中南大學(xué)傳感與檢測(cè)pptch9-ch10-磁電和霍爾傳感器

第9章磁電式傳感器第10章霍爾式傳感器2/6/20231概述磁電式傳感器是利用電磁感應(yīng)原理將被測(cè)量（如振動(dòng)、位移、速度等）轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的一種傳感器，也稱電磁感應(yīng)傳感器。原理：根據(jù)電磁感應(yīng)定律，當(dāng)N匝線圈在恒定磁場(chǎng)內(nèi)運(yùn)動(dòng)時(shí)，設(shè)穿過(guò)線圈的磁通為，則線圈內(nèi)會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì):e=-Nd/dt

可見(jiàn)，線圈中感應(yīng)電勢(shì)的大小與線圈匝數(shù)和穿過(guò)線圈的磁通變化率有關(guān)。一般情況下，匝數(shù)固定，磁通變化率與磁場(chǎng)強(qiáng)度B、磁路磁阻Rm、線圈的運(yùn)動(dòng)速度v有關(guān)；改變其中任一參數(shù)，都會(huì)改變線圈中的感應(yīng)電勢(shì)。分類：按結(jié)構(gòu)方式不同，分為動(dòng)圈式和磁阻式兩大類。9.磁電式傳感器2/6/202329.磁電式傳感器9.1動(dòng)圈式磁電傳感器

動(dòng)圈式磁電傳感器又可分為線速度型與角速度型。1）線速度型傳感器工作原理如圖所示，在永久磁鐵產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的直流磁場(chǎng)內(nèi)，放置一可動(dòng)線圈，當(dāng)線圈沿垂直磁場(chǎng)的方向以相對(duì)磁場(chǎng)的速度v直線運(yùn)動(dòng)時(shí)，它產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為：

e=-NBlv式中，N—線圈匝數(shù)；

l—單匝線圈的有效長(zhǎng)度。上式表明，當(dāng)B,N和l恒定不變時(shí)，可根據(jù)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)e的大小計(jì)算出被測(cè)線速度v的大小。2/6/202339.1動(dòng)圈式磁電傳感器2）角速度型傳感器工作原理如圖所示，線圈在磁場(chǎng)中以角速度旋轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為：

e=-kNBS式中,S—單匝線圈的截面積；

k—與結(jié)構(gòu)有關(guān)的系數(shù)，k<1。上式表明，當(dāng)傳感器結(jié)構(gòu)確定后，N、B、S和k皆恒定不變，可根據(jù)感應(yīng)電勢(shì)大小確定被測(cè)量。故這種傳感器常用于轉(zhuǎn)速測(cè)量。需注意的是在上兩式中的v、指的是線圈與磁鐵的相對(duì)速度，不是磁鐵的絕對(duì)速度。9.磁電式傳感器2/6/202349.2磁阻式磁電傳感器1）基本原理與動(dòng)圈式磁電傳感器不同，磁阻式磁電傳感器工作時(shí)，其線圈與磁鐵部分是相對(duì)靜止的，由與被測(cè)量連結(jié)的物體（導(dǎo)磁材料）的運(yùn)動(dòng)來(lái)改變磁路的磁阻，因而改變貫穿線圈的磁通量，在線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)。2）應(yīng)用

磁阻式磁電傳感器一般常用于測(cè)量轉(zhuǎn)速、偏心、振動(dòng)等，產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的頻率作為輸出，而電勢(shì)的頻率取決于磁通變化的頻率。下圖a、b、c可測(cè)旋轉(zhuǎn)物體的角頻率，在圓輪旋轉(zhuǎn)時(shí)，圓輪上的凸處的位置發(fā)生變化，引起磁路中磁阻變化，從而引起貫穿線圈的磁通量發(fā)生變化，產(chǎn)生交變電勢(shì)。9.磁電式傳感器2/6/202359.2磁阻式磁電傳感器2）應(yīng)用

被測(cè)體轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)線圈產(chǎn)生的交變電勢(shì)頻率：f=n/60=/(2)式中，f—感應(yīng)電勢(shì)頻率（周/秒）；

