磁电式传感器霍尔传感器.pptx

《磁电式传感器霍尔传感器.pptx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《磁电式传感器霍尔传感器.pptx（27页珍藏版）》请在淘文阁 - 分享文档赚钱的网站上搜索。

1、霍尔传感器的工作原理霍尔传感器的工作原理1 1霍尔效应霍尔效应 半导体薄片置于磁感应强度为半导体薄片置于磁感应强度为B B 的磁场中，磁场方向垂直于的磁场中，磁场方向垂直于薄片，当有电流薄片，当有电流I I 流过薄片时，在垂直于电流和磁场的方向上流过薄片时，在垂直于电流和磁场的方向上将产生电动势将产生电动势E EH H，这种现象称为霍尔效应。，这种现象称为霍尔效应。磁感应强度磁感应强度B B为零时的情况为零时的情况A AB BC CD D第1页/共27页当有图示方向磁场当有图示方向磁场B B作用时作用时 作作用用在在半半导导体体薄薄片片上上的的磁磁场场强强度度B B越越强强，霍霍尔尔电电势势也

2、也就就越越高高。霍尔电势霍尔电势U UH H可用下式表示：可用下式表示：UH=KH IB第2页/共27页霍尔效应演示霍尔效应演示 当磁场垂直于薄片时，电子受到洛仑兹力的作用，向内当磁场垂直于薄片时，电子受到洛仑兹力的作用，向内侧偏移，在半导体薄片侧偏移，在半导体薄片A A、B B方向的端面之间建立起霍尔电方向的端面之间建立起霍尔电势。势。A AB BC CD D第3页/共27页可以推出，霍尔电动势可以推出，霍尔电动势UH的大小为：的大小为：式式中中：kH为为灵灵敏敏度度系系数数，kH=RH/d，表表示示在在单单位位磁磁感感应应强强度度和和单单位位控控制制电电流流时时的的霍霍尔尔电电动动势势的的

3、大大小小,与与材材料料的的物物理理特特性性（霍霍尔尔系系数）和几何尺寸数）和几何尺寸d d有关；有关；霍霍尔尔系系数数RH1/(nq)，由由材材料料物物理理性性质质所所决决定定，q为为电电子子电电荷荷量量 ；n为材料中的电子浓度。为材料中的电子浓度。为磁场和薄片法线夹角。为磁场和薄片法线夹角。a第4页/共27页 结论：结论：霍尔电势与输入电流霍尔电势与输入电流I I、磁感应强度、磁感应强度B B成正比，成正比，且当且当B B的方向改变时，霍尔电势的方向也随之改变。如的方向改变时，霍尔电势的方向也随之改变。如果所施加的磁场为交变磁场，则霍尔电势为同频率的果所施加的磁场为交变磁场，则霍尔电势为同频

4、率的交变电势。交变电势。金金属属材材料料中中的的自自由由电电子子浓浓度度n很很高高，因因此此RH很很小小，不不宜宜作作霍霍尔尔元元件件。霍霍尔尔元元件件多多用用载载流流子子迁迁移移率率大大的的N型型半半导导体体材材料料制制作作。另另外外，霍霍尔尔元元件件越越薄薄(d越越小小)，kH就就越越大大，所所以以通通常常霍霍尔尔元元件件都都较较薄薄。薄薄膜膜霍霍尔尔元元件件的的厚厚度只有度只有1 1 左右。左右。mm第5页/共27页2 2霍尔元件霍尔元件霍霍 尔尔 片片 是是 一一 块块 矩矩 形形 半半 导导 体体 单单 晶晶 薄薄 片片(一一 般般 为为4 4mm2mm2mm0.1mm0.1mm)m

5、m)，经经研研磨磨抛抛光光，然然后后用用蒸蒸发发合合金金法法或或其其他他方方法法制制作作欧欧姆姆接接触触电电极极，最最后后焊焊上上引引线线并并封封装装。而而薄薄膜膜霍霍尔尔元元件件则则是是在在一一片片极极薄薄的的基基片片上上用用蒸蒸发发或或外外延延的的方方法法做做成成霍霍尔尔片片，然然后后再再制制作作欧欧姆姆接接触触电电极极，焊焊上上引引线线最最后后封封装装。一一般般控控制制端端引引线线采采用用红红色色引引线线，而而霍霍尔尔输输出出端端引引线线则则采采用用绿绿色色引引线线。霍霍尔尔元元件件的的壳壳体用非导磁金属、陶瓷或环氧树脂封装。体用非导磁金属、陶瓷或环氧树脂封装。(a)(a)霍尔元件外形霍

