第7章-霍爾式傳感器及應(yīng)用

1、2022-5-241第第7 7章章 霍爾式傳感器及應(yīng)用霍爾式傳感器及應(yīng)用 2022-5-242引言引言n霍爾傳感器是基于霍爾效應(yīng)的一種傳感器?；魻杺鞲衅魇腔诨魻栃?yīng)的一種傳感器。n1879年美國(guó)物理學(xué)家霍爾首先在金屬材料中年美國(guó)物理學(xué)家霍爾首先在金屬材料中發(fā)現(xiàn)了霍爾效應(yīng)，但由于金屬材料的霍爾效應(yīng)發(fā)現(xiàn)了霍爾效應(yīng)，但由于金屬材料的霍爾效應(yīng)太弱而沒有得到應(yīng)用。太弱而沒有得到應(yīng)用。n隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，開始用半導(dǎo)體材料制隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，開始用半導(dǎo)體材料制成霍爾元件，由于它的霍爾效應(yīng)顯著而得到應(yīng)成霍爾元件，由于它的霍爾效應(yīng)顯著而得到應(yīng)用和發(fā)展。用和發(fā)展。n霍爾傳感器廣泛用于電磁測(cè)量、壓力、加速

2、度、霍爾傳感器廣泛用于電磁測(cè)量、壓力、加速度、振動(dòng)等方面的測(cè)量。振動(dòng)等方面的測(cè)量。2022-5-243主要章節(jié)主要章節(jié)n7.1霍爾效應(yīng)及霍爾元件霍爾效應(yīng)及霍爾元件 n7.2霍爾傳感器實(shí)用電路霍爾傳感器實(shí)用電路2022-5-2447.1霍爾效應(yīng)及霍爾元件霍爾效應(yīng)及霍爾元件n金屬或半導(dǎo)體薄片置于磁感應(yīng)強(qiáng)度金屬或半導(dǎo)體薄片置于磁感應(yīng)強(qiáng)度B的磁的磁場(chǎng)（磁場(chǎng)方向垂直與薄片）中，當(dāng)有電場(chǎng)（磁場(chǎng)方向垂直與薄片）中，當(dāng)有電流流I通過時(shí)，在垂直于電流和磁場(chǎng)的方向通過時(shí)，在垂直于電流和磁場(chǎng)的方向上將產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)上將產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)UH，這種物理現(xiàn)象稱為，這種物理現(xiàn)象稱為霍爾效應(yīng)。該電勢(shì)霍爾效應(yīng)。該電勢(shì)UH 稱霍爾電勢(shì)。稱

3、霍爾電勢(shì)。7.1.1 霍霍 爾爾 效效 應(yīng)應(yīng) 2022-5-245霍爾效應(yīng)原理霍爾效應(yīng)原理n一塊長(zhǎng)為一塊長(zhǎng)為L(zhǎng)、寬為、寬為W、厚為、厚為d的的N型半導(dǎo)型半導(dǎo)體薄片，位于磁感應(yīng)強(qiáng)度為體薄片，位于磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的磁場(chǎng)中，的磁場(chǎng)中，B垂直于垂直于L-W平面，沿平面，沿L通電流通電流I，N型半型半導(dǎo)體的載流體導(dǎo)體的載流體-電子將受到電子將受到B產(chǎn)生的洛侖產(chǎn)生的洛侖茲力茲力FB的作用的作用 BeFvB2022-5-246n在力在力FB的作用下，電子向半導(dǎo)體片的一的作用下，電子向半導(dǎo)體片的一個(gè)側(cè)面偏轉(zhuǎn)，在該側(cè)面上形成電子的積個(gè)側(cè)面偏轉(zhuǎn)，在該側(cè)面上形成電子的積累，而在相對(duì)的另一側(cè)面上因缺少電子累，而在相對(duì)的

4、另一側(cè)面上因缺少電子而出現(xiàn)等量的正電荷。在這兩個(gè)側(cè)面上而出現(xiàn)等量的正電荷。在這兩個(gè)側(cè)面上產(chǎn)生霍爾電場(chǎng)產(chǎn)生霍爾電場(chǎng)EH。該電場(chǎng)使運(yùn)動(dòng)電子受。該電場(chǎng)使運(yùn)動(dòng)電子受有電場(chǎng)力有電場(chǎng)力FEEHeFE2022-5-247n電場(chǎng)力阻止電子繼續(xù)向原側(cè)面積累，當(dāng)電場(chǎng)力阻止電子繼續(xù)向原側(cè)面積累，當(dāng)電子所受電場(chǎng)力和洛侖茲力相等時(shí)，電電子所受電場(chǎng)力和洛侖茲力相等時(shí)，電荷的積累達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，由于存在荷的積累達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，由于存在EH，半導(dǎo)體片兩側(cè)面間出現(xiàn)電位差半導(dǎo)體片兩側(cè)面間出現(xiàn)電位差UH ，稱為，稱為霍爾電勢(shì)霍爾電勢(shì) HHHRUIBK IBd2022-5-248n磁場(chǎng)與薄片法線夾角為磁場(chǎng)與薄片法線夾角為 HHcosUK