—圓輪的角速度；

n

—圓輪的轉(zhuǎn)速（轉(zhuǎn)/分）。測(cè)量線圈產(chǎn)生的電勢(shì)頻率，可得其轉(zhuǎn)速。9.磁電式傳感器2/6/202369.3磁電式傳感器的測(cè)量電路磁電式傳感器直接輸出感應(yīng)電勢(shì)，且傳感器通常有較高的靈敏度，所以一般不需高增益放大器。但磁電式傳感器是速度傳感器，若要獲取被測(cè)位移或加速度，需要配積分或微分電路。下圖為一般測(cè)量電路方框圖。其中虛線框內(nèi)整形及微分部分電路僅用于以頻率作為輸出時(shí)。9.磁電式傳感器2/6/2023710.霍爾式傳感器概述霍耳效應(yīng)于1870年代發(fā)現(xiàn)。但因其十分微弱，以致其很長(zhǎng)一段時(shí)間都沒(méi)進(jìn)入實(shí)用。1950年代末，隨著三、五價(jià)化合物半導(dǎo)體材料的開(kāi)發(fā)，才找到了電子遷移率非常大的新材料[如：銻化銦（InSb）、砷化銦（InAs）、砷化鎵（GaAs）等]，成為霍耳器件制造所必需的材料，使霍耳器件得以廣泛應(yīng)用。隨著導(dǎo)體工藝的飛速發(fā)展，霍耳器件的水平也大大提高，已發(fā)展到單晶、多晶薄膜化和硅霍耳集成化階段。霍爾傳感器是基于霍爾效應(yīng)的一種磁敏傳感器。目前磁敏器件種類較多，不同材料制作的磁敏器件，其工作原理與特性也不相同。隨著新的磁特性或磁現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)，以及功能材料和IC技術(shù)的發(fā)展，除了集成霍爾器件和集成磁阻器件外，還出現(xiàn)了基于巨磁阻效應(yīng)、巨磁阻抗效應(yīng)的巨磁電阻器件等新型器件。2/6/2023810.1霍爾效應(yīng)與器件1）霍爾效應(yīng)

如圖所示，在金屬或半導(dǎo)體薄片相對(duì)兩側(cè)面ab通以控制電流I，在薄片垂直方向上施加磁場(chǎng)B，則在垂直于電流和磁場(chǎng)的方向上，即另兩側(cè)面cd會(huì)產(chǎn)生一個(gè)大小與控制電流I和磁場(chǎng)B乘積成正比的電動(dòng)勢(shì)UH，這一現(xiàn)象稱為霍爾效應(yīng)。10.霍爾式傳感器2/6/2023910.1霍爾效應(yīng)2）產(chǎn)生機(jī)理如上左圖所示，垂直于外磁場(chǎng)B的導(dǎo)體通電流I時(shí)，定向運(yùn)動(dòng)的載流子受磁場(chǎng)的洛倫茲力FL作用，除了做平行于電流方向的定向運(yùn)動(dòng)外，還在FL作用下漂移，使薄板內(nèi)一側(cè)累積電子，另一側(cè)累積正電荷，形成一個(gè)內(nèi)電場(chǎng)，即霍爾電場(chǎng)?；魻栯妶?chǎng)EH的產(chǎn)生使定向運(yùn)動(dòng)的電荷除受FL作用外，還因電場(chǎng)力FE=eUH/(cd)的作用漸漸增強(qiáng)而被阻止繼續(xù)積累。隨著內(nèi)、外側(cè)面累積的電荷增加，霍爾電場(chǎng)增大，當(dāng)電荷所受FL與霍爾電場(chǎng)力大小相等方向相反，即FE=FL時(shí)，電荷不再向兩側(cè)面累積而達(dá)到平衡狀態(tài)，形成穩(wěn)定的霍爾電勢(shì)。10.霍爾式傳感器2/6/20231010.1霍爾效應(yīng)3）霍耳電勢(shì)與材料

設(shè)導(dǎo)電體長(zhǎng)l，寬w，厚d。若導(dǎo)電體單位體積內(nèi)的電子數(shù)(電子濃度)為n，電子定向運(yùn)動(dòng)平均速度為v，則激勵(lì)電流(控制電流)I=-nevwd。在垂直方向的磁感應(yīng)強(qiáng)度B作用下，電子所受洛侖茲力為：

FL=evB，其中e為電子電量(1.62×10-19C)。同時(shí)，作用于電子的電場(chǎng)力為：

FE=eEH=eUH/w。

當(dāng)電荷累計(jì)達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡時(shí)，F(xiàn)E=FL，因此：UH=wvB

由I=-nevwd

得：wv=-I/(ned)

所以：UH=wvB=-IB/(ned)

10.霍爾式傳感器2/6/20231110.1霍爾效應(yīng)3）霍耳電勢(shì)與材料令RH=-1/(ne)，稱之為霍爾系數(shù)(其大小由材料性質(zhì)決定)，則有：UH=RHIB/d