6、尔元件外形 (b)(b)电路符号电路符号 (c)(c)基本应用电路基本应用电路第6页/共27页3 3霍尔元件的主要特性及材料霍尔元件的主要特性及材料 1)1)霍尔元件的主要特性参数霍尔元件的主要特性参数(1)(1)灵灵敏敏度度k kH H：表表示示元元件件在在单单位位磁磁感感应应强强度度和和单单位位控控制制电电流流下下所所得到的开路（得到的开路（R RL L=）霍尔电动势，单位为）霍尔电动势，单位为V/(AV/(AT)T)。(2)(2)霍尔输入电阻霍尔输入电阻R Ri i：霍尔控制电流电极间的电阻值。：霍尔控制电流电极间的电阻值。(3)(3)霍尔输出电阻霍尔输出电阻R Ro o：霍尔输出电极间

7、的电阻值。：霍尔输出电极间的电阻值。(4)(4)霍霍尔尔电电阻阻的的温温度度系系数数：表表示示在在一一定定的的磁磁感感应应强强度度和和控控制制电电流流的的条条件件下下，环环境境温温度度每每变变化化11时时霍霍尔尔元元件件材材料料的的电阻变化率，单位为电阻变化率，单位为%/%/。第7页/共27页 1)1)霍尔元件的主要特性参数霍尔元件的主要特性参数(6)(6)额额定定控控制制电电流流I Icmcm：空空气气中中的的霍霍尔尔元元件件产产生生允允许许温温升升T=10T=10时的控制电流，一般为几毫安到几百毫安。时的控制电流，一般为几毫安到几百毫安。(7)(7)不等位电势不等位电势U U0 0：外加磁

8、场为：外加磁场为0 0，霍尔元件在额定控制电流下，霍尔元件在额定控制电流下，两霍尔电极之间的开路电动势。两霍尔电极之间的开路电动势。U U0 0越小越好，一般地，越小越好，一般地，U U0 0小于小于1mV1mV。（8 8）不等位电阻）不等位电阻r r0 0:r r0 0=U=U0 0/Icm/Icm。(5)(5)霍霍尔尔电电动动势势的的温温度度系系数数：表表示示在在一一定定的的磁磁感感应应强强度度和和控控制制电电流流的的条条件件下下，环环境境温温度度每每变变化化11时时霍霍尔尔电电势势的的相相对对变变化化率率单位为单位为%/%/。第8页/共27页3 3霍尔元件的主要特性及材料霍尔元件的主要特

9、性及材料 1)1)霍尔元件的主要特性参数霍尔元件的主要特性参数(9)(9)霍霍尔尔最最大大允允许许激激励励电电流流I Imaxmax：以以霍霍尔尔元元件件允允许许最最大大温升为限制所对应的激励电流称为最大允许激励电流。温升为限制所对应的激励电流称为最大允许激励电流。(10)(10)霍霍尔尔寄寄生生直直流流电电势势U UODOD：在在外外加加磁磁场场为为零零、霍霍尔尔元元件件用用交交流流激激励励时时，霍霍尔尔电电极极输输出出除除了了交交流流不不等等位位电电动动势势外，还有一直流电势，称为寄生直流电势。外，还有一直流电势，称为寄生直流电势。第9页/共27页 2)2)霍尔元件的材料霍尔元件的材料锗锗

10、(Ge)(Ge)、硅、硅(Si)(Si)、锑化铟、锑化铟(InSb)(InSb)、砷化铟、砷化铟(InAs)(InAs)和砷化镓和砷化镓(GaAs)(GaAs)是常见的制作霍尔元件的几种半导体材料。表是常见的制作霍尔元件的几种半导体材料。表6-26-2所列所列为制作霍尔元件的几种半导体材料主要参数。为制作霍尔元件的几种半导体材料主要参数。电阻率电阻率电子迁移率电子迁移率 材料材料(单晶单晶)禁带宽度禁带宽度Eg/(eV)/(cm)/(cm/Vs)霍尔系数霍尔系数RH/(cmC-1-1)N型锗型锗(Ge)0.661.0350042504000N型硅型硅(Si)1.1071.51500225018

