磁电式传感器霍尔传感器1.pptx

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1、霍尔式传感器霍尔式传感器 霍尔传感器是基于霍尔效应的一种传感器。霍尔传感器是基于霍尔效应的一种传感器。18791879年美国物理学家霍尔首先在金属材料中年美国物理学家霍尔首先在金属材料中发现了霍尔效应发现了霍尔效应,但由于但由于金属材料金属材料的霍尔效的霍尔效应太弱而没有得到应用。随着半导体技术的应太弱而没有得到应用。随着半导体技术的发展发展,开始用开始用半导体材料半导体材料制成霍尔元件制成霍尔元件,由由于它的霍尔效应显著而得到应用和发展。霍于它的霍尔效应显著而得到应用和发展。霍尔传感器广泛用于电磁测量、压力、加速度、尔传感器广泛用于电磁测量、压力、加速度、振动等方面的测量。振动等方面的测量。

2、霍尔元件是一霍尔元件是一种四端元件种四端元件第1页/共67页 霍霍尔尔式式传传感感器器是是基基于于霍霍尔尔效效应应而而将将被被测测量量转转换换成成电电动动势势输输出出的的一一种种传传感感器器。霍霍尔尔器器件件是是一一种种磁磁敏敏传传感感器器，利利用用半半导导体体元元件件对对磁磁场场敏敏感感的的特特性性来来实实现现磁磁电电转转换换，它它们们可可以以检检测测磁磁场场及及其其变变化化，可可在各种与磁场有关的场合中使用。在各种与磁场有关的场合中使用。按按照照霍霍尔尔器器件件的的功功能能可可将将它它们们分分为为：霍霍尔尔线线性性器器件件和和霍霍尔尔开开关器件关器件，前者输出模拟量，后者输出数字量。，前者

3、输出模拟量，后者输出数字量。霍霍尔尔器器件件具具有有许许多多优优点点，它它们们的的结结构构牢牢固固，体体积积小小，重重量量轻轻，寿寿命命长长，安安装装方方便便，功功耗耗小小，频频率率高高(可可达达1 1MHz)MHz)，耐耐振振动动，不不怕灰尘、油污、水汽及盐雾等的污染或腐蚀。怕灰尘、油污、水汽及盐雾等的污染或腐蚀。霍霍尔尔线线性性器器件件的的精精度度高高、线线性性度度好好；霍霍尔尔开开关关器器件件无无触触点点、无无磨磨损损、输输出出波波形形清清晰晰、无无抖抖动动、无无回回跳跳、位位置置重重复复精精度度高高。采采用用了了各各种种补补偿偿和和保保护护措措施施的的霍霍尔尔器器件件的的工工作作温温度

4、度范范围围宽宽，可可达达-55-55+150+150。第2页/共67页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3页/共67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

5、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4页/共67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5页/共67页一、一、霍尔效应霍尔效应图图 霍尔效应霍尔效应UHbldIFLFEvB第6页/共67页所以，霍尔电压所以，霍尔电压UH可表示为可表示为 UHH=EH

6、b=vBb设霍尔元件为设霍尔元件为N N型型半导体，当它通电流半导体，当它通电流I I时时 FL=qvB 当电场力与洛仑兹力相等时，达到动态平衡，当电场力与洛仑兹力相等时，达到动态平衡，这时有这时有 qEH=qvB故霍尔电场的强度为故霍尔电场的强度为故霍尔电场的强度为故霍尔电场的强度为 E EHH=vBvB第7页/共67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所以：所以：UH H=-BI/nqd 若取若取 RH H=-1/nq 则则 RH被定义

7、为霍尔元件的被定义为霍尔元件的霍尔系数霍尔系数。显然，霍尔系。显然，霍尔系数由半导体材料的性质决定，它反映材料霍尔效数由半导体材料的性质决定，它反映材料霍尔效应的强弱。应的强弱。n为半导体中的电子浓度，即单位体积中的电子数，负号表为半导体中的电子浓度，即单位体积中的电子数，负号表示电子运动方向与电流方向相反。示电子运动方向与电流方向相反。第8页/共67页设KH即为霍尔元件的灵敏度，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.单位是mV/（mAT）第9页/共67页材料中电子在电场作用下材料中电子在电场作用下材料中电子在电场作用下材料中电子在电场作用下运动速度的大小运动

