在薄片的另两侧面会产生与I和B的乘积成比例的电动势UH（霍尔电势或称霍尔电压）。这种现象就称为霍尔效应。控制电极控制电极控制电流控制电流霍尔电极霍尔电极第4页，本讲稿共40页图图图图7-1 7-1 7-1 7-1 霍尔效应霍尔效应霍尔效应霍尔效应UHbldIFLFEvB7.1.1 7.1.1 霍尔效应霍尔效应霍尔效应霍尔效应是半导体中的自由电荷在磁场中受到洛伦兹力作用而产生的。第5页，本讲稿共40页所以，霍尔电压所以，霍尔电压

5、所以，霍尔电压所以，霍尔电压U UHH可表示为可表示为可表示为可表示为 U UHH=E EHH b=vBb b=vBb (7-3)(7-3)设霍尔元件为设霍尔元件为设霍尔元件为设霍尔元件为N N N N型型型型半导体，当它通电流半导体，当它通电流半导体，当它通电流半导体，当它通电流I I I I时时时时 F FL L=qvB=qvB (7-1)(7-1)当电场力与洛仑兹力相等时，达到动态平衡，这时有当电场力与洛仑兹力相等时，达到动态平衡，这时有当电场力与洛仑兹力相等时，达到动态平衡，这时有当电场力与洛仑兹力相等时，达到动态平衡，这时有 qEqEHH=qvBqvB故霍尔电场的强度为故霍尔电场的强

6、度为故霍尔电场的强度为故霍尔电场的强度为 E EHH=vB vB （7-27-2）第6页，本讲稿共40页流过霍尔元件的电流为流过霍尔元件的电流为流过霍尔元件的电流为流过霍尔元件的电流为 I=dQ/dt=bdvnqI=dQ/dt=bdvnq得：得：得：得：v=I/nqbdv=I/nqbd (7-4)(7-4)所以：所以：所以：所以：U UHH=BI/nqd=BI/nqd 若取若取若取若取 R RH H=1 1/nq/nq 则则则则 R RHH被定义为霍尔元件的被定义为霍尔元件的被定义为霍尔元件的被定义为霍尔元件的霍尔系数霍尔系数霍尔系数霍尔系数。它反映材料霍尔效应的强弱。它反映材料霍尔效应的强弱

7、。它反映材料霍尔效应的强弱。它反映材料霍尔效应的强弱。第7页，本讲稿共40页设设设设K KHH即为即为即为即为霍尔元件的灵敏度霍尔元件的灵敏度霍尔元件的灵敏度霍尔元件的灵敏度，它表示一个霍尔元件在单位，它表示一个霍尔元件在单位，它表示一个霍尔元件在单位，它表示一个霍尔元件在单位控制电流和单位磁感应强度时产生的霍尔电压的大小控制电流和单位磁感应强度时产生的霍尔电压的大小控制电流和单位磁感应强度时产生的霍尔电压的大小控制电流和单位磁感应强度时产生的霍尔电压的大小.单位是单位是单位是单位是mV/mV/（mAmAT T）第8页，本讲稿共40页 霍尔电压的大小决定于载流体中电子的运动速度，它随霍尔电压的

8、大小决定于载流体中电子的运动速度，它随霍尔电压的大小决定于载流体中电子的运动速度，它随霍尔电压的大小决定于载流体中电子的运动速度，它随载流体材料的不同而不同。料中电子在电场作用下运动速度载流体材料的不同而不同。料中电子在电场作用下运动速度载流体材料的不同而不同。料中电子在电场作用下运动速度载流体材料的不同而不同。料中电子在电场作用下运动速度的大小常用的大小常用的大小常用的大小常用载流子迁移率载流子迁移率载流子迁移率载流子迁移率来表征，即在单位电场强度作用来表征，即在单位电场强度作用来表征，即在单位电场强度作用来表征，即在单位电场强度作用下，载流子的平均速度值。即下，载流子的平均速度值。即下，载