若載流子為空穴(如P型半導(dǎo)體)，設(shè)其濃度為p，則：

RH=1/(qp)=

其中，為材料電阻率；為載流子遷移率。對(duì)于金屬：很高但很?。粚?duì)于絕緣材料：很高但很小。因此，為獲大的霍爾效應(yīng)也即大霍爾系數(shù)，宜選半導(dǎo)體。設(shè)KH=RH/d

，則：UH＝KHIB其中KH—霍耳器件靈敏度，與載流材料的物理性質(zhì)和幾何尺寸有關(guān)，表示在單位磁感應(yīng)強(qiáng)度和單位控制電流時(shí)的霍耳電勢(shì)大小。KH與厚度成反比，故霍爾器件一般為薄片。10.霍爾式傳感器2/6/20231210.1霍爾效應(yīng)3）霍耳電勢(shì)與材料需注意：d并非越薄越好。越薄將會(huì)增加霍耳器件的輸入和輸出阻抗從而增加功耗，對(duì)電子遷移率不大的Ge材料來(lái)說(shuō)不適當(dāng)。若磁感應(yīng)強(qiáng)度B的方向與霍耳器件的平面法線夾角為，則霍耳電勢(shì)為：

UH＝KHIBcos。顯然，控制電流或磁場(chǎng)的方向改變，霍耳電勢(shì)的方向也改變。但磁場(chǎng)與電流同時(shí)變方向時(shí)，霍耳電勢(shì)不改變方向。10.霍爾式傳感器2/6/202313霍耳器件a)實(shí)際結(jié)構(gòu)(mm)；(b)簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)；(c)等效電路外形尺寸:6.4×3.1×0.2;有效尺寸：5.4×2.7×0.210.2霍爾器件1）霍耳元件結(jié)構(gòu)d（b）0.5（a）slw電流極2.15.42.7AB0.20.3CD霍耳電極R4ABCDR1R2R3R4（c）構(gòu)成：霍爾片+引線+殼體。其中，霍爾片是一矩形半導(dǎo)體薄片，在其四端引四根線，分別為激勵(lì)電流引線(稱激勵(lì)電極),輸出引線(稱霍爾電極)?；魻栐牡刃щ娐啡鐖Dc所示。10.霍爾式傳感器2/6/202314輸入電阻Ri：電流電極間的電阻；輸出電阻Ro：霍耳端子間內(nèi)部的電阻；靈敏度KH：乘積靈敏度。不等位電勢(shì)：額定I下外磁場(chǎng)為零時(shí)霍爾輸出端的開(kāi)路電壓；由4個(gè)電極的幾何不對(duì)稱所致，需要補(bǔ)償?；魻栯妱?shì)溫度系數(shù)：一定的B和I下，溫度變化的霍爾電勢(shì)變化的百分?jǐn)?shù)。最大激勵(lì)電流IM：最大磁感應(yīng)強(qiáng)度BM：常用霍爾元件及技術(shù)參數(shù)霍爾元件型號(hào)命名方法如右圖所示，技術(shù)參數(shù)見(jiàn)教材表3-11。10.2霍爾器件2）霍耳元件主要技術(shù)參數(shù)及影響因素10.霍爾式傳感器2/6/20231510.2霍爾器件3）霍爾元件的溫度補(bǔ)償和不等位電勢(shì)補(bǔ)償(1)溫度補(bǔ)償下左圖所示為各種不同材料的霍爾器件內(nèi)阻與溫度的關(guān)系；可知，內(nèi)阻都受溫度影響，但趨勢(shì)特點(diǎn)不同；右下圖所示為不同材料的霍爾輸出電勢(shì)隨溫度變化的情況；可見(jiàn)，霍爾輸出電勢(shì)隨溫度變化的特征取決于材料和溫度。10.霍爾式傳感器2/6/20231610.2霍爾器件3）霍爾元件的溫度補(bǔ)償和不等位電勢(shì)補(bǔ)償(1)溫度補(bǔ)償