8、速度的大小运动速度的大小运动速度的大小常用常用常用常用载流子迁移载流子迁移载流子迁移载流子迁移率率率率来表征，即来表征，即来表征，即来表征，即在单位电场强度作用下，载流子的平均速度在单位电场强度作用下，载流子的平均速度在单位电场强度作用下，载流子的平均速度在单位电场强度作用下，载流子的平均速度值值值值。即。即。即。即所以所以而而比较得出电阻率比较得出电阻率比较得出电阻率比较得出电阻率 与霍尔系数与霍尔系数与霍尔系数与霍尔系数R RHH和和和和载流子迁移率载流子迁移率载流子迁移率载流子迁移率 之之之之间的关系：间的关系：间的关系：间的关系：或或第10页/共67页结论：结论：如果是如果是P型半导体

9、，其载流子是空型半导体，其载流子是空穴，若空穴浓度为穴，若空穴浓度为p，同理可得，同理可得 霍尔电压霍尔电压UH与材料的性质有关。与材料的性质有关。由上式可知由上式可知、大，霍尔系数就大。大，霍尔系数就大。金属金属 虽然很大，但虽然很大，但 很小，不宜做成霍尔很小，不宜做成霍尔元件；绝缘材料的元件；绝缘材料的 很高，但很高，但 很小，也不很小，也不能做霍尔元件。故霍尔传感器中的霍尔元件能做霍尔元件。故霍尔传感器中的霍尔元件都是都是半导体材料制成的。制成的。第11页/共67页 霍尔电压霍尔电压UH与控制电流及磁场强度有关。与控制电流及磁场强度有关。霍尔电压霍尔电压UH与元件的尺寸有关。与元件的尺

10、寸有关。根据上式，根据上式，d愈小，愈小，KH愈大，霍尔灵敏度愈大，霍尔灵敏度愈高愈高.所以霍尔元件的厚度都比较薄，薄膜霍尔元所以霍尔元件的厚度都比较薄，薄膜霍尔元件的厚度只有件的厚度只有1 m左右。但左右。但d过小，会使元件过小，会使元件的输入、输出电阻增加。的输入、输出电阻增加。第12页/共67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

11、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13页/共67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)mm)，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

12、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14页/共67页二、霍尔元件材料二、霍尔元件材料电阻率、载流子迁移率、霍尔系数电阻率、载流子迁移率、霍尔系数1

13、 1锗锗(Ge)(Ge)，N N型及型及P P型均可。型均可。2 2硅硅(Si)(Si)N N型及型及P P型均可。型均可。3 3砷化铟砷化铟(InAs)(InAs)和锑化铟和锑化铟(InSb)(InSb)，这两，这两种材料的特性很相似种材料的特性很相似。第15页/共67页 霍尔元件的构造及测量电路霍尔元件的构造及测量电路 基于霍尔效应工作的半导体器件称为基于霍尔效应工作的半导体器件称为霍尔元件，霍尔元件多采用霍尔元件，霍尔元件多采用N N型半导体型半导体材料。霍尔元件越薄材料。霍尔元件越薄(d d 越小越小)，k kH H 就就越大。霍尔元件由霍尔片、四根引线越大。霍尔元件由霍尔片、四根引线

14、和壳体组成，如图所示。和壳体组成，如图所示。第16页/共67页一、构一、构 造造第17页/共67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(一般为一般为4mm2mm0.1mm)4mm2mm0.1mm)，它的长度方向两端面上，它的长度方向两端面上焊有焊有a a、b b两根引线，通常用两根引线，通常用红色导线红色导线，其焊其焊接处称为接处称为控制电极控制电极；在它的另两侧端面的中；在它的另两侧端面的中间以点的形式对称地焊有间以点的形式对称地焊有c c、d d两根霍尔输出两根霍尔输出引线，通常用引线，通常用绿色导线绿色导线，其焊接处称为，其焊接处称为霍尔霍尔电极。电极。第18页/共67

15、页 2)2)霍尔元件的材料霍尔元件的材料锗锗(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

16、(Si)1.1071.5150022501840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19页/共67页霍尔元件的技术参数霍尔元件的技术参数1.1.额定激励电流额定激励电流I IH H使霍尔元件温升使霍尔元件温升1010C C所施加的控制电流值。当霍尔元件所施加的控制电流值。当霍尔元件做好后，限制额定电流的主要因素是散热条件。做好后，限制额定电流的主要因素是散热条件。2.2.