9、流子的平均速度值。即下，载流子的平均速度值。即所以所以所以所以而而而而第9页，本讲稿共40页比较得比较得比较得比较得或或或或结论：结论：结论：结论：如果是如果是如果是如果是P P型半导体，其载流子是空穴，若空穴浓度为型半导体，其载流子是空穴，若空穴浓度为型半导体，其载流子是空穴，若空穴浓度为型半导体，其载流子是空穴，若空穴浓度为p p，同，同，同，同理可得理可得理可得理可得第10页，本讲稿共40页 霍尔电压霍尔电压霍尔电压霍尔电压U UHH与材料的性质有关。与材料的性质有关。与材料的性质有关。与材料的性质有关。霍尔电压霍尔电压霍尔电压霍尔电压U UHH与元件的尺寸有关。与元件的尺寸有关。与元件

10、的尺寸有关。与元件的尺寸有关。霍尔电压霍尔电压霍尔电压霍尔电压U UHH与控制电流及磁场强度有关。与控制电流及磁场强度有关。与控制电流及磁场强度有关。与控制电流及磁场强度有关。材料的材料的、大，大，RH就大。金属的就大。金属的虽然很大，但虽然很大，但很小，故很小，故不宜做成元件。在半导体材料中，由于电子的迁移率比不宜做成元件。在半导体材料中，由于电子的迁移率比空穴的大，且空穴的大，且np，所以霍尔元件一般采用，所以霍尔元件一般采用N型半导体型半导体材料。材料。第11页，本讲稿共40页7.1.2 7.1.2 霍尔元件的构造及测量电路霍尔元件的构造及测量电路霍尔元件的构造及测量电路霍尔元件的构造及

11、测量电路 基于霍尔效应工作的半导体器件称为霍尔元件，霍尔基于霍尔效应工作的半导体器件称为霍尔元件，霍尔基于霍尔效应工作的半导体器件称为霍尔元件，霍尔基于霍尔效应工作的半导体器件称为霍尔元件，霍尔元件多采用元件多采用元件多采用元件多采用N N N N型半导体材料。霍尔元件越薄型半导体材料。霍尔元件越薄型半导体材料。霍尔元件越薄型半导体材料。霍尔元件越薄(d d d d 越小越小越小越小)，k k k kH H H H 就越大。霍尔元件由霍尔片、四根引线和壳体组成，就越大。霍尔元件由霍尔片、四根引线和壳体组成，就越大。霍尔元件由霍尔片、四根引线和壳体组成，就越大。霍尔元件由霍尔片、四根引线和壳体组

12、成，如图所示。如图所示。如图所示。如图所示。第12页，本讲稿共40页霍尔片是一块半导体单晶薄片霍尔片是一块半导体单晶薄片霍尔片是一块半导体单晶薄片霍尔片是一块半导体单晶薄片(一般为一般为一般为一般为4mm2mm0.1mm)4mm2mm0.1mm)，它的长度方向两端面上焊有，它的长度方向两端面上焊有，它的长度方向两端面上焊有，它的长度方向两端面上焊有a a、b b两根引线，通常用两根引线，通常用两根引线，通常用两根引线，通常用红色导红色导红色导红色导线线线线，其焊接处称为，其焊接处称为，其焊接处称为，其焊接处称为控制电极控制电极控制电极控制电极；在它的另两侧端面的中间以点的；在它的另两侧端面的中

13、间以点的；在它的另两侧端面的中间以点的；在它的另两侧端面的中间以点的形式对称地焊有形式对称地焊有形式对称地焊有形式对称地焊有c c、d d两根霍尔输出引线，通常用两根霍尔输出引线，通常用两根霍尔输出引线，通常用两根霍尔输出引线，通常用绿色导线绿色导线绿色导线绿色导线，其焊接处称为其焊接处称为其焊接处称为其焊接处称为霍尔电极霍尔电极霍尔电极霍尔电极。第13页，本讲稿共40页2 2 测量电路测量电路测量电路测量电路W1W2UHUH（a a a a）基本测量电路）基本测量电路）基本测量电路）基本测量电路WUHRLE（b b b b）直流供电输出方式）直流供电输出方式）直流供电输出方式）直流供电输出方

14、式 （c c c c）交流供电输出方式）交流供电输出方式）交流供电输出方式）交流供电输出方式第14页，本讲稿共40页7.1.3 7.1.3 霍尔元件的技术参数霍尔元件的技术参数霍尔元件的技术参数霍尔元件的技术参数1.1.1.1.额定功耗额定功耗额定功耗额定功耗P P0 0在环境温度在环境温度在环境温度在环境温度25252525时，允许通过霍尔元件的电流和电压的时，允许通过霍尔元件的电流和电压的时，允许通过霍尔元件的电流和电压的时，允许通过霍尔元件的电流和电压的乘积。乘积。乘积。乘积。2.2.2.2.输入电阻输入电阻输入电阻输入电阻RiRiRiRi和输出电阻和输出电阻和输出电阻和输出电阻R R