11、40锑化铟锑化铟(InSb)0.170.005600003504200砷化铟砷化铟(InAs)0.360.0035250001001530磷砷铟磷砷铟(InAsP)0.630.08105008503000哪种材料制作的霍尔元件灵敏度高哪种材料制作的霍尔元件灵敏度高第10页/共27页不不等等位位电电动动势势产产生生的的原原因因是是由由于于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一等位面上。同一等位面上。4 4 霍尔元件的误差及补偿霍尔元件的误差及补偿 1 1霍尔元件的零位误差与

12、补偿霍尔元件的零位误差与补偿霍霍尔尔元元件件的的零零位位误误差差是是指指在在无无外外加加磁磁场场或或无无控控制制电电流流的的情情况况下下，霍霍尔尔元元件件产产生生输输出出电电压压并并由由此此而而产产生生的的误误差差。它它主主要要表表现现为为以以下几种具体形式。下几种具体形式。1)1)不等位电动势不等位电动势不不等等位位电电动动势势是是零零位位误误差差中中最最主主要要的的一一种种，它它是是当当霍霍尔尔元元件件在在额额定定控控制制电电流流(元元件件在在空空气气中中温温升升1010所所对对应应的的电电流流)作作用用下下，不不加加外外磁磁场时，霍尔输出端之间的空载电动势。场时，霍尔输出端之间的空载电动

13、势。第11页/共27页此此外外,霍霍尔尔片片电电阻阻率率不不均均匀匀，或或片片厚厚薄薄不不均均匀匀，或或控控制制电电流流极极接接触触不不良良都都将将使使等等位位面面歪歪斜斜，如如图图所所示示，致致使使两两霍霍尔尔电电极极不不在在同同一等位面上而产生不等位电动势。一等位面上而产生不等位电动势。2)2)寄生直流电势寄生直流电势在在无无磁磁场场的的情情况况下下，元元件件通通入入交交流流电电流流，输输出出端端除除交交流流不不等等位位电电压压以以外外的的直直流流分分量量称称为为寄寄生生直直流流电电势势。产产生生寄寄生生直直流流电电势势的的原原因因有有两两个个方方面面：(1)(1)由由于于控控制制电电极极

14、焊焊接接处处接接触触不不良良而而造造成成一一种种整整流流效效应应，使使控控制制电电流流因因正正、反反向向电电流流大大小小不不等等而而具具有有一一定定的的直直流流分分量量。(2)(2)输输出出电电极极焊焊点点热热容容量量不不相相等等产产生生温温差差电电动动势势。对对于于锗锗霍霍尔尔元元件件，当当交交流流控控制制电电流流为为2020 mAmA时时，输输出出电电极极的的寄寄生生直流电压小于直流电压小于100 100 。第12页/共27页 3)3)感应零电动势感应零电动势感感应应零零电电动动势势是是在在未未通通电电流流的的情情况况下下，由由于于脉脉动动或或交交变变磁磁场场的的作作用用，在在输输出出端端

15、产产生生的的电电动动势势。根根据据电电磁磁感感应应定定律律，感感应应电电动动势势的的大大小小与与霍霍尔尔元元件件输输出出电电极极引引线线构构成成的的感感应应面面积积成正比，如图所示。成正比，如图所示。4)4)自激场零电动势自激场零电动势霍霍尔尔元元件件控控制制电电流流产产生生自自激激场场，如如图图所所示示。由由于于元元件件的的左左右右两两半半场场相相等等，故故产产生生的的电电动动势势方方向向相相反反而而抵抵消消。实实际际应应用用时时由由于于控控制制电电流流引引线线也也产产生生磁磁场场，使使元元件件左左右右两两半半场场强强不不等等，因因而而有有霍霍尔尔电电动动势势输输出出，这这一一输输出出电电动