17、输入电阻输入电阻R Ri i和输出电阻和输出电阻R RO OR Ri i 是指控制电流极之间的电阻值。是指控制电流极之间的电阻值。R R0 0 指霍尔电极间的电阻值。指霍尔电极间的电阻值。R Ri i 、R R0 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。第20页/共67页 3.3.不等位电势不等位电势U U0 0及零位电阻及零位电阻r r0 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。

18、当霍尔元件的激励电流为当霍尔元件的激励电流为I I时时,若元件所处位置磁感若元件所处位置磁感应强度为零应强度为零,则它的霍尔电势应该为零则它的霍尔电势应该为零,但实际不为零。但实际不为零。这时测得的空载霍尔电势称不等位电势。这时测得的空载霍尔电势称不等位电势。第21页/共67页产产生生的的原原因因有有:霍霍尔尔电电极极安安装装位位置置不不对对称称或或不不在在同同一一等等电电位位面面上上;半半导导体体材材料料不不均均匀匀造造成成了了电电阻阻率率不不均均匀匀或或是是几几何何尺尺寸寸不不均均匀匀（如如片片厚厚薄薄不不均均匀匀等等）;激激励励电电极极接接触触不不良良造造成成激激励励电电流流不不均匀分布

19、等。均匀分布等。这些工艺上问题都将使等位面歪斜，致使两霍尔电极不在同这些工艺上问题都将使等位面歪斜，致使两霍尔电极不在同一等位面上而产生不等位电势。一等位面上而产生不等位电势。u 不等位电阻不等位电阻 不等位电势也可用不等位电阻表示:式中式中式中式中:U:U:U:U0 0 0 0不等位电势不等位电势不等位电势不等位电势;r r r r0 0 0 0不等位电阻不等位电阻不等位电阻不等位电阻;I I I IH H H H激励电流。激励电流。激励电流。激励电流。由由由由上上上上式式式式可可可可以以以以看看看看出出出出,不不不不等等等等位位位位电电电电势势势势就就就就是是是是激激激激励励励励电电电电流

20、流流流流流流流经经经经不不不不等等等等位位位位电电电电阻阻阻阻r r r r0 0 0 0所产生的电压。所产生的电压。所产生的电压。所产生的电压。第22页/共67页4、寄生直流电势、寄生直流电势当当不不加加外外磁磁场场，控控制制电电流流改改用用额额定定交交流流电电流流时时，霍霍尔尔电电极极间间的的空空载载电电势势为为直直流流与与交交流流电电势势之之和和。其其中中的的交交流流霍霍尔尔电电势势与与前前述述零零位位电电势势相相对对应应，而而直流霍尔电势是个寄生量，称为寄生直流电势直流霍尔电势是个寄生量，称为寄生直流电势V V。5、热阻热阻RQ它它表表示示在在霍霍尔尔电电极极开开路路情情况况下下，在在

21、霍霍尔尔元元件件上上输输入入lmWlmW的的电电功功率率时时产产生生的的温温升升，单单位位为为0 0C CmWmW。所所以以称称它它为为热热阻阻是是因因为为这这个个温温升升的的大大小小在在一一定定条条件件下与电阻有关下与电阻有关.第23页/共67页6.6.灵敏度灵敏度减小减小d d;选好的半导体材料选好的半导体材料第24页/共67页霍尔元件的主要技术参数霍尔元件的主要技术参数第25页/共67页霍尔片基本测量电路图如下所示。霍尔片基本测量电路图如下所示。（1）霍尔器件为四端口元件，其中）霍尔器件为四端口元件，其中1-3为（为（控制控制）电极；）电极；2-4为（为（霍尔霍尔）电极；）电极；（2）霍

22、尔元件的输入电阻是指（）霍尔元件的输入电阻是指（控制）电极间的电阻值，输出电阻控制）电极间的电阻值，输出电阻是指（是指（霍尔霍尔）电极间的电阻值。）电极间的电阻值。（3）霍尔片的不等位电势）霍尔片的不等位电势U0由不等位电阻由不等位电阻r0引起，发生在（引起，发生在（霍尔）霍尔）电极上电极上.第26页/共67页二、测量电路二、测量电路 霍尔元件的基本测量电路如图霍尔元件的基本测量电路如图5-5-2222所示。所示。激励电流由电源激励电流由电源E E供给，可供给，可变电阻变电阻R RP P用来调节激励电流用来调节激励电流I I的大小。的大小。R RL L为输出霍尔电势为输出霍尔电势U UH H的

