自動(dòng)檢測與轉(zhuǎn)換技術(shù)-第七章

1、2022-4-81第第7章章 霍爾傳感器霍爾傳感器本章主要講述內(nèi)容：本章主要講述內(nèi)容：1、霍爾傳感器的工作原理、霍爾傳感器的工作原理2、霍爾元件的基本結(jié)構(gòu)和主要技術(shù)指標(biāo)、霍爾元件的基本結(jié)構(gòu)和主要技術(shù)指標(biāo)3、霍爾元件的測量電路、霍爾元件的測量電路4、霍爾傳感器舉例、霍爾傳感器舉例2022-4-82概述：概述： 霍爾元件是一種基于霍爾效應(yīng)的磁傳感器，得到廣泛的應(yīng)用?？梢詸z測磁場及其變化，可在各種與磁場有關(guān)的場合中使用?；魻柶骷曰魻栃?yīng)為其工作基礎(chǔ)。特點(diǎn)：特點(diǎn)： 霍爾器件具有許多優(yōu)點(diǎn)，它們的結(jié)構(gòu)牢固，體積小，重量輕，壽命長，安裝方便，功耗小，頻率高，耐震動(dòng)，不怕灰塵、油污、水汽及鹽霧等的污染或腐蝕

2、。 第一節(jié)第一節(jié) 霍爾元件的基本工作原理霍爾元件的基本工作原理2022-4-83霍爾效應(yīng)原理圖霍爾效應(yīng)原理圖2022-4-84霍爾元件霍爾元件 金屬或半導(dǎo)體薄片置于磁場中，當(dāng)有電流金屬或半導(dǎo)體薄片置于磁場中，當(dāng)有電流流過時(shí)，在垂直于電流和磁場的方向上將產(chǎn)生流過時(shí)，在垂直于電流和磁場的方向上將產(chǎn)生電動(dòng)勢，這種物理現(xiàn)象稱為霍爾效應(yīng)。電動(dòng)勢，這種物理現(xiàn)象稱為霍爾效應(yīng)。（左手定則左手定則判斷洛倫茲力方向即判斷洛倫茲力方向即自由電子偏轉(zhuǎn)方向自由電子偏轉(zhuǎn)方向）2022-4-85 設(shè)圖中的材料是型半導(dǎo)體，導(dǎo)電的載設(shè)圖中的材料是型半導(dǎo)體，導(dǎo)電的載流子是電子。在軸方向的磁場作用下，電子流子是電子。在軸方向的磁場

3、作用下，電子將受到一個(gè)沿軸負(fù)方向力的作用，這個(gè)力就將受到一個(gè)沿軸負(fù)方向力的作用，這個(gè)力就是洛侖茲力。它的大小為：是洛侖茲力。它的大小為：FL=evB zxyIADBCBlLdUHA、B-霍爾電極 C、D-控制電極F FL LF FL LBI6 電荷的聚積必將產(chǎn)生靜電場，即為霍爾電電荷的聚積必將產(chǎn)生靜電場，即為霍爾電場，該靜電場對電子的作用力為場，該靜電場對電子的作用力為FE與洛侖茲力與洛侖茲力FL方向相反，將阻止電子繼續(xù)偏轉(zhuǎn)，其大小為方向相反，將阻止電子繼續(xù)偏轉(zhuǎn)，其大小為式中式中EH為霍爾電場，為霍爾電場，e為電子電量，為電子電量，UH為霍爾為霍爾電勢，電勢，l為霍爾元件寬度。為霍爾元件寬度。

4、當(dāng)當(dāng)FL = FE時(shí)，電子的積時(shí)，電子的積累達(dá)到動(dòng)平衡，即累達(dá)到動(dòng)平衡，即所以所以lBUHIADBCBlLdUHA、B-霍爾電極C、D-控制電極F FE EF FL L);(lUeBeH7 設(shè)流過霍爾元件的電流為設(shè)流過霍爾元件的電流為 I 時(shí)，時(shí)，ldnedtdQI 式中式中l(wèi)d為與電流方向?yàn)榕c電流方向垂直的截面積，垂直的截面積，n 為單為單位體積內(nèi)自由電子數(shù)位體積內(nèi)自由電子數(shù)(載流子濃度載流子濃度)。則。則nedIBUHIADBCBlLdUHA、B-霍爾電極C、D-控制電極F FL LF FE EldnedtdQInedIBUH2022-4-88令令 neRH1dIBRUHHRH則被定義為霍