15、R ROOOORiRiRiRi是指控制电极之间的电阻值。是指控制电极之间的电阻值。是指控制电极之间的电阻值。是指控制电极之间的电阻值。R R R R0 0 0 0指霍尔元件输出电极间的电阻。指霍尔元件输出电极间的电阻。指霍尔元件输出电极间的电阻。指霍尔元件输出电极间的电阻。Ri Ri Ri Ri、R R R R0 0 0 0可以在无磁场时用欧姆表等测量。可以在无磁场时用欧姆表等测量。可以在无磁场时用欧姆表等测量。可以在无磁场时用欧姆表等测量。第15页，本讲稿共40页4.4.4.4.霍尔温度系数霍尔温度系数霍尔温度系数霍尔温度系数 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

16、电流下，温度变化在一定的磁感应强度和控制电流下，温度变化在一定的磁感应强度和控制电流下，温度变化1 1 1 1时，霍尔电时，霍尔电时，霍尔电时，霍尔电势变化的百分率。势变化的百分率。势变化的百分率。势变化的百分率。即：即：即：即：3.3.3.3.不等位电势不等位电势不等位电势不等位电势U UU U0 0 0 0在额定控制电流在额定控制电流在额定控制电流在额定控制电流I I I I下，不加磁场时霍尔电极下，不加磁场时霍尔电极下，不加磁场时霍尔电极下，不加磁场时霍尔电极间的空载霍尔电势。间的空载霍尔电势。间的空载霍尔电势。间的空载霍尔电势。第16页，本讲稿共40页5.5.5.5.内阻温度系数内阻温

17、度系数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 1 1 1时，输时，输时，输时，输入电阻与输出电阻变化的百分率。入电阻与输出电阻变化的百分率。入电阻与输出电阻变化的百分率。入电阻与输出电阻变化的百分率。即：即：即：即：6.6.6.6.灵敏度灵敏度灵敏度灵敏度或：或：或：或：减小减小减小减小d d d d;选好的半导体材料选好的半导体材料选好的半导体材料选好的半导体材料第17页，本讲稿共40页 不等位电压是不等位电压是由于元件输出极焊

18、接不对称、厚薄不均匀由于元件输出极焊接不对称、厚薄不均匀以及两个输出极接触不良等原因造成的，以及两个输出极接触不良等原因造成的，可以通过桥路平可以通过桥路平衡的原理加以补偿。衡的原理加以补偿。如图所示，如图所示，因此当控制电流因此当控制电流I流过元件流过元件时，即使磁场强度时，即使磁场强度B等于零，在霍尔电极上仍有电势存在，等于零，在霍尔电极上仍有电势存在，该电势就称为该电势就称为不等位电势不等位电势。7.1.4 7.1.4 7.1.4 7.1.4 霍尔元件的测量误差和补偿霍尔元件的测量误差和补偿霍尔元件的测量误差和补偿霍尔元件的测量误差和补偿1 1 1 1.零位误差及补偿方法零位误差及补偿方

19、法零位误差及补偿方法零位误差及补偿方法第18页，本讲稿共40页图图图图7-4 7-4 7-4 7-4 不等位电势不等位电势不等位电势不等位电势图图图图7-5 7-5 7-5 7-5 霍尔元件的等效电路霍尔元件的等效电路霍尔元件的等效电路霍尔元件的等效电路AIU0BCDDR1R2R4ABCR3R4 在分析不等位电势时，我们把霍尔元件等效为一个电桥，第19页，本讲稿共40页几种常用补偿方法几种常用补偿方法几种常用补偿方法几种常用补偿方法BBBWACDWACD (b)WCADWCDAR2R3R4R1BBWDAR2R3R4R1C（a）（b）（c）WCDAR2R3R4R1B第20页，本讲稿共40页2 2