5、 IB2022-5-249常用的霍爾元件材料常用的霍爾元件材料 n鍺、硅、砷化銦、銻化銦等半導(dǎo)體材料。鍺、硅、砷化銦、銻化銦等半導(dǎo)體材料。其中其中N型鍺容易加工制造，其霍爾系數(shù)、型鍺容易加工制造，其霍爾系數(shù)、溫度性能和線性度都較好。溫度性能和線性度都較好。N型硅的線型硅的線性度最好，其霍爾系數(shù)、溫度性能同性度最好，其霍爾系數(shù)、溫度性能同N型鍺相近。銻化銦對(duì)溫度最敏感，尤其型鍺相近。銻化銦對(duì)溫度最敏感，尤其在低溫范圍內(nèi)溫度系數(shù)大，但在室溫時(shí)在低溫范圍內(nèi)溫度系數(shù)大，但在室溫時(shí)其霍爾系數(shù)較大。砷化銦的霍爾系數(shù)較其霍爾系數(shù)較大。砷化銦的霍爾系數(shù)較小，溫度系數(shù)也較小，輸出特性線性度小，溫度系數(shù)也較小，輸

6、出特性線性度好。好。 2022-5-2410常用國(guó)產(chǎn)霍爾元件的技術(shù)參數(shù)常用國(guó)產(chǎn)霍爾元件的技術(shù)參數(shù) 參參 數(shù)數(shù) 名名 稱稱符號(hào)符號(hào)單位單位HZ-1型型HZ-2型型HZ-3型型HZ-4型型HT-1型型HT-2型型HS-1型型材料（材料（N）型）型Ge（111）Ge（111）Ge（111）Ge（100）InSbInSbInAS電阻率電阻率 cm0.81.20.81.20.81.20.40.50.0030.010.0030.050.01幾何尺寸幾何尺寸Lbdmm3840.2420.2840.2840.2630.2840.2840.2輸入電阻輸入電阻Ri 11020%11020%11020%4520%0

7、.820%0.820%1.220%輸出電阻輸出電阻Ru 10020%10020%10020%4020%0.520%0.520%120%靈敏度靈敏度KHmV/(mAT)12121241.820%1.820%120%不等位電阻不等位電阻ro 0.070.050.070.020.0050.0050.0032022-5-24117.1.2 霍爾元件基本結(jié)構(gòu)霍爾元件基本結(jié)構(gòu) n霍爾片、引線和殼體組成霍爾片、引線和殼體組成 1霍爾元件的結(jié)構(gòu)霍爾元件的結(jié)構(gòu)2022-5-24122.霍爾元件的連接霍爾元件的連接 n（1）當(dāng)控制電流為直流輸入時(shí)，為了得）當(dāng)控制電流為直流輸入時(shí)，為了得到較大的霍爾輸出，可將幾塊霍

8、爾元件到較大的霍爾輸出，可將幾塊霍爾元件的輸出串聯(lián)。但控制電流必須并聯(lián)，決的輸出串聯(lián)。但控制電流必須并聯(lián)，決不能串聯(lián)。因?yàn)榇?lián)起來將有大部分控不能串聯(lián)。因?yàn)榇?lián)起來將有大部分控制電流被相連的霍爾電勢(shì)極短接。制電流被相連的霍爾電勢(shì)極短接。 2022-5-2413n（2）當(dāng)控制電流為交流輸入時(shí)，可采用）當(dāng)控制電流為交流輸入時(shí)，可采用如圖連接方式，這樣可以增加霍爾輸出如圖連接方式，這樣可以增加霍爾輸出電勢(shì)及功率。電勢(shì)及功率。2022-5-24147.1.3 霍爾元件主要參數(shù)及其誤差霍爾元件主要參數(shù)及其誤差 n（1）乘積靈敏度）乘積靈敏度KHn（2）額定控制電流）額定控制電流Icmn（3）磁靈敏度）磁