16、动势即是自激场零电动势。势即是自激场零电动势。第13页/共27页在在上上述述的的4 4种种零零位位误误差差中中，寄寄生生直直流流电电动动势势、感感应应零零电电动动势势以以及及自自激激场场零零电电动动势势，是是由由于于制制作作工工艺艺上上的的原原因因而而造造成成的的误误差差，可可以以通通过过工工艺艺水水平平的的提提高高加加以以解解决决。而而不不等等位位电电动动势势所所造造成成的的零零位位误误差，则必须通过补偿电路给予克服。差，则必须通过补偿电路给予克服。在在理理想想情情况况下下R R1 1=R R2 2=R R3 3=R R4 4，即即可可取取得得零零位位电电动动势势为为零零(或或零零位位电电阻

17、阻为为零零)，从从而而消消除除不不等等位位电电动动势势。实实际际上上，若若存存在在零零位位电电动动势势，则则说说明明此此4 4个个电电阻阻不不完完全全相相等等，即即电电桥桥不不平平衡衡。为为使使其其达达到到平平衡衡，可可在在阻阻值值较较大大的的桥桥臂臂上上并并联联可可调调电电阻阻R RP P或或在在两两个个臂臂上上同同时时并并联联电电阻阻R RP P和和R R。霍尔元件结构及等效电路如图霍尔元件结构及等效电路如图第14页/共27页霍尔元件零位误差补偿电路霍尔元件零位误差补偿电路 2 2霍尔元件的温度误差及补偿霍尔元件的温度误差及补偿与与一一般般半半导导体体一一样样，由由于于电电阻阻率率、迁迁移

18、移率率以以及及载载流流子子浓浓度度随随温温度度变变化化，所所以以霍霍尔尔元元件件的的性性能能参参数数如如输输入入、输输出出电电阻阻,霍霍尔尔常常数数等也随温度而变化，致使霍尔电动势变化，产生温度误差。等也随温度而变化，致使霍尔电动势变化，产生温度误差。第15页/共27页将将温温度度每每变变化化11时时，霍霍尔尔元元件件输输入入电电阻阻或或输输出出电电阻阻的的相相对对变变化化率率R Ri i/R Ro o称称为为内内阻阻温温度度系系数，用数，用 表示。表示。将将温温度度每每变变化化11时时，霍霍尔尔电电压压的的相相对对变变化化率率U UHtHt/U UH0H0称称为为霍霍尔电压温度系数，用尔电压

19、温度系数，用 表示。表示。哪种材料制作的霍尔元件温度误差小哪种材料制作的霍尔元件温度误差小第16页/共27页几种温度误差的补偿方法几种温度误差的补偿方法1)1)采用恒压源和输入回路串联电阻采用恒压源和输入回路串联电阻 补偿基本电路及等效电路如图补偿基本电路及等效电路如图霍尔电压随温度变化的关系式为：霍尔电压随温度变化的关系式为：对对上上式式求求温温度度的的导导数数得得，要要使使温温度度变变化化时时霍霍尔尔电电压压不不变变，必必须须使外接电阻：使外接电阻：第17页/共27页 2)2)合理选择负载电阻合理选择负载电阻R RL L的阻值的阻值霍尔元件的输出电阻霍尔元件的输出电阻R Ro o和霍尔电动

20、势和霍尔电动势U UH H都是温度的函数都是温度的函数(设为正设为正温度系数温度系数)，当霍尔元件接有负载，当霍尔元件接有负载R RL L时，在时，在R RL L上的电压为：上的电压为：为了负载上的电压不随温度变化，应使为了负载上的电压不随温度变化，应使dUL/d(t-t0)=0，即，即式中：式中：R Ro0o0为温度为温度t t0 0时的霍尔元件输出电阻。时的霍尔元件输出电阻。可采用串、并连电阻的方法使上式成立来补偿温度误差，但可采用串、并连电阻的方法使上式成立来补偿温度误差，但霍尔元件的灵敏度将会降低。霍尔元件的灵敏度将会降低。第18页/共27页 3)3)采用温度补偿元件采用温度补偿元件(