20、 2 2.温度误差及补偿温度误差及补偿温度误差及补偿温度误差及补偿 由于半导体材料的电阻率、迁移率和载流子浓度等会随温度的变化而发生变化，所以霍尔元件的内阻、输出电压等参数也将随温度而变化。不同材料的内阻及霍尔电压与温度的关系曲线见图，第21页，本讲稿共40页 图中，内阻和霍尔电压都用相对比率表示。我们把图中，内阻和霍尔电压都用相对比率表示。我们把温度每变化温度每变化11时，霍尔元件输入电阻或输出电阻的相对变时，霍尔元件输入电阻或输出电阻的相对变化率称为内阻温度系数，用化率称为内阻温度系数，用表示。表示。把把温度每变化温度每变化11时，时，霍尔电压的相对变化率称为霍尔电压温度系数，用霍尔电压的

21、相对变化率称为霍尔电压温度系数，用表示。表示。第22页，本讲稿共40页(1)(1)(1)(1)利用输入回路串联电阻进行补偿利用输入回路串联电阻进行补偿利用输入回路串联电阻进行补偿利用输入回路串联电阻进行补偿（a a a a）基本电路）基本电路）基本电路）基本电路 （b b b b）等效电路）等效电路）等效电路）等效电路 UHEIREUHtRt(t)RIUHRi(t)UHEIR补偿电阻补偿电阻恒流源恒流源霍尔元件温度补偿的方法很多第23页，本讲稿共40页元件霍尔系数和输入内阻与温度之间的关系式为：元件霍尔系数和输入内阻与温度之间的关系式为：元件霍尔系数和输入内阻与温度之间的关系式为：元件霍尔系数

22、和输入内阻与温度之间的关系式为：则霍尔电压随温度变化的关系式为：则霍尔电压随温度变化的关系式为：则霍尔电压随温度变化的关系式为：则霍尔电压随温度变化的关系式为：由图可知：由图可知：由图可知：由图可知：UHEIR第24页，本讲稿共40页对上式求温度的导数，可得增量表达式：对上式求温度的导数，可得增量表达式：对上式求温度的导数，可得增量表达式：对上式求温度的导数，可得增量表达式：即即即即 ：要使温度变化时霍尔电压不变，必须使要使温度变化时霍尔电压不变，必须使要使温度变化时霍尔电压不变，必须使要使温度变化时霍尔电压不变，必须使 当元件的当元件的当元件的当元件的、及内阻及内阻及内阻及内阻R Ri i0

23、 0确定后，温度补偿电阻确定后，温度补偿电阻确定后，温度补偿电阻确定后，温度补偿电阻R R便可求出。便可求出。便可求出。便可求出。第25页，本讲稿共40页（2 2 2 2）利用输出回路的负载进行补偿）利用输出回路的负载进行补偿）利用输出回路的负载进行补偿）利用输出回路的负载进行补偿 （a a）基本电路）基本电路）基本电路）基本电路 （b b）等效电路）等效电路）等效电路）等效电路 U UHHI II IR RL LU UHtHtR Ri i(t)(t)R Rt t(t)(t)R RL LI IU UHHI I霍尔元件的输入采用霍尔元件的输入采用霍尔元件的输入采用霍尔元件的输入采用恒流源恒流源恒

24、流源恒流源，使控制电流稳定不变。即，使控制电流稳定不变。即，使控制电流稳定不变。即，使控制电流稳定不变。即，可以可以可以可以不考虑输入回路的温度影响不考虑输入回路的温度影响不考虑输入回路的温度影响不考虑输入回路的温度影响第26页，本讲稿共40页 在温度影响下，元件输出电阻和电势变为：在温度影响下，元件输出电阻和电势变为：在温度影响下，元件输出电阻和电势变为：在温度影响下，元件输出电阻和电势变为：此时，此时，此时，此时，R RL L上的电压为上的电压为:负载电阻负载电阻负载电阻负载电阻R R R RL L L L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

25、的极值条件为上电压随温度变化最小的极值条件为U UHHI II IR RL L第27页，本讲稿共40页求解求解求解求解 得：得：得：得：第28页，本讲稿共40页当当当当负载电阻比霍尔元件输出电阻大得负载电阻比霍尔元件输出电阻大得负载电阻比霍尔元件输出电阻大得负载电阻比霍尔元件输出电阻大得多时，输出电阻变多时，输出电阻变多时，输出电阻变多时，输出电阻变化对霍尔电压输出的影响很小。在这种情况下，只考虑化对霍尔电压输出的影响很小。在这种情况下，只考虑化对霍尔电压输出的影响很小。在这种情况下，只考虑化对霍尔电压输出的影响很小。在这种情况下，只考虑在在在在输入端输入端输入端输入端进行补偿即可。进行补偿即

