霍爾傳感器工作原理02課件

第5章霍爾式傳感器第5章霍爾式傳感器第5章霍爾式傳感器5.1霍爾效應(yīng)及霍爾元件

霍爾傳感器是基于霍爾效應(yīng)的一種傳感器。1879年美國物理學(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)太弱而沒有得到應(yīng)用。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)用和發(fā)展?；魻杺鞲衅鲝V泛用于電磁測量、壓力、加速度、振動(dòng)等方面的測量。

1.霍爾效應(yīng)置于磁場中的靜止載流導(dǎo)體,當(dāng)它的電流方向與磁場方向不一致時(shí),載流導(dǎo)體上平行于電流和磁場方向上的兩個(gè)面之間產(chǎn)生電動(dòng)勢,這種現(xiàn)象稱霍爾效應(yīng)。該電勢稱霍爾電勢。第5章霍爾式傳感器

圖5-1所示,在垂直于外磁場B的方向上放置一導(dǎo)電板,導(dǎo)電板通以電流I,方向如圖所示。導(dǎo)電板中的電流是金屬中自由電子在電場作用下的定向運(yùn)動(dòng)。此時(shí),每個(gè)電子受洛侖磁力fm的作用，fm大小為fm=eBv（5-1）式中:e——電子電荷;v——電子運(yùn)動(dòng)平均速度;B——磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度。第5章霍爾式傳感器fm的方向在圖5-1中是向上的,此時(shí)電子除了沿電流反方向作定向運(yùn)動(dòng)外,還在fm的作用下向上漂移,結(jié)果使金屬導(dǎo)電板上底面積累電子,而下底面積累正電荷,從而形成了附加內(nèi)電場EH,稱霍爾電場,該電場強(qiáng)度為

EH=（5-2）式中UH為電位差?；魻栯妶龅某霈F(xiàn),使定向運(yùn)動(dòng)的電子除了受洛侖磁力作用外,還受到霍爾電場的作用力,其大小為eEH，此力阻止電荷繼續(xù)積累。隨著上、下底面積累電荷的增加,霍爾電場增加,電子受到的電場力也增加,當(dāng)電子所受洛侖磁力與霍爾電場作用力大小相等、方向相反時(shí),即第5章霍爾式傳感器eEH=evB（5-3）則EH=vB（5-4）此時(shí)電荷不再向兩底面積累,達(dá)到平衡狀態(tài)。若金屬導(dǎo)電板單位體積內(nèi)電子數(shù)為n,電子定向運(yùn)動(dòng)平均速度為v,則激勵(lì)電流I=nevbd,則v=（5-5）將式（5-5）代入式（5-4）得EH=（5-6）第5章霍爾式傳感器

將上式代入式（5-1）得UH=（5-7）式中令RH=1/（ne）,稱之為霍爾常數(shù),其大小取決于導(dǎo)體載流子密度，則UH=RH

（5-8）式中KH=RH/d稱為霍爾片的靈敏度。由式（5-8）可見,霍爾電勢正比于激勵(lì)電流及磁感應(yīng)強(qiáng)度,其靈敏度與霍爾常數(shù)RH成正比而與霍爾片厚度d成反比。為了提高靈敏度,霍爾元件常制成薄片形狀。第5章霍爾式傳感器一般金屬材料載流子遷移率很高,但電阻率很小;而絕緣材料電阻率極高,但載流子遷移率極低。故只有半導(dǎo)體材料適于制造霍爾片。目前常用的霍爾元件材料有:鍺、硅、砷化銦、銻化銦等半導(dǎo)體材料。其中N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。N型硅的線性度最好,其霍爾系數(shù)、溫度性能同N型鍺相近。銻化銦對溫度最敏感,尤其在低溫范圍內(nèi)溫度系數(shù)大,

但在室溫時(shí)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,輸出特性線性度好。表5-1為常用國產(chǎn)霍爾元件的技術(shù)參數(shù)。第5章霍爾式傳感器第5章霍爾式傳感器第5章霍爾式傳感器第5章霍爾式傳感器

3.霍爾元件基本特性

1）額定激勵(lì)電流和最大允許激勵(lì)電流當(dāng)霍爾元件自身溫升10℃時(shí)所流過的激勵(lì)電流稱為額定激勵(lì)電流。以元件允許最大溫升為限制所對應(yīng)的激勵(lì)電流稱為最大允許激勵(lì)電流。因霍爾電勢隨激勵(lì)電流增加而性增加,所以,使用中希望選用盡可能大的激勵(lì)電流,因而需要知道元件的最大允許激勵(lì)電流,改善霍爾元件的散熱條件,可以使激勵(lì)電流增加。

2）輸入電阻和輸出電阻激勵(lì)電極間的電阻值稱為輸入電阻?；魻栯姌O輸出電勢對外電路來說相當(dāng)于一個(gè)電壓源,其電源內(nèi)阻即為輸出電阻。以上電阻值是在磁感應(yīng)強(qiáng)度為零且環(huán)境溫度在20℃±5℃時(shí)確定的。第5章霍爾式傳感器5.2霍爾元件測量誤差及補(bǔ)償