5、爾傳感器的霍爾系數(shù)。則被定義為霍爾傳感器的霍爾系數(shù)。由于金屬導(dǎo)體內(nèi)的載流子濃度大于半導(dǎo)由于金屬導(dǎo)體內(nèi)的載流子濃度大于半導(dǎo)體內(nèi)的載流子濃度，所以，半導(dǎo)體霍爾體內(nèi)的載流子濃度，所以，半導(dǎo)體霍爾系數(shù)大于導(dǎo)體。系數(shù)大于導(dǎo)體?；魻栂禂?shù)及靈敏度霍爾系數(shù)及靈敏度則則neRH1dIBRUHH2022-4-89 KH為霍爾元件的靈敏度。為霍爾元件的靈敏度。 由上述討論可知，霍爾元件的靈敏度不僅由上述討論可知，霍爾元件的靈敏度不僅與元件材料的霍爾系數(shù)有關(guān)，還與霍爾元件的與元件材料的霍爾系數(shù)有關(guān)，還與霍爾元件的幾何尺寸有關(guān)。一般要求霍爾元件靈敏度越大幾何尺寸有關(guān)。一般要求霍爾元件靈敏度越大越好，霍爾元件靈敏度的公式

6、可知，霍爾元件越好，霍爾元件靈敏度的公式可知，霍爾元件的厚度的厚度d與與KH成反比。成反比。dRnedKHH1IBKUHH令令 則則dRnedKHH1IBKUHH2022-4-810通過以上分析可知：通過以上分析可知：1）霍爾電壓 UH 與材料的性質(zhì)有關(guān) n 愈大，KH 愈小，霍爾靈敏度愈低； n 愈小，KH 愈大，但若n太小，需施加極高的電壓才能產(chǎn)生很小的電流。因此霍爾元件一般采用N型半導(dǎo)體材料2022-4-8112）霍爾電壓 UH 與元件的尺寸有關(guān)。 d 愈小，KH 愈大，霍爾靈敏度愈高，所以霍爾元件的厚度都比較薄，但 d 太小，會(huì)使元件的輸入、輸出電阻增加。 霍爾電壓 UH 與控制電流及

7、磁場強(qiáng)度成正比，當(dāng)磁場改變方向時(shí)，也改變方向。若磁場B和霍爾元件平面的法線成一角度，則作用于霍爾元件的有效磁感應(yīng)強(qiáng)度為Bcos，因此 UH=KHIBcos2022-4-812IADBCBlLdUHA、B-霍爾電極 C、D-控制電極3）P型半導(dǎo)體，其多數(shù)載流子是空穴，也存在霍爾效應(yīng)，但極性和N型半導(dǎo)體的相反。4）霍爾電壓UH與磁場B和電流I成正比，只要測出UH ，那么B或I的未知量均可利用霍爾元件進(jìn)行測量。2022-4-8132022-4-814一、霍爾元件的基本結(jié)構(gòu)組成一、霍爾元件的基本結(jié)構(gòu)組成由霍爾片、四根引線和殼體組成，如下圖示。由霍爾片、四根引線和殼體組成，如下圖示。第二節(jié)第二節(jié) 霍爾元

8、件的基本結(jié)構(gòu)霍爾元件的基本結(jié)構(gòu)和主要特性參數(shù)和主要特性參數(shù)國產(chǎn)霍爾元件型號的命名方法2022-4-8151、輸入電阻、輸入電阻Ri和輸出電阻和輸出電阻R0 Ri是指流過控制電流的電極（簡稱控制電極）是指流過控制電流的電極（簡稱控制電極）間的電阻值，間的電阻值，R0是是指霍爾元件的霍爾電勢輸出指霍爾元件的霍爾電勢輸出電極（簡稱霍爾電極）間的電阻，單位為電極（簡稱霍爾電極）間的電阻，單位為?？?。可以在無磁場即以在無磁場即B0和室溫（和室溫（20 5）時(shí)，用歐時(shí)，用歐姆表等測量。姆表等測量。2022-4-816二、主要特性參數(shù)二、主要特性參數(shù)2、額定激勵(lì)電流、額定激勵(lì)電流I 和最大激勵(lì)電流和最大激勵(lì)