23、负载电阻。通的负载电阻。通常它是显示仪表、记录装置或放大器常它是显示仪表、记录装置或放大器的输入阻抗。的输入阻抗。第27页/共67页图5-22 霍尔元件的基本测量电路第28页/共67页（a）基本测量电路）基本测量电路WUHRLEW1W2UHUH（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29页/共67页霍尔元件的转换效率较低，实际应用中，可将几个霍尔元件的转换效率较低，实际应用中，可将几个霍尔元件的输出串联或采用运算放大器放大，以获霍尔元件的输出串联或采用运算

24、放大器放大，以获得较大的得较大的U UH H。霍尔元件的连接电路霍尔元件的连接电路第30页/共67页练习题1、制作霍尔元件应采用的材料是 ，因为半导体材料能使截流子的 的乘积最大，而使两个端面出现 差最大。2、霍尔片不等位电势是如何产生的原因是重要起因是 焊接在同一等位面上。3、霍尔电动势与哪些因素有关?如何提高霍尔传感器的灵敏度?3答：第31页/共67页练习题1、制作霍尔元件应采用的材料是半导体材料，因为半导体材料能使截流子的迁移率与电阻率的乘积最大，而使两个端面出现电势差最大。2、霍尔片不等位电势是如何产生的原因是重要起因是不能将霍尔电极焊接在同一等位面上。3、霍尔电动势与哪些因素有关?如

25、何提高霍尔传感器的灵敏度?3答：霍尔电动势与霍尔电场EH、载流导体或半导体的宽度b、载流导体或半导体的厚度d、电子平均运动速度u、磁场感应强度B、电流I有关。霍尔传感器的灵敏度KH=RH/d。为了提高霍尔传感器的灵敏度，霍尔元件常制成薄片形。又因为霍尔元件的灵敏度与载流子浓度成反比，所以可采用自由电子浓度较低的材料作霍尔元件。第32页/共67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。霍尔元件的误

26、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

27、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势。第33页/共67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

28、有两两个个方方面面：(1)(1)由由于于控控制制电电极极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34页/共67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

29、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

30、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动势即是自激场零电动势。势即是自激场零电动势。第35页/共67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

31、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36页/共67页霍尔元件补偿电路霍尔元件补偿电路1 1 1 1.不等位电势的补偿不等位电势的补偿不等位电势的补偿不等位电势的补

32、偿不等位电势不等位电势AIU0BCDDR1R2R4ABCR3R4 霍尔元件的等效电路霍尔元件的等效电路第37页/共67页图 不等位电势的补偿电路第38页/共67页 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39页/共67页将将温温度度每每变变化化11时时，霍霍尔尔元元件件

33、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，用尔电压温度系数，用 表示。表示。第40页/共67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

34、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41页/共67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

35、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42页/共67页 3)3)采用温度补偿元件采用温度补偿元件(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

36、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。第43页/共67页2.温度误差及补偿温度误差及补偿温度误差温度误差 霍霍尔尔元元件件是是采采用用半半导导体体材材料料制制成成的的,因因此此它它们们的的许许多多参参数数都都具具有有较较大大的的温温度度系系数数。当当温温度度变变化化时时,霍霍尔尔元元件件的的

37、电电阻阻率率及及霍霍尔尔系系数数都都将将发发生生变变化化,从从而而使使霍霍尔尔元元件件产产生生温温度误差。度误差。霍尔系数与温度的关系可写成霍尔系数与温度的关系可写成 ：KH=KH0(1+T)霍尔元件的输入电阻与温度变化的关系可写成霍尔元件的输入电阻与温度变化的关系可写成 r =r0(1+T)第44页/共67页（1）分流电阻法分流电阻法 为了减小霍尔元件的温度误差为了减小霍尔元件的温度误差,除除选用温度系数小选用温度系数小的元件或采用恒温措施的元件或采用恒温措施外外,由由U UH H=K=KH HIBIB可看出：采用恒流可看出：采用恒流源供电是个有效措施源供电是个有效措施,可以使霍尔电势稳定。