26、可。进行补偿即可。进行补偿即可。若采用若采用若采用若采用恒流源恒流源恒流源恒流源，输入电阻随温度变化而引起的控制电流的，输入电阻随温度变化而引起的控制电流的，输入电阻随温度变化而引起的控制电流的，输入电阻随温度变化而引起的控制电流的变化极小，从而减少了输入端的温度影响。变化极小，从而减少了输入端的温度影响。变化极小，从而减少了输入端的温度影响。变化极小，从而减少了输入端的温度影响。（3 3 3 3）利用恒流源进行补偿）利用恒流源进行补偿）利用恒流源进行补偿）利用恒流源进行补偿第29页，本讲稿共40页对于对于对于对于温度系数大温度系数大温度系数大温度系数大的半导体材料常使用。的半导体材料常使用。

27、的半导体材料常使用。的半导体材料常使用。霍尔输出随温度升高而下降，只要能使控制电流随温度升高而上霍尔输出随温度升高而下降，只要能使控制电流随温度升高而上霍尔输出随温度升高而下降，只要能使控制电流随温度升高而上霍尔输出随温度升高而下降，只要能使控制电流随温度升高而上升，就能进行补偿。例如在输入回路串入热敏电阻，当温度上升升，就能进行补偿。例如在输入回路串入热敏电阻，当温度上升升，就能进行补偿。例如在输入回路串入热敏电阻，当温度上升升，就能进行补偿。例如在输入回路串入热敏电阻，当温度上升时其阻值下降，从而使控制电流上升。时其阻值下降，从而使控制电流上升。时其阻值下降，从而使控制电流上升。时其阻值下

28、降，从而使控制电流上升。（4 4 4 4）利用热敏电阻进行补偿）利用热敏电阻进行补偿）利用热敏电阻进行补偿）利用热敏电阻进行补偿（a a a a）输入回路补偿）输入回路补偿）输入回路补偿）输入回路补偿R RR Rt t第30页，本讲稿共40页（b b b b）输出回路补偿）输出回路补偿）输出回路补偿）输出回路补偿 或在输出回路进行补偿。负载或在输出回路进行补偿。负载或在输出回路进行补偿。负载或在输出回路进行补偿。负载R R R RL L L L上的霍尔电势随温度上上的霍尔电势随温度上上的霍尔电势随温度上上的霍尔电势随温度上升而下降的量被热敏电阻阻值减小所补偿。升而下降的量被热敏电阻阻值减小所补

29、偿。升而下降的量被热敏电阻阻值减小所补偿。升而下降的量被热敏电阻阻值减小所补偿。实际使用时，热敏电阻最好与霍尔元件封在一起或靠近，使实际使用时，热敏电阻最好与霍尔元件封在一起或靠近，使实际使用时，热敏电阻最好与霍尔元件封在一起或靠近，使实际使用时，热敏电阻最好与霍尔元件封在一起或靠近，使它们温度变化一致。它们温度变化一致。它们温度变化一致。它们温度变化一致。R RR RL LR Rt t第31页，本讲稿共40页（5 5 5 5）利用补偿电桥进行补偿利用补偿电桥进行补偿利用补偿电桥进行补偿利用补偿电桥进行补偿调节电位器调节电位器调节电位器调节电位器WWWW1 1 1 1可以消除不等位电势。可以消

30、除不等位电势。可以消除不等位电势。可以消除不等位电势。电桥由温度系数低的电阻构成，在某一桥臂电阻上并联一电桥由温度系数低的电阻构成，在某一桥臂电阻上并联一电桥由温度系数低的电阻构成，在某一桥臂电阻上并联一电桥由温度系数低的电阻构成，在某一桥臂电阻上并联一热敏电阻。温度变化时，热敏电阻将随温度变化而变化，热敏电阻。温度变化时，热敏电阻将随温度变化而变化，热敏电阻。温度变化时，热敏电阻将随温度变化而变化，热敏电阻。温度变化时，热敏电阻将随温度变化而变化，电桥的输出电压相应变化，电桥的输出电压相应变化，电桥的输出电压相应变化，电桥的输出电压相应变化，仔细调节，即可补偿霍仔细调节，即可补偿霍仔细调节，