為減少由溫度變化所引起的溫差電勢(shì)對(duì)霍爾元件輸出的影響，可根據(jù)不同情況，采取一些不同的補(bǔ)償方法。恒流源補(bǔ)償：如下圖a所示，R=Ri(-)/。利用輸出回路的負(fù)載進(jìn)行補(bǔ)償：如下右圖所示，RL=R0/。abc等效電路10.霍爾式傳感器2/6/20231710.2霍爾器件3）霍爾元件的溫度補(bǔ)償和不等位電勢(shì)補(bǔ)償(2)不等位電勢(shì)補(bǔ)償不等位電勢(shì)的產(chǎn)生，會(huì)使霍爾元件或傳感器在使用中產(chǎn)生零位誤差。所以在高精度測(cè)量中，都采用不等位電勢(shì)補(bǔ)償?shù)姆椒▉?lái)盡量排除它對(duì)霍爾輸出的影響。當(dāng)兩電極不在同一等位面上時(shí)（如r1>r2），則電橋失去平衡，U0=0，此時(shí)就需進(jìn)行補(bǔ)償，其補(bǔ)償電路如圖c所示10.霍爾式傳感器2/6/20231810.2霍爾器件3）霍爾元件的溫度補(bǔ)償和不等位電勢(shì)補(bǔ)償(2)不等位電勢(shì)補(bǔ)償電橋補(bǔ)償方法即初始平衡的電橋因溫度變化而產(chǎn)生不平衡輸出，使這個(gè)不平衡輸出正好抵消霍爾器件因溫度變化產(chǎn)生的輸出變化。w1w2E1w3R2R3R4R1E2RtUHt10.霍爾式傳感器2/6/20231910.2霍爾器件4）霍爾元件的基本測(cè)量電路右圖示出了霍爾元件的基本測(cè)量電路。為獲得較大的霍爾輸出，可采用輸出疊加的連接方式（如下圖所示）。圖a為直流供電情況，圖b為交流供電情況。10.霍爾式傳感器2/6/20232010.2霍爾器件5）霍爾元件使用注意事項(xiàng)(1)驅(qū)動(dòng)方式

霍爾元件驅(qū)動(dòng)方式有恒壓和恒流兩種，電路如圖下所示。(2)散熱(3)安裝

①安裝應(yīng)堅(jiān)實(shí)牢固；②不可有扭曲現(xiàn)象。

10.霍爾式傳感器2/6/20232110.3霍爾集成傳感器

由霍爾元件及有關(guān)電路組成的傳感器稱為霍爾傳感器。隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，目前霍爾傳感器都已集成化，即把霍爾元件、放大器、溫度補(bǔ)償電路及穩(wěn)壓電源或恒流電源等集成在一個(gè)芯片上，由于其外形與集成電路相同，故又稱霍爾集成電路。

1）霍爾集成傳感器分類霍爾傳感器的霍爾材料仍以半導(dǎo)體硅作為主要材料，按其輸出信號(hào)的形式可分為線性型和開(kāi)關(guān)型兩種。2）組成與結(jié)構(gòu)組成：穩(wěn)壓電路、霍耳元件、放大與整形電路、開(kāi)路輸出穩(wěn)壓電路：使傳感器在較寬電源電壓范圍內(nèi)工作；開(kāi)路輸出：方便傳感器與各種邏輯電路接口。10.霍爾式傳感器2/6/20232210.3霍爾集成傳感器3）線性型霍爾集成傳感器線性型霍爾集成傳感器是將霍爾元件和恒流源，線性放大器等做在同一芯片上，輸出電壓較高，使用非常方便。例如：UGN3501M是具有雙端差動(dòng)輸出特性的線性霍爾器件，UGN3501M的外形、內(nèi)部電路框圖如圖。10.霍爾式傳感器2/6/20232310.3霍爾集成傳感器4）開(kāi)關(guān)型霍爾集成傳感器開(kāi)關(guān)型霍爾集成傳感器是將霍爾元件、穩(wěn)壓電路、放大器、施密特觸發(fā)器、OC門等電路做在同一芯片上。例：開(kāi)關(guān)型霍爾集成電路UGN3019，其外型與內(nèi)部電路框圖如圖所示。10.霍爾式傳感器2/6/202324

10.4霍爾傳感器的應(yīng)用1）應(yīng)用概述

霍爾元件及霍爾傳感器的應(yīng)用十分廣泛。在測(cè)量領(lǐng)域，可用于磁場(chǎng)、電流、位移、壓力、振動(dòng)、轉(zhuǎn)速等的測(cè)量；在通信領(lǐng)域，可用于放大器、振蕩器、相敏檢波、混頻、分頻以及微波功率測(cè)量等；在自動(dòng)化技術(shù)領(lǐng)域，可用于無(wú)刷直流電機(jī)、速度傳感、位置傳感、自動(dòng)記數(shù)、接近開(kāi)關(guān)、霍爾自整角機(jī)構(gòu)成的伺服系統(tǒng)和自動(dòng)電力拖動(dòng)系統(tǒng)等。利用霍耳電勢(shì)與外加磁通密度成比例的特性，可借助于固定元件的控制電流，對(duì)磁量以及其他可轉(zhuǎn)換成磁量的電量、機(jī)械量和