38、可以使霍尔电势稳定。但也但也只只能减小由于输入电阻随温度变化而引起的激励电流能减小由于输入电阻随温度变化而引起的激励电流I I变变化所带来的影响。化所带来的影响。大多数霍尔元件的温度系数大多数霍尔元件的温度系数 是正值是正值,它们的霍尔它们的霍尔电势随温度升高而增加电势随温度升高而增加（1+1+TT）倍。如果）倍。如果,与此同时与此同时让激励电流让激励电流I I相应地减小相应地减小,并能保持并能保持 K KH HI I 乘积不变乘积不变,也就抵消了灵敏系数也就抵消了灵敏系数K KH H 增加的影响。图增加的影响。图 5-6 5-6 就是按此就是按此思路设计的一个既简单、思路设计的一个既简单、补

39、偿效果又较好的补偿电路。补偿效果又较好的补偿电路。第45页/共67页UH 恒恒流流源源的的分分流流电电阻阻温温度度补补偿偿法法常常采采用用分分流流电电阻阻R0与与霍霍尔尔元元件件的的激激励励电电极极相相并并联联。当当霍霍尔尔元元件件的的输输入入电电阻阻随随温温度度升升高高而而增增加加时时,旁旁路路分分流流电电阻阻R0自自动动地地加加强强分分流流,减减少少了霍尔元件的激励电流了霍尔元件的激励电流I,从而达到补偿的目的。从而达到补偿的目的。在在图图 所所示示的的温温度度补补偿偿电电路路中中,设设初初始始温温度度为为T0,霍霍尔尔元元件件输输入入电电阻阻为为r0,灵灵敏敏系系数数为为KH,分分流流电

40、电阻阻为为R0,根根据据分分流流概念得概念得图 分流电阻补尝电路示意图分流电阻补尝电路示意图I IC CI I0 0第46页/共67页当温度升至当温度升至T T时时,电路中各参数变为电路中各参数变为 r =r0(1+T)R=R0(1+T)KH=KH0(1+T)式中:霍尔元件输入电阻温度系数霍尔元件输入电阻温度系数;分流电阻温度系数分流电阻温度系数。则 第47页/共67页 UH0=UH KH0IH0B=KHIHB则 KH0IH0=KH IH 将前面的式子代入上式,经整理并略去、(T)2高次项后得 当当霍霍尔尔元元件件选选定定后后,它它的的输输入入电电阻阻r r0 0和和温温度度系系数数 及及霍霍

41、尔尔电电势势温温度度系系数数 是是确确定定值值。由由上上式式即即可可计计算算出出分分流流电电阻阻R R0 0及及所所需需的的温温度度系系数数值值。为为了了满满足足R R0 0及及两两个个条条件件,分分流流电电阻阻可可取取温温度度系系数数不不同同的的两两种种电电阻阻的的串串、并并联联组合组合,这样虽然麻烦但效果很好。这样虽然麻烦但效果很好。虽虽然然温温度度升升高高T,T,为为使使霍霍尔尔电电势势不不变变,补补偿偿电电路路必必须满足温升前、须满足温升前、后的霍尔电势不变后的霍尔电势不变,即即 第48页/共67页(2)(2)电桥补偿法电桥补偿法调节电位器调节电位器调节电位器调节电位器W W W W1

42、 1 1 1可以消除不等位电势。可以消除不等位电势。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电桥由温度系数低的电阻构成，在某一桥臂电阻上并联电桥由温度系数低的电阻构成，在某一桥臂电阻上并联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。当温度变化时，热敏电阻将随温度变化而一热敏电阻。当温度变化时，热敏电阻将随温度变化而一热敏电阻。当温度变化时，热敏电阻将随温度变化而一热敏电阻。当温度变化时，热敏电阻将随温度变化而变化，使电桥的输出电压变化，使电桥的输出电压变化，使电桥的输出电压变化，使电桥的输出电压相应变化，仔细调节，即相应变化，仔细

43、调节，即相应变化，仔细调节，即相应变化，仔细调节，即可补偿霍尔电势的变化，可补偿霍尔电势的变化，可补偿霍尔电势的变化，可补偿霍尔电势的变化，使其输出电压与温度基本使其输出电压与温度基本使其输出电压与温度基本使其输出电压与温度基本无关。无关。无关。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49页/共67页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