9、電流IM 霍爾元件在空氣中產(chǎn)生10的溫升時(shí)所施加的激勵(lì)電流稱為額定激勵(lì)電流I。在相同的磁感應(yīng)強(qiáng)度下，I值較大則可獲得較大的霍爾輸出。 霍爾元件限制I 的主要因素是散熱條件。 一般鍺元件的最大允許溫升Tm80，硅元件的Tm175。當(dāng)霍爾元件的溫升達(dá)到Tm時(shí)的IC就是最大激勵(lì)電流Im。2022-4-817 霍爾元件的乘積靈敏度定義為在單位激勵(lì)電流和單位磁感應(yīng)強(qiáng)度下，霍爾電勢輸出端開路時(shí)的電勢值，其單位為V（AT），它反應(yīng)了霍爾元件本身所具有的磁電轉(zhuǎn)換能力，一般希望它越大越好。IBUKHH2022-4-8183、乘積靈敏度KH其定義2022-4-819 在額定激勵(lì)電流 I 之下，不加磁B0時(shí)，霍爾電

10、極間的空載霍爾電勢UH0，稱為不平衡(不等位)電勢，單位為mV。一般要求霍爾元件的UH1mV，好的霍爾元件的UH可以小于0.1mV。不等位電勢UM和額定激勵(lì)電流I之比為不等位電阻RM，即 4 4、不等位電勢、不等位電勢 U UM M 和不等位電阻和不等位電阻 R RM M （工藝工藝）IURMM2022-4-820 不平衡電勢不平衡電勢UH是主要的零位誤差。因?yàn)樵诠な侵饕牧阄徽`差。因?yàn)樵诠に嚿想y以保證霍爾元件兩側(cè)的電極焊接在同一等藝上難以保證霍爾元件兩側(cè)的電極焊接在同一等電位面上。如下圖電位面上。如下圖(a)(a)所示。當(dāng)控制電流所示。當(dāng)控制電流I I流過時(shí)，流過時(shí)，即使末加外磁場，即使末加

11、外磁場，A A、B B兩電極此時(shí)仍存在電位差，兩電極此時(shí)仍存在電位差，此電位差被稱為不等位電勢（不平衡電勢）此電位差被稱為不等位電勢（不平衡電勢）UH。2022-4-821 在一定的磁感應(yīng)強(qiáng)度和控制電流下，溫在一定的磁感應(yīng)強(qiáng)度和控制電流下，溫度變化度變化11時(shí)，霍爾電勢變化的百分率稱為時(shí)，霍爾電勢變化的百分率稱為霍爾電勢溫度系數(shù)霍爾電勢溫度系數(shù)，單位為，單位為1 1。5 5、霍爾電勢溫度系數(shù)、霍爾電勢溫度系數(shù)2022-4-822一、基本測量電路一、基本測量電路 控制電流控制電流I I由電源由電源E E供給，供給，電位器電位器R R調(diào)節(jié)控制電流調(diào)節(jié)控制電流I I的大小。的大小?；魻栐敵鼋迂?fù)載

12、電阻霍爾元件輸出接負(fù)載電阻R RL L，R RL L可以是放大器的輸入電阻或可以是放大器的輸入電阻或測量儀表的內(nèi)阻。由于霍爾元測量儀表的內(nèi)阻。由于霍爾元件必須在磁場與控制電流作用件必須在磁場與控制電流作用下，才會(huì)產(chǎn)生霍爾電勢下，才會(huì)產(chǎn)生霍爾電勢U UH H，所，所以在測量中，可以把以在測量中，可以把 I I與與 B B 的的 第三節(jié)第三節(jié) 霍爾元件的測量電路及補(bǔ)償霍爾元件的測量電路及補(bǔ)償乘積、或者乘積、或者 I I，或者，或者 B B 作為輸入情號，則霍爾元件作為輸入情號，則霍爾元件的輸出電勢分別正比于的輸出電勢分別正比于 IB IB 或或 I I 或或 B B。 2022-4-823 為了獲

13、得較大的霍爾輸出電勢，可為了獲得較大的霍爾輸出電勢，可以采用幾片疊加的連接方式。下圖以采用幾片疊加的連接方式。下圖(a)為直流為直流供電，控制電流端并聯(lián)輸出串聯(lián)。下圖供電，控制電流端并聯(lián)輸出串聯(lián)。下圖(b)為為交流供電，控制電流端串聯(lián)變壓器疊加輸出。交流供電，控制電流端串聯(lián)變壓器疊加輸出。連接方式連接方式2022-4-824 由于載流子濃度等隨溫度變化而變化，因由于載流子濃度等隨溫度變化而變化，因此會(huì)導(dǎo)致霍爾元件的內(nèi)阻、霍爾電勢等也隨溫此會(huì)導(dǎo)致霍爾元件的內(nèi)阻、霍爾電勢等也隨溫度變化而變化。這種變化程度隨不同半導(dǎo)體材度變化而變化。這種變化程度隨不同半導(dǎo)體材料有所不同。而且溫度高到一定程度，產(chǎn)生的

