霍爾傳感器分析課件

1、 霍爾傳感器本節(jié)主要講述內容：1、霍爾傳感器的工作原理2、霍爾元件的基本結構和主要技術指標3、霍爾元件的測量電路4、霍爾傳感器舉例7/25/20221概述： 霍爾元件是一種基于霍爾效應的磁電傳感器，得到廣泛的應用?？梢詸z測磁場及其變化，可在各種與磁場有關的場合中使用。霍爾器件以霍爾效應為其工作基礎。特點： 霍爾器件具有許多優(yōu)點，它們的結構牢固，體積小，重量輕，壽命長，安裝方便，功耗小，頻率高，耐震動，不怕灰塵、油污、水汽及鹽霧等的污染或腐蝕。 一、霍爾元件的基本工作原理7/25/20222霍爾效應原理圖霍爾效應7/25/20223霍爾元件 金屬或半導體薄片置于磁場中，當有電流流過時，在垂直于電

2、流和磁場的方向上將產生電動勢，這種物理現象稱為霍爾效應。7/25/20224 設圖中的材料是型半導體，導電的載流子是電子。在軸方向的磁場作用下，電子將受到一個沿軸負方向力的作用，這個力就是洛侖茲力。它的大小為：zxyIADBCBlLdUHA、B-霍爾電極 C、D-控制電極FH7/25/20225 電荷的聚積必將產生靜電場，即為霍爾電場，該靜電場對電子的作用力為FE與洛侖茲力方向相反，將阻止電子繼續(xù)偏轉，其大小為q0電子電量(1.6210 C)； v載流子運動速度。 根據左手螺旋定則，電子運動方向向y的反方向偏移，則在上端產生電子積聚，另外一端失去電子產生正電荷積聚。從而形成電場。 電場作用于電

3、子的電場力為電場力與洛侖茲力方向相反，阻止電子繼續(xù)偏轉，當達到動態(tài)平衡時-197/25/20226霍耳電勢UH與 IC、B的乘積成正比，而與d成反比。可改寫成： 電流密度j=nq0vnN型半導體中的電子濃度P型半導體 霍耳系數，由材料物理性質決定。pP型半導體中的空穴濃度材料電阻率載流子遷移率霍耳片全部采用半導體材料制成。而電子的遷移率比空穴大，所以以N型半導體居多。7/25/20227設 KH=RH / d KH霍爾元件靈敏度。它與材料的物理性質和幾何尺寸有關，它決定霍爾電勢的強弱。 若磁感應強度B的方向與霍爾元件的平面法線夾角為時，霍耳電勢應為： UH KH IC B UH KH IC B

4、 cos 注意：當控制電流的方向或磁場方向改變時，輸出霍耳電勢的方向也改變。但當磁場與電流同時改變方向時，霍耳電勢并不改變方向。7/25/20228通過以上分析可知：1）霍爾電壓UH與材料的性質有關 n 愈大，KH 愈小，霍爾靈敏度愈低； n 愈小，KH 愈大，但n太小，需施加極高的電壓才能產生很小的電流。因此霍爾元件一般采用N型半導體材料2）霍爾電壓UH與元件的尺寸有關。 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，會使元件的輸入、輸出電阻增加。 霍爾電壓UH與控制電流及磁場強度成正比，當磁場改變方向時，也改變方向。3）P型半導體，其多數載流子是空穴，也存在霍

5、爾效應，但極性和N型半導體的相反。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行測量。 UH KH IC BKH=RH / d7/25/202291、霍爾元件的基本結構組成由霍爾片、四根引線和殼體組成，如下圖示。二、霍爾元件的結構、符號圖312 霍爾元件(a)霍爾效應原理；(b)霍爾元件結構示意圖；(c)外形7/25/202210國產霍爾元件型號的命名方法7/25/2022112. 霍爾片的基本電路霍爾元件的符號 7/25/202212三、霍爾元件的特征參數1、輸入電阻Ri和輸出電阻R0 Ri是指流過控制電流的電極（簡稱控制電極）間的電阻值，R0

6、是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?？梢栽跓o磁場即B0和室溫（20 5）時，用歐姆表等測量。7/25/2022132、額定控制電流IC和最大控制電流ICm霍爾元件在空氣中產生10的溫升時所施加的控制電流稱為額定控制電流IC。在相同的磁感應強度下，IC值較大則可獲得較大的霍爾輸出?；魻栐拗艻C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。當霍爾元件的溫升達到Tm時的IC就是最大控制電流ICm 。3、最大磁感應強度 磁感應強度超過 時，霍爾電勢的非線性誤差將明顯增大，數值一般小于零點幾特斯拉。 4、靈敏度KH 其定義5、磁靈敏系數 霍爾