31、即可补偿霍仔细调节，即可补偿霍尔电势的变化，使其输尔电势的变化，使其输尔电势的变化，使其输尔电势的变化，使其输出电压与温度基本无关。出电压与温度基本无关。出电压与温度基本无关。出电压与温度基本无关。w w1 1w w2 2E E1 1w w3 3R R2 2R R3 3R R4 4R R1 1E E2 2R Rt tU UHtHt第32页，本讲稿共40页7.2 7.2 集成霍尔传感器集成霍尔传感器集成霍尔传感器集成霍尔传感器集成霍尔传感器是利用硅集成电路工艺将霍尔元件和测量线路集成霍尔传感器是利用硅集成电路工艺将霍尔元件和测量线路集成霍尔传感器是利用硅集成电路工艺将霍尔元件和测量线路集成霍尔传

32、感器是利用硅集成电路工艺将霍尔元件和测量线路集成在一起的霍尔传感器。它取消了传感器和测量电路之间的集成在一起的霍尔传感器。它取消了传感器和测量电路之间的集成在一起的霍尔传感器。它取消了传感器和测量电路之间的集成在一起的霍尔传感器。它取消了传感器和测量电路之间的界限，实现了材料、元件、电路界限，实现了材料、元件、电路界限，实现了材料、元件、电路界限，实现了材料、元件、电路三位一体三位一体三位一体三位一体。集成霍尔传感器。集成霍尔传感器。集成霍尔传感器。集成霍尔传感器由于减少了焊点，因此显著地提高了由于减少了焊点，因此显著地提高了由于减少了焊点，因此显著地提高了由于减少了焊点，因此显著地提高了可靠

33、性可靠性可靠性可靠性。此外，它具有。此外，它具有。此外，它具有。此外，它具有体积小、重量轻、功耗低体积小、重量轻、功耗低体积小、重量轻、功耗低体积小、重量轻、功耗低等优点。等优点。等优点。等优点。第33页，本讲稿共40页7.2.1 7.2.1 开关型集成霍尔传感器开关型集成霍尔传感器开关型集成霍尔传感器开关型集成霍尔传感器开关型集成霍尔传感器是把霍尔元件的输出经过处理后输出一开关型集成霍尔传感器是把霍尔元件的输出经过处理后输出一开关型集成霍尔传感器是把霍尔元件的输出经过处理后输出一开关型集成霍尔传感器是把霍尔元件的输出经过处理后输出一个高电平或低电平的数字信号。个高电平或低电平的数字信号。个高

34、电平或低电平的数字信号。个高电平或低电平的数字信号。霍尔开关电路又称霍尔数字电路，由霍尔开关电路又称霍尔数字电路，由霍尔开关电路又称霍尔数字电路，由霍尔开关电路又称霍尔数字电路，由稳压器、霍尔片、差稳压器、霍尔片、差稳压器、霍尔片、差稳压器、霍尔片、差分放大器，施密特触发器和输出级分放大器，施密特触发器和输出级分放大器，施密特触发器和输出级分放大器，施密特触发器和输出级五部分组成。五部分组成。五部分组成。五部分组成。第34页，本讲稿共40页7.2.2 7.2.2 线性集成霍尔传感器线性集成霍尔传感器线性集成霍尔传感器线性集成霍尔传感器线性集成霍尔传感器是把霍尔元件与放大线路集成在一起的线性集成

35、霍尔传感器是把霍尔元件与放大线路集成在一起的线性集成霍尔传感器是把霍尔元件与放大线路集成在一起的线性集成霍尔传感器是把霍尔元件与放大线路集成在一起的传感器。其传感器。其传感器。其传感器。其输出电压与外加磁场成线性比例关系。输出电压与外加磁场成线性比例关系。输出电压与外加磁场成线性比例关系。输出电压与外加磁场成线性比例关系。一般由一般由一般由一般由霍尔元件、差分放大、射极跟随输出及稳压霍尔元件、差分放大、射极跟随输出及稳压霍尔元件、差分放大、射极跟随输出及稳压霍尔元件、差分放大、射极跟随输出及稳压四部四部四部四部分组成，分组成，分组成，分组成，霍尔线性集成传感器广泛用于位置、力、重量、厚度、速度