14、料有所不同。而且溫度高到一定程度，產(chǎn)生的變化相當(dāng)大。溫度誤差是霍爾元件測量中不可變化相當(dāng)大。溫度誤差是霍爾元件測量中不可忽視的誤差。忽視的誤差。 針對溫度變化導(dǎo)致內(nèi)阻針對溫度變化導(dǎo)致內(nèi)阻( (輸入、輸出電阻輸入、輸出電阻) )的變化，可以采用對輸入或輸出電路的電阻進(jìn)的變化，可以采用對輸入或輸出電路的電阻進(jìn)行補(bǔ)償。行補(bǔ)償。 二、溫度誤差及其補(bǔ)償二、溫度誤差及其補(bǔ)償（一）采用恒流源提供控制電流 對于上圖所示的基本測量電路， 設(shè)溫度由T增加到T+T， 因霍爾片的電子濃度n增加，從而使霍爾元件的乘積靈敏度由 KH減小到KH（1T）， 其中是KH的溫度系數(shù)。2022-4-825 另一方面霍爾元件輸入電阻

15、由Ri減小減小到Ri （1T）。其中是Ri的溫度系數(shù)。 輸入電阻的變化將使控制電流由I IC變?yōu)镮 ICIC， 此時(shí)霍爾電勢將由UHKHICB變?yōu)閁H UH KH （1T）（）（I ICIC ）B。 要使 UH 0，必須I IC （1T） （I ICIC ）2022-4-826)1 ()1 ()1 (TRTRTRIIIRRRIIiCCiC 要滿足I IC （1T） （I ICIC ），為此采用上圖所示的電源為恒流源的測量電路，電路中并聯(lián)一個(gè)起分流作用的補(bǔ)償電阻R。根據(jù)上圖可得2022-4-827式中 補(bǔ)償電阻R的溫度系數(shù)。)1 ()1 ()1 ()1 (TRTRTRITRRRIii)1 ()1

16、 ()1 (TRTRTRIIIRRRIIiCCiC2022-4-828將這兩式代入對上式進(jìn)行整理，并忽略（T）2 項(xiàng)可得得到iRR)(1 (CCCIITICI2022-4-829 對于一個(gè)確定的霍爾元件，對于一個(gè)確定的霍爾元件，和和值可由元件參數(shù)表查得，值可由元件參數(shù)表查得，R Ri i可可在無外磁場和室溫條件下直接測在無外磁場和室溫條件下直接測得。因此只要選擇適當(dāng)?shù)难a(bǔ)償電得。因此只要選擇適當(dāng)?shù)难a(bǔ)償電阻，使其阻，使其R R和和滿足上式，就可在滿足上式，就可在輸入回路實(shí)現(xiàn)對溫度誤差的補(bǔ)償輸入回路實(shí)現(xiàn)對溫度誤差的補(bǔ)償了。了。iRR（二）合理選擇負(fù)載電阻0RRRUULLHL 如上圖所示，若霍爾電勢輸

17、出端接負(fù)載電阻RL，則當(dāng)溫度為T時(shí)，RL上的電壓可表示為：2022-4-830式中 R0霍爾元件的輸出電阻。 當(dāng)溫度由T變?yōu)門+T時(shí)，則RL上的電壓變?yōu)?1 ()1 (0TRRRTUUULLHLL)1 ()1 (00TRRRTURRRULLHLLH2022-4-831式中 霍爾電勢的溫度系數(shù)； 霍爾元件輸出電阻的溫度系數(shù)。 要使UL不受溫度變化的影響，即UL0，由上兩式可知，必須對上式進(jìn)行整理可得0RRL0RRL2022-4-832 對于一個(gè)確定的霍爾元件，可以方便地獲得、和R0的值，因此只要使負(fù)載電阻RL滿足上式，就可在輸出回路實(shí)現(xiàn)對溫度誤差的補(bǔ)償了。雖然RL通常是放大器的輸入電阻或表頭內(nèi)阻