7、器件輸出端開路電壓與磁感應強度之比，單位V/T。7/25/202214 在額定控制電流 Ic 之下，不加磁B0時，霍爾電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。 不等位電勢和額定控制電流Ic之比為不等位電阻RM，即 6、不等位電勢UM和不等位電阻RM 不平衡電勢UH是主要的零位誤差。因為在工藝上難以保證霍爾元件兩側的電極焊接在同一等電位面上。如下圖(a)所示。當控制電流I流過時，即使末加外磁場，A、B兩電極此時仍存在電位差，此電位差被稱為不等位電勢（不平衡電勢）UH。7/25/202215 在一定的磁感

8、應強度和控制電流下，溫度變化1時，霍爾電勢變化的百分率稱為霍爾電勢溫度系數 ，單位為1。7、霍爾電勢溫度系數7/25/202216 四、霍爾元件的連接方式和輸出電路1、連接方式 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(a)為直流供電，控制電流端并聯輸出串聯。下圖(b)為交流供電，控制電流端串聯變壓器疊加輸出。7/25/2022172、輸出電路 霍爾傳感器有分立型和集成型兩類。分立型又有單晶和薄膜兩種；集成型有線性霍爾電路和開關霍爾電路。本節(jié)主要介紹集成型霍爾傳感器的測量電路?；魻柶骷且环N四端器件，本身不帶放大器。霍爾電勢一般是毫伏量級，實際使用中必須加差分放大器。 （1

9、）線性霍爾集成傳感器 線性霍爾集成傳感器是將霍爾傳感器、放大器、電壓調整、電流放大輸出級、失調調整和線性度調整等部分集成在一塊芯片上，其特點是輸出電壓隨外磁場感應強度 呈線性變化?；魻柤蓚鞲衅鞣謫味溯敵龊碗p端輸出。7/25/202218線性霍爾集成傳感器電路結構圖7/25/202219（2）霍爾開關集成傳感器1）工作原理霍爾開關集成傳感器原理框圖7/25/202220 霍爾元件：在0.1T磁場作用下，霍爾元件開路時可輸出20mV左右的 霍爾電壓，當有負載時輸出10mV左右的霍爾電壓。 差分放大器：放大器將霍爾電壓放大，以便驅動后一級整形電路整形電路：一般采用施密特觸發(fā)器，它把經差分放大的電壓

10、整形為矩形脈沖，實現A/D轉換。輸出管：由一個或兩個三極管組成，采用單管或雙管集電極開路輸出，集電極輸出的優(yōu)點是可以跟很多類型的電路直接連接，使用方便。 電源電路：包括穩(wěn)壓電路和恒流電路，設置穩(wěn)壓和恒流電路的目的，一方面是為了改善霍爾傳感器的溫度性能，另一方面可以大大提高集成霍爾傳感器工作電源電壓的適用范圍。7/25/202221 2）霍爾開關集成傳感器的特性 磁特性 霍爾開關集成傳感器的磁特性是指由高電平翻轉為低電平的導通磁感應強度B（HL）、由低電平翻轉為高電平的截止磁感應強度B（LH）和磁感應強度的滯環(huán)寬度 . 滯環(huán)寬度對霍爾開關集成傳感器是必需的，因為在導通磁感應強度B（HL）附近，如

11、果沒有滯環(huán)效應或滯環(huán)效應很小，那么由于磁噪聲或磁鋼振動等原因，會使電路的輸出反復開啟和關閉，形成類似于自激振蕩現象。為防止這種現象的產生，必須具有一定寬度的滯環(huán)。但如果這種滯環(huán)寬度過大，對開關動作也是不利的，因為要求磁場變化幅度很大，有可能不發(fā)生動作而出現漏計現象。 7/25/202222 我國CS型開關集成霍爾傳感器的滯環(huán)寬度典型值為610-3T 右圖給出了霍爾開關集成傳感器磁電轉換特 性曲線，橫坐標表示作用于霍爾元件上的正向磁感應強度。 霍爾開關集成傳 感器輸出特性 7/25/202223溫度特性 霍爾開關集成傳感器參數也隨溫度的變化而變化，在此主要討論它的導通磁感應強度B（HL）、截止磁