9、靈敏度KBn（4）輸入電阻）輸入電阻Ri、輸出電阻、輸出電阻R。n（5）不等位電勢(shì)）不等位電勢(shì)Uo和不等位電阻和不等位電阻Ron（6）寄生直流電勢(shì)）寄生直流電勢(shì)UODn（7）霍爾電勢(shì)溫度系數(shù)）霍爾電勢(shì)溫度系數(shù)n（8）工作溫度范圍）工作溫度范圍1主要特性參數(shù)主要特性參數(shù)2022-5-24152.霍爾元件的誤差及補(bǔ)償霍爾元件的誤差及補(bǔ)償 n（1）不等位電勢(shì)的補(bǔ)償）不等位電勢(shì)的補(bǔ)償n不等位電勢(shì)的大小和極性與控制電流的不等位電勢(shì)的大小和極性與控制電流的大小和方向有關(guān)大小和方向有關(guān) n不等位電勢(shì)的大小和相位隨交流控制電不等位電勢(shì)的大小和相位隨交流控制電流而變流而變 n不等位電勢(shì)與控制電流之間并非線性關(guān)不

10、等位電勢(shì)與控制電流之間并非線性關(guān)系，而且系，而且U 0還隨溫度而變還隨溫度而變 2022-5-2416常用的不等位電勢(shì)的補(bǔ)償電路常用的不等位電勢(shì)的補(bǔ)償電路 霍爾元件的零位誤差主要由不等位電勢(shì)和寄生直流電勢(shì)等，不等位電勢(shì)Um是霍爾誤差中最主要的一種。Um產(chǎn)生的原因是由于制造工藝不可能保證兩個(gè)霍爾電極絕對(duì)對(duì)稱地焊在霍爾片的兩側(cè)，導(dǎo)致兩電極點(diǎn)不能完全位于同一等位面上；此外霍爾片電阻率不均勻或片厚薄不均勻或控制電流極接觸不良將使等位面歪斜，致使兩霍爾電極不在同一等位面上而產(chǎn)生不等電勢(shì)。補(bǔ)償方法（1）工藝措施（2）補(bǔ)償電路2022-5-2417霍爾元件等效為一個(gè)四臂電橋，補(bǔ)償電路使電橋達(dá)到平衡，以此來補(bǔ)

11、償不等位電動(dòng)勢(shì)2022-5-2418（2）溫度補(bǔ)償）溫度補(bǔ)償n 恒流源供電，輸入端并聯(lián)電阻；或恒恒流源供電，輸入端并聯(lián)電阻；或恒壓源供電，輸入端串聯(lián)電阻壓源供電，輸入端串聯(lián)電阻 輸入端并聯(lián)電阻補(bǔ)償 輸入端串聯(lián)電阻補(bǔ)償 2022-5-2419 合理選擇負(fù)載電阻合理選擇負(fù)載電阻n霍爾電勢(shì)的負(fù)載通常是放大器、顯示器霍爾電勢(shì)的負(fù)載通常是放大器、顯示器或記錄儀的輸入電阻，其值一定，可用或記錄儀的輸入電阻，其值一定，可用串、并聯(lián)電阻的方法使輸出負(fù)載電壓不串、并聯(lián)電阻的方法使輸出負(fù)載電壓不變，但此時(shí)，靈敏度將相應(yīng)有所降低。變，但此時(shí)，靈敏度將相應(yīng)有所降低。2022-5-2420 采用熱敏元件采用熱敏元件n最

12、常采用的補(bǔ)償方法最常采用的補(bǔ)償方法 2022-5-2421幾種補(bǔ)償電路幾種補(bǔ)償電路 采用熱敏元件的溫度誤差補(bǔ)償電路 2022-5-24227.2霍爾傳感器實(shí)用電路霍爾傳感器實(shí)用電路n將霍爾元件、放大器、施密特觸發(fā)器以及輸出將霍爾元件、放大器、施密特觸發(fā)器以及輸出電路等集成在一塊芯片上，為用戶提供了一種電路等集成在一塊芯片上，為用戶提供了一種簡(jiǎn)化的和較完善的磁敏傳感器簡(jiǎn)化的和較完善的磁敏傳感器n其輸出信號(hào)快，傳送過程中無(wú)抖動(dòng)現(xiàn)象，且功其輸出信號(hào)快，傳送過程中無(wú)抖動(dòng)現(xiàn)象，且功耗低，對(duì)溫度的變化是穩(wěn)定的，靈敏度與磁場(chǎng)耗低，對(duì)溫度的變化是穩(wěn)定的，靈敏度與磁場(chǎng)移動(dòng)速度無(wú)關(guān)。移動(dòng)速度無(wú)關(guān)。n霍爾集成傳感器