18、，其值是一定的，但可通過串、并聯(lián)電阻來調(diào)整RL的值。（三）采用熱敏元件對于由溫度系數(shù)較大的半導(dǎo)體材料（如銻化銦）制成的霍爾元件，常采用右圖所示的溫度補(bǔ)償電路，圖中Rt是熱敏元件(熱電阻或熱敏電阻)。2022-4-833圖（a）是在輸入回路進(jìn)行溫度補(bǔ)償電路，當(dāng)溫度變化時(shí)，用Rt的變化來抵消霍爾元件的乘積靈敏度KH和輸入電阻Ri變化對霍爾輸出電勢UH的影響。2022-4-83435圖（b）則是在輸出回路進(jìn)行溫度補(bǔ)償?shù)碾娐?，?dāng)溫度變化時(shí)，用Rt的變化來抵消霍爾電勢UH和輸出電阻R0變化對負(fù)載電阻RL上的電壓UL的影響。 在安裝測量電路時(shí)，應(yīng)使熱敏元件和霍爾元件的溫度一致。36 不等位電勢是霍爾元件在

19、加控制電流而不加外磁場時(shí)，而出現(xiàn)的霍爾電勢稱為零位誤差。 在分析不等位電勢時(shí)，可將霍爾元件等效為一個(gè)電橋，如右圖所示?？刂齐姌OA、B和霍爾電極C、D可看作電橋的電阻連接點(diǎn)。它們之間分布電阻R1、R2、R3、R4構(gòu)成四個(gè)橋臂，控制電壓可視為電橋的工作電壓。三、不等位電勢的補(bǔ)償三、不等位電勢的補(bǔ)償2022-4-837 理想情況下，不等位電勢UM=0，對應(yīng)于電橋的平衡狀態(tài)，此時(shí)R1R2R3R4。 如果霍爾元件的UM0，則電橋就處于不平衡狀態(tài)，此時(shí)R1、R2、R3、R4的阻值有差異，UM就是電橋的不平衡輸出電壓。 只要能使電橋達(dá)到平衡的方法都可作為不等位電勢的補(bǔ)償方法。（一）基本補(bǔ)償電路（一）基本補(bǔ)償

20、電路 霍爾元件的不等位電勢補(bǔ)償電路有多種形式，圖97為兩種常見電路，其中RW是調(diào)節(jié)電阻。 基本補(bǔ)償電路沒有考慮溫度變化的影響。當(dāng)溫度發(fā)生變化，需要重新進(jìn)行平衡調(diào)節(jié)。2022-4-838（二）具有溫度補(bǔ)償?shù)难a(bǔ)償電路 右圖是一種常見的具有溫度補(bǔ)償?shù)牟坏任浑妱菅a(bǔ)償電路。該補(bǔ)償電路本身也接成橋式電路，其工作電壓有霍爾元件的控制電壓提供；其中一個(gè)為熱敏電阻Rt，并且于霍爾元件的等效電阻的溫度特性相同。2022-4-839 在該電橋的負(fù)載電阻RP2上取出電橋的部分輸出電壓（稱為補(bǔ)償電壓），與霍爾元件的輸出電壓反向串聯(lián)。在磁感應(yīng)強(qiáng)度B為零時(shí)，調(diào)節(jié)RP1和RP2，使補(bǔ)償電壓抵消霍爾元件此時(shí)輸出的不等位電勢，從而使B0時(shí)的總輸出電壓為零。2022-4-840 在霍爾元件的工作溫度下限T1時(shí)，熱敏電阻的阻值為Rt（T1）。電位器RP2保持在某一確定位置，通過調(diào)節(jié)電位器的RP1來調(diào)節(jié)補(bǔ)償電橋的工作電壓，使補(bǔ)償電壓抵消此時(shí)的不等位電勢UML，此時(shí)的補(bǔ)償電壓稱為恒定補(bǔ)償電壓。2022-4-841 當(dāng)工作溫度T1升高到T1 T時(shí)，熱敏電阻的阻值為Rt（T1 T ）。RP1保持不變，通過調(diào)節(jié)RP2，使補(bǔ)償電壓抵消此時(shí)的不等位電勢UML UM。此時(shí)的補(bǔ)償電壓實(shí)際上包含了兩個(gè)分量，一個(gè)是抵消工作溫度為T1時(shí)的不等位電勢UML的恒定補(bǔ)償電壓分量，另一個(gè)是抵消工作溫度升高T時(shí)的不等位電勢的變化量UM的變化補(bǔ)償