21、如热敏电阻、电阻丝如热敏电阻、电阻丝)这是一种常用的温度误差补偿方法。由于热敏电阻具有负温度这是一种常用的温度误差补偿方法。由于热敏电阻具有负温度系数，电阻丝具有正温度系数，可采用输入回路串接热敏电阻，系数，电阻丝具有正温度系数，可采用输入回路串接热敏电阻，输入回路并接电阻丝，或输出端串接热敏电阻对具有负温度系数输入回路并接电阻丝，或输出端串接热敏电阻对具有负温度系数的锑化铟材料霍尔元件进行温度补偿。可采用输入端并接热敏电的锑化铟材料霍尔元件进行温度补偿。可采用输入端并接热敏电阻方式对输出具有正温度系数的霍尔元件进行温度补偿。一般来阻方式对输出具有正温度系数的霍尔元件进行温度补偿。一般来说，温

22、度补偿电路、霍尔元件和放大电路应集成在一起制成集成说，温度补偿电路、霍尔元件和放大电路应集成在一起制成集成霍尔传感器。霍尔传感器。5 5 霍尔传感器的应用霍尔传感器的应用霍霍尔尔元元件件具具有有结结构构牢牢固固、工工艺艺成成熟熟、体体积积小小、寿寿命命长长、线线性性度度好好、频频率率高高、耐耐振振动动、不不怕怕灰灰尘尘、油油污污、水水汽汽及及盐盐雾雾等等的的污污染染或或腐腐蚀蚀的的优优点点，目目前前，霍霍尔尔传传感感器器是是全全球球使使用用量量排排名名第第三三的的传传感感器器产产品品，它它被被广广泛泛应应用用到到工工业业、汽汽车车业业、计计算算机机、手手机机以以及及新兴消费电子领域中。新兴消费

23、电子领域中。第19页/共27页5 5 霍尔传感器的应用霍尔传感器的应用1 1 霍尔转速传感器霍尔转速传感器 在被测转速的转轴上安装一个齿盘，也可选取机械系统中的在被测转速的转轴上安装一个齿盘，也可选取机械系统中的一个齿轮，将线性型霍尔器件及磁路系统靠近齿盘。齿盘的转动一个齿轮，将线性型霍尔器件及磁路系统靠近齿盘。齿盘的转动使磁路的磁阻随气隙的改变而周期性地变化，霍尔器件输出的微使磁路的磁阻随气隙的改变而周期性地变化，霍尔器件输出的微小脉冲信号经隔直、放大、整形后可以确定被测物的转速。小脉冲信号经隔直、放大、整形后可以确定被测物的转速。S SN N霍尔器件霍尔器件磁铁磁铁第20页/共27页霍尔转

24、速表原理霍尔转速表原理 当齿对准霍尔元件时，磁力线集中穿过霍尔元件，可产当齿对准霍尔元件时，磁力线集中穿过霍尔元件，可产生较大的霍尔电动势，放大、整形后输出高电平；反之，生较大的霍尔电动势，放大、整形后输出高电平；反之，当齿轮的空挡对准霍尔元件时，输出为低电平。当齿轮的空挡对准霍尔元件时，输出为低电平。第21页/共27页霍尔转速表的其他安装方法霍尔转速表的其他安装方法 只要金属旋转体的表面存在缺口或突起，就可产生磁场强只要金属旋转体的表面存在缺口或突起，就可产生磁场强度的脉动，从而引起霍尔电势的变化，产生转速信号。度的脉动，从而引起霍尔电势的变化，产生转速信号。霍尔元件霍尔元件磁铁磁铁第22页

25、/共27页2 2位移测量位移测量B B第23页/共27页2 2位移测量位移测量第24页/共27页3 3霍尔机械振动传感器霍尔机械振动传感器11霍尔元件；霍尔元件；22平板（非磁性材料）；平板（非磁性材料）；33顶杆；顶杆；44触点；触点；55外壳；外壳；66磁系磁系统统 触点触点4 4与被测对象接触，整个组件随被测与被测对象接触，整个组件随被测体做机械振动。霍尔元件输出的霍尔电动体做机械振动。霍尔元件输出的霍尔电动势可反映出被测振动的频率和幅度。势可反映出被测振动的频率和幅度。第25页/共27页3 3电流测量电流测量霍尔钳形电流表霍尔钳形电流表 测量原理测量原理 第26页/共27页感谢您的观看。感谢您的观看。第27页/共27页