13、分為線性集成電路和開關(guān)集成霍爾集成傳感器分為線性集成電路和開關(guān)集成電路。電路。 7.2.1 霍爾集成傳感器霍爾集成傳感器2022-5-24231.線性集成傳感器線性集成傳感器 n線性霍爾集成傳感器的特點(diǎn)是輸出電壓線性霍爾集成傳感器的特點(diǎn)是輸出電壓與外加磁感應(yīng)強(qiáng)度與外加磁感應(yīng)強(qiáng)度B呈線性關(guān)系呈線性關(guān)系 .n由霍爾元件由霍爾元件HG、放大器、放大器A、差動(dòng)輸出電、差動(dòng)輸出電路路D和穩(wěn)壓電源和穩(wěn)壓電源R等組成等組成 2022-5-2424內(nèi)部框圖和輸出特性內(nèi)部框圖和輸出特性 2022-5-24252.開關(guān)集成傳感器開關(guān)集成傳感器 n由霍爾元件由霍爾元件HG、放大器、放大器A、輸出晶體管、輸出晶體管V

14、T、施密特電路施密特電路C和穩(wěn)壓電源和穩(wěn)壓電源R等組成，與線性集等組成，與線性集成傳感器不同之處是增設(shè)了施密特電路成傳感器不同之處是增設(shè)了施密特電路C，通，通過晶體管過晶體管VT的集電極輸出的集電極輸出 n關(guān)集成傳感器只有一個(gè)輸出端，是以一定磁場(chǎng)關(guān)集成傳感器只有一個(gè)輸出端，是以一定磁場(chǎng)電平值進(jìn)行開關(guān)工作的。由于內(nèi)設(shè)有施密特電電平值進(jìn)行開關(guān)工作的。由于內(nèi)設(shè)有施密特電路，開關(guān)特性具有時(shí)滯，因此有較好的抗噪聲路，開關(guān)特性具有時(shí)滯，因此有較好的抗噪聲效果。霍爾集成傳感器一般內(nèi)有穩(wěn)壓電源，工效果?；魻柤蓚鞲衅饕话銉?nèi)有穩(wěn)壓電源，工作電源的電壓范圍較寬，可為作電源的電壓范圍較寬，可為316V。 2022-

15、5-2426開關(guān)集成傳感器的內(nèi)部框圖和輸開關(guān)集成傳感器的內(nèi)部框圖和輸出特性出特性 2022-5-24277.2.2 霍爾傳感器的應(yīng)用簡(jiǎn)介霍爾傳感器的應(yīng)用簡(jiǎn)介 n霍爾電勢(shì)是關(guān)于霍爾電勢(shì)是關(guān)于I、B、 3個(gè)變量的函數(shù)，個(gè)變量的函數(shù)，即即EH=KHIBcos 。利用這個(gè)關(guān)系可以。利用這個(gè)關(guān)系可以使其中兩個(gè)量不變，將第使其中兩個(gè)量不變，將第3個(gè)量作為變量，個(gè)量作為變量，或者固定其中一個(gè)量，其余兩個(gè)量都作或者固定其中一個(gè)量，其余兩個(gè)量都作為變量。為變量。n霍爾傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工藝成熟、體積霍爾傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工藝成熟、體積小、壽命長(zhǎng)、線性好、頻帶寬，因而得小、壽命長(zhǎng)、線性好、頻帶寬，因而得到廣泛的應(yīng)用。

16、到廣泛的應(yīng)用。2022-5-24281.測(cè)量位移測(cè)量位移 n將霍爾傳感器放置在呈梯度分布的磁場(chǎng)將霍爾傳感器放置在呈梯度分布的磁場(chǎng)中，通以恒定的控制電流，當(dāng)傳感器移中，通以恒定的控制電流，當(dāng)傳感器移動(dòng)時(shí)，元件上感知的磁場(chǎng)大小隨位移發(fā)動(dòng)時(shí)，元件上感知的磁場(chǎng)大小隨位移發(fā)生變化，從而使得其輸出生變化，從而使得其輸出UH 也產(chǎn)生變化，也產(chǎn)生變化，且與位移成比例。從原理上來分析，磁且與位移成比例。從原理上來分析，磁場(chǎng)梯度越大，霍爾輸出場(chǎng)梯度越大，霍爾輸出UH對(duì)位移變化的對(duì)位移變化的靈敏度就越高，磁場(chǎng)梯度越均勻，則靈敏度就越高，磁場(chǎng)梯度越均勻，則UH 對(duì)位移的線性度就越好。對(duì)位移的線性度就越好。 2022-