12、感應強度B（LH）和滯環(huán)寬度的溫度特性由圖（a）可以看出，導通磁感應強度的溫度系數約為（1.52）10-4T/，是正溫度系數。從B（HL）與B（LH）特性曲線的差值中算出滯環(huán)寬度的溫度系數約為 0.2%0.3%，是負溫度系數。 圖（b）給出了CS型霍爾開關集成傳感器兩個磁特性參數隨電源電壓E的變化曲線。從圖中可以看出，B（HL）和B（LH）參數在電源電壓E6V時，隨電源電壓減少而增加，但滯環(huán)寬度隨電源電壓減小而減??；在電源電壓E8V時，這三個參數基本變化不大。7/25/202224五、霍爾傳感器應用 由于霍爾傳感器具有在靜態(tài)狀態(tài)下感受磁場的獨特能力，而且它具有結構簡單、體積小、重量輕、頻帶寬（

13、從直流到微波）、動態(tài)特性好和壽命長、無觸點等許多優(yōu)點，因此在測量技術，自動化技術和信息處理等方面有著廣泛應用。 歸納起來，霍爾傳感器有三個方面的用途：（1）當控制電流不變時，使傳感器處于非均勻磁場中，則傳感器的霍爾電勢正比于磁感應強度，利用這一關系可反映位置、角度或勵磁電流的變化。 （2）當控制電流與磁感應強度皆為變量時，傳感器的輸出與這兩者乘積成正比。在這方面的應用有乘法器、功率計以及除法、倒數、開方等運算器，此外，也可用于混頻、調制、解調等環(huán)節(jié)中，但由于霍爾元件變換頻率低，溫度影響較顯著等缺點，在這方面的應用受到一定的限制，這有待于元件的材料、工藝等方面的改進或電路上的補償措施。（3）若保

14、持磁感應強度恒定不變，則利用霍爾電壓與控制電流成正比的關系，可以組成回轉器、隔離器和環(huán)行器等控制裝置。 7/25/2022257/25/2022261. 角位移測量儀角位移測量儀結構示意圖1-極靴；2-霍爾器件；3-勵磁線圈 7/25/202227 2. 霍爾式轉速傳感器 下圖是幾種不同結構的霍爾式轉速傳感器。轉盤的輸入軸與被測轉軸相連，當被測轉軸轉動時，轉盤隨之轉動，固定在轉盤附近的霍爾傳感器便可在每一個小磁鐵通過時產生一個相應的脈沖，檢測出單位時間的脈沖數，便可知被測轉速。根據磁性轉盤上小磁鐵數目多少就可確定傳感器測量轉速的分辨率。 7/25/202228 幾種霍爾式轉速傳感器的結構7/2

15、5/2022297/25/2022303. 霍爾式微壓力傳感器圖320 霍爾式微壓力傳感器原理示意圖7/25/2022317/25/2022324. 鋼絲繩斷絲檢測裝置圖321 霍爾效應鋼絲繩斷絲檢測裝置7/25/2022336、非接觸式鍵盤開關用霍爾開關集成傳感器構成的按鈕 7/25/2022347、 自動供水裝置 自動供水裝置7/25/202235自動供水裝置的控制電路固態(tài)繼電器7/25/202236 平時，SL3020受磁鐵的作用，其輸出端輸出低電平，使VT1處于截止狀態(tài)，由IC2組成的單穩(wěn)態(tài)電路處于復位狀態(tài)，IC2的腳輸出低電平，固態(tài)繼電器SP1110由于無控制電流而處于截止狀態(tài)，電磁

16、閥Y因無電而關閉，水龍頭無水流出。單穩(wěn)態(tài)在復位狀態(tài)時，IC2內部電路將C2短路。 當取水者投入鐵制的取水牌時，取水牌沿滑槽下滑，在通過霍爾傳感裝置時，鐵制取水牌將磁鐵的磁力線短路，此時SL3020輸出高電平脈沖。該脈沖經VT1反相后觸發(fā)由IC2組成的單穩(wěn)態(tài)電路翻轉進入暫穩(wěn)狀態(tài)，此時IC2的腳輸出高電平，使固態(tài)繼電器SP1110導通，電磁閥Y得電工作，打開閥門放水。單穩(wěn)態(tài)電路翻轉后，IC2內部電路將C2原短路狀態(tài)釋放，電源通過RP1及R4向C2充電。當C2上的電壓充電到IC2的閾值電壓時，單穩(wěn)態(tài)電路復位，IC2的腳又回到低電平，固態(tài)繼電器SP1110截止，電磁閥Y斷電關閉，水龍頭自動停止出水，電路又恢復到平時狀態(tài)。 7/25/2022377/25/2022387/25/2022397/25/202240本 章節(jié)小 結 位于磁場中的靜止載流導體，當電流I的方向與磁場強度H的方向垂直時，則在載流導體中平行與H、I的兩側面之間將產生電動勢，這個電動勢稱為霍爾電勢，