36、、霍尔线性集成传感器广泛用于位置、力、重量、厚度、速度、霍尔线性集成传感器广泛用于位置、力、重量、厚度、速度、霍尔线性集成传感器广泛用于位置、力、重量、厚度、速度、磁场、电流等的测量或控制。磁场、电流等的测量或控制。磁场、电流等的测量或控制。磁场、电流等的测量或控制。第35页，本讲稿共40页例例例例 霍尔位移传感器霍尔位移传感器霍尔位移传感器霍尔位移传感器第36页，本讲稿共40页将霍尔元件置于磁场中，左半部磁场方向向上，右半部将霍尔元件置于磁场中，左半部磁场方向向上，右半部将霍尔元件置于磁场中，左半部磁场方向向上，右半部将霍尔元件置于磁场中，左半部磁场方向向上，右半部磁场方向向下，从磁场方向向

37、下，从磁场方向向下，从磁场方向向下，从 a a a a端通人电流端通人电流端通人电流端通人电流I I I I，根据霍尔效应，左半，根据霍尔效应，左半，根据霍尔效应，左半，根据霍尔效应，左半部产生霍尔电势部产生霍尔电势部产生霍尔电势部产生霍尔电势V V V VH1H1H1H1，右半部产生露尔电势，右半部产生露尔电势，右半部产生露尔电势，右半部产生露尔电势V V V VH2H2H2H2，其方向，其方向，其方向，其方向相反。因此，相反。因此，相反。因此，相反。因此，c c c c、d d d d两端电势为两端电势为两端电势为两端电势为V V V VH1H1H1H1VVVVH2H2H2H2。如果霍尔元

38、件在。如果霍尔元件在。如果霍尔元件在。如果霍尔元件在初始位置时初始位置时初始位置时初始位置时V V V VH1H1H1H1=V=V=V=VH2H2H2H2，则输出为零；当改变磁极系统与霍尔元，则输出为零；当改变磁极系统与霍尔元，则输出为零；当改变磁极系统与霍尔元，则输出为零；当改变磁极系统与霍尔元件的相对位置时，即可得到输出电压，其大小正比于位移量。件的相对位置时，即可得到输出电压，其大小正比于位移量。件的相对位置时，即可得到输出电压，其大小正比于位移量。件的相对位置时，即可得到输出电压，其大小正比于位移量。第37页，本讲稿共40页式中：式中：k是位移传感器的输出灵敏度。是位移传感器的输出灵敏

39、度。将积分后得：将积分后得：UH=kx说说明明，霍霍尔尔电电势势与与位位移移量量成成线线性性关关系系。霍霍尔尔电电势势的的极极性性反反映映了了元元件件位位移移的的方方向向。磁磁场场梯梯度度越越大大，灵灵敏敏度度越越高高；磁磁场场梯度越均匀，输出线性度越好梯度越均匀，输出线性度越好。若磁场在一定范围内沿x方向的变化梯度dBdx为一常数，则当霍尔元件沿x方向移动时，霍尔电势的变化为：式中：式中：k是位移传感器的输出灵敏度。是位移传感器的输出灵敏度。将积分后得：将积分后得：UH=kx说说明明，霍霍尔尔电电势势与与位位移移量量成成线线性性关关系系。霍霍尔尔电电势势的的极极性性反反映映了了元元件件位位移

40、移的的方方向向。磁磁场场梯梯度度越越大大，灵灵敏敏度度越越高高；磁磁场场梯度越均匀，输出线性度越好梯度越均匀，输出线性度越好。38第38页，本讲稿共40页霍尔式压力传感器霍尔式压力传感器霍尔式压力传感器霍尔式压力传感器图图图图7-30 7-30 7-30 7-30 霍尔压力传感器结构原理图霍尔压力传感器结构原理图霍尔压力传感器结构原理图霍尔压力传感器结构原理图霍尔元件霍尔元件霍尔元件霍尔元件磁钢磁钢磁钢磁钢压力压力压力压力P P波登管波登管波登管波登管N SN SS NS N第39页，本讲稿共40页这类霍尔压力传感器是把压力先转换成位移后，再应用霍尔电势与位移关系测量压力。第40页，本讲稿共40页