17、5-2429國(guó)產(chǎn)國(guó)產(chǎn)YSH-1型霍爾壓力變送器型霍爾壓力變送器 2022-5-24302.無(wú)觸點(diǎn)發(fā)信無(wú)觸點(diǎn)發(fā)信 n霍爾傳感器通以恒定的控制電流，在近霍爾傳感器通以恒定的控制電流，在近距離運(yùn)動(dòng)的磁鋼作用下，輸出距離運(yùn)動(dòng)的磁鋼作用下，輸出UH產(chǎn)生顯產(chǎn)生顯著的變化，這就是霍爾無(wú)觸點(diǎn)發(fā)信。無(wú)著的變化，這就是霍爾無(wú)觸點(diǎn)發(fā)信。無(wú)觸點(diǎn)發(fā)信只要求傳感器輸出一個(gè)足夠大觸點(diǎn)發(fā)信只要求傳感器輸出一個(gè)足夠大的的UH信號(hào)，而對(duì)元件本身的溫度特性、信號(hào)，而對(duì)元件本身的溫度特性、線性度等參數(shù)要求不高，因此被廣泛用線性度等參數(shù)要求不高，因此被廣泛用于精確定位、接近開關(guān)、導(dǎo)磁產(chǎn)品記數(shù)于精確定位、接近開關(guān)、導(dǎo)磁產(chǎn)品記數(shù)以及轉(zhuǎn)速測(cè)

18、量。以及轉(zhuǎn)速測(cè)量。 2022-5-2431磁轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速檢測(cè)電路磁轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速檢測(cè)電路 2022-5-24323.無(wú)觸點(diǎn)開關(guān)無(wú)觸點(diǎn)開關(guān) n霍爾式無(wú)觸點(diǎn)開關(guān)的每個(gè)鍵上都有兩小塊永久霍爾式無(wú)觸點(diǎn)開關(guān)的每個(gè)鍵上都有兩小塊永久磁鐵，當(dāng)按鈕未按下，通過霍爾傳感器的磁力磁鐵，當(dāng)按鈕未按下，通過霍爾傳感器的磁力線是由上向下的。線是由上向下的。n當(dāng)按下按鈕時(shí)，通過霍爾傳感器的磁力線是由當(dāng)按下按鈕時(shí)，通過霍爾傳感器的磁力線是由下向上的。下向上的。n霍爾傳感器輸出不同的狀態(tài)，將此輸出的開關(guān)霍爾傳感器輸出不同的狀態(tài)，將此輸出的開關(guān)信號(hào)直接與后面的邏輯門電路連接使用。信號(hào)直接與后面的邏輯門電路連接使用。n這類鍵盤開關(guān)工作

19、十分穩(wěn)定可靠，功耗很低，這類鍵盤開關(guān)工作十分穩(wěn)定可靠，功耗很低，動(dòng)作過程中傳感器與機(jī)械部件之間沒有機(jī)械接動(dòng)作過程中傳感器與機(jī)械部件之間沒有機(jī)械接觸，使用壽命特別長(zhǎng)。觸，使用壽命特別長(zhǎng)。 2022-5-2433 集成霍爾傳感器構(gòu)成的按鈕集成霍爾傳感器構(gòu)成的按鈕 1按鈕按鈕 2外殼外殼 3導(dǎo)磁材料導(dǎo)磁材料 4集成傳感器集成傳感器2022-5-24344.霍爾齒輪傳感器霍爾齒輪傳感器 n差動(dòng)霍爾電路制成的霍爾齒輪轉(zhuǎn)速傳感差動(dòng)霍爾電路制成的霍爾齒輪轉(zhuǎn)速傳感器廣泛用于新一代汽車智能發(fā)動(dòng)機(jī)。作器廣泛用于新一代汽車智能發(fā)動(dòng)機(jī)。作為點(diǎn)火定時(shí)用的速度傳感器，用于為點(diǎn)火定時(shí)用的速度傳感器，用于ABS（汽車防抱死制動(dòng)系統(tǒng)）作為車速傳感（汽車防抱死制動(dòng)系統(tǒng)）作為車速傳感器等。器等。2022-5-2435霍爾轉(zhuǎn)速傳感器在汽車防抱死裝置（ABS）中的應(yīng)用 若汽車在剎車時(shí)車輪被抱死，將產(chǎn)生危險(xiǎn)。用霍爾轉(zhuǎn)速傳感器來檢測(cè)車輪的轉(zhuǎn)動(dòng)狀態(tài)有助于控制剎車力的大小。帶有微帶有微型磁鐵型磁鐵的霍爾的霍爾傳感器傳感器鋼質(zhì)鋼質(zhì)霍爾霍爾2022-5-2436ABS的工作原理的工作原理 1車速齒輪傳感器 2