44、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。新兴消费电子领域中。第50页/共67页霍尔式传感器的应用举例霍尔式传感器的应用举例 霍尔电势是关于霍尔电势是关于I、B、三个变量三个变量的函数，即的函数，即UH=KHIBcos 。利用这。利用这个关系可以使其中两个量不变，将第个关系可以使其中两个量不变，将第三个量作为变量，或者固定其中一个三个量作为变量，或者固定其中一个量，其余两个

45、量都作为变量。这使得量，其余两个量都作为变量。这使得霍尔传感器有许多用途。霍尔传感器有许多用途。第51页/共67页检测磁场检测磁场检测磁场是霍尔式传感器最典型的应用之检测磁场是霍尔式传感器最典型的应用之一。将霍尔器件做成各种形式的探头，放一。将霍尔器件做成各种形式的探头，放在被测磁场中，使磁力线和器件表面垂直，在被测磁场中，使磁力线和器件表面垂直，通电后即可输出与被测磁场的磁感应强度通电后即可输出与被测磁场的磁感应强度成线性正比的电压。成线性正比的电压。第52页/共67页霍尔位移传感器霍尔位移传感器第53页/共67页霍尔式位移传感器原理示意图第54页/共67页将霍尔元件置于磁场中，左半部磁场方

46、向向上，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，从右半部磁场方向向下，从 a a端通入电流端通入电流I I，根据霍，根据霍尔效应，左半部产生霍尔电势尔效应，左半部产生霍尔电势V VH1H1，右半部产生，右半部产生霍尔电势霍尔电势V VH2H2，其方向相反。因此，其方向相反。因此，c c、d d两端电两端电势为势为V VH1H1VVH2H2。如果霍尔元件在初始位置时。如果霍尔元件在初始位置时V VH1H1=V=VH2H2，则输出为零；当改变磁极系统与霍尔，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，其大小元件的相对位置时，即可得到输出电压，其大小正比

47、于位移量。正比于位移量。第55页/共67页霍尔式压力传感器霍尔式压力传感器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56页/共67页霍尔转速传感器霍尔转速传感器霍尔转速传感器结构霍尔转速传感器结构输入轴输入轴输入轴输入轴输入轴输入轴输入轴输入轴霍尔传感器霍尔传感器霍尔传感器霍尔传感器（a a）（b b）第57页/共67页霍尔传感器的应用霍尔传感器的应用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

48、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58页/共67页霍尔转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

49、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59页/共67页钢丝绳断丝检测钢丝绳断丝检测霍尔效应钢丝绳断丝检测装置 第60页/共67页铁磁材料裂纹检测铁磁材料裂纹检测 NS第61页/共67页汽车霍尔电子点火器汽车霍尔电子点火器霍尔传感器霍尔传感器霍尔传感器霍尔传感器隔磁罩隔磁罩隔磁罩隔磁罩磁钢磁钢磁钢磁钢缺口缺口缺口缺口霍尔传感器霍尔传感器霍尔传感器霍尔传感器隔磁罩隔磁罩隔磁罩隔磁罩磁钢磁钢磁钢磁钢缺口缺口缺口缺口 当缺口对准霍尔元件时，磁通通过霍尔传感器形当缺口对准霍尔元件时，磁通通过霍尔传感器形当缺口对准霍尔元件时，磁通通过霍

50、尔传感器形当缺口对准霍尔元件时，磁通通过霍尔传感器形成闭合回路，电路导通，霍尔电路输出成闭合回路，电路导通，霍尔电路输出成闭合回路，电路导通，霍尔电路输出成闭合回路，电路导通，霍尔电路输出 0.4V0.4V的的的的低电平低电平低电平低电平；当隔磁罩竖边的凸出部分挡在霍尔元件和磁体之间时，当隔磁罩竖边的凸出部分挡在霍尔元件和磁体之间时，当隔磁罩竖边的凸出部分挡在霍尔元件和磁体之间时，当隔磁罩竖边的凸出部分挡在霍尔元件和磁体之间时，电路截止，霍尔电路输出电路截止，霍尔电路输出电路截止，霍尔电路输出电路截止，霍尔电路输出高电平高电平高电平高电平。第62页/共67页测量铁心测量铁心 气隙的气隙的B B