霍爾元件在使用中，存在多種因素影響測量精度，主要原因有兩類：半導(dǎo)體制造工藝和半導(dǎo)體固有特性。其表現(xiàn)為零位誤差和溫度誤差而引起的測量誤差。

5.2.1零位誤差及補(bǔ)償不等位電勢——是零位誤差中最主要的一種當(dāng)霍爾元件的激勵(lì)電流為I時(shí),若元件所處位置磁感應(yīng)強(qiáng)度為零,則它的霍爾電勢應(yīng)該為零,但實(shí)際不為零。這時(shí)測得的空載霍爾電勢稱不等位電勢。第5章霍爾式傳感器

式中:U0——不等位電勢;r0——不等位電阻;IH——激勵(lì)電流。由上式（5-11）可以看出,不等位電勢就是激勵(lì)電流流經(jīng)不等位電阻r0所產(chǎn)生的電壓。

（5-11）

不等位電阻不等位電勢也可用不等位電阻表示第5章霍爾式傳感器

霍爾元件不等位電勢補(bǔ)償不等位電勢與霍爾電勢具有相同的數(shù)量級,有時(shí)甚至超過霍爾電勢,而實(shí)用中要消除不等位電勢是極其困難的,因而必須采用補(bǔ)償?shù)姆椒?。由于不等位電勢與不等位電阻是一致的,可以采用分析電阻的方法來找到不等位電勢的補(bǔ)償方法。如圖5-4所示,其中A、B為激勵(lì)電極,C、D為霍爾電極,極分布電阻分別用R1、R2、R3、R4表示。理想情況下,R1=R2=R3=R4,即可取得零位電勢為零（或零位電阻為零）。實(shí)際上,由于不等位電阻的存在,說明此四個(gè)電阻值不相等,可將其視為電橋的四個(gè)橋臂,則電橋不平衡。為使其達(dá)到平衡，可在阻值較大的橋臂上并聯(lián)電阻（如圖5-4（a）所示）,或在兩個(gè)橋臂上同時(shí)并聯(lián)電阻（如圖5-4(b)所示）。第5章霍爾式傳感器第5章霍爾式傳感器◆恒流源的分流電阻溫度補(bǔ)償法

為了減小霍爾元件的溫度誤差,除選用溫度系數(shù)小的元件或采用恒溫措施外,由UH=KHIB可看出：采用恒流源供電是個(gè)有效措施,可以使霍爾電勢穩(wěn)定。但也只能減小由于輸入電阻隨溫度變化而引起的激勵(lì)電流I變化所帶來的影響。大多數(shù)霍爾元件的溫度系數(shù)α是正值,它們的霍爾電勢隨溫度升高而增加（1+αΔT）倍。如果,與此同時(shí)讓激勵(lì)電流I相應(yīng)地減小,并能保持乘積不變,也就抵消了靈敏系數(shù)增加的影響。圖5-5就是按此思路設(shè)計(jì)的一個(gè)既簡單、補(bǔ)償效果又較好的補(bǔ)償電路。。第5章霍爾式傳感器

恒流源的分流電阻溫度補(bǔ)償法常采用圖5-5的補(bǔ)償電路電路中用一個(gè)分流電阻Rp與霍爾元件的激勵(lì)電極相并聯(lián)。當(dāng)霍爾元件的輸入電阻隨溫度升高而增加時(shí),旁路分流電阻Rp自動(dòng)地加強(qiáng)分流,減少了霍爾元件的激勵(lì)電流I,從而達(dá)到補(bǔ)償?shù)哪康?。在圖5-5所示的溫度補(bǔ)償電路中,設(shè)初始溫度為T0,霍爾元件輸入電阻為Ri0,靈敏系數(shù)為KHI,分流電阻為Rp0,根據(jù)分流概念得

IH0=

（5-13）當(dāng)溫度升至T時(shí),電路中各參數(shù)變?yōu)閳D5-5分流電阻補(bǔ)電路示意圖UH第5章霍爾式傳感器Ri=Ri0（1+δΔT）（5-14）

Rp=Rp0（1+βΔT）（5-15）式中:δ——霍爾元件輸入電阻溫度系數(shù);β——分流電阻溫度系數(shù)。則

雖然溫度升高ΔT,為使霍爾電勢不變,補(bǔ)償電路必須滿足溫升前、后的霍爾電勢不變,即第5章霍爾式傳感器

橋路溫度補(bǔ)償法如圖5-6所示是霍爾電勢的橋路溫度補(bǔ)償法，霍爾元件的不等位電勢U0用RP來補(bǔ)償，在霍爾輸出極上串聯(lián)一個(gè)溫度補(bǔ)償電撟，電撟的三個(gè)臂為錳銅電阻，其中一臂為錳銅電阻并聯(lián)熱敏電阻RX，當(dāng)溫度變化時(shí)，由于RX發(fā)生變化，使電橋的輸出發(fā)生變化，從而使整個(gè)回路的輸出得到補(bǔ)償。仔細(xì)調(diào)整電撟的溫度系數(shù)，可使在±40℃的溫度變化范圍內(nèi)，傳感器的輸出與溫度基本無關(guān)。圖5-6橋路溫度補(bǔ)償電路第5章霍爾式傳感器

1.霍爾式微位移傳感器霍爾元件具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小、動(dòng)態(tài)特性好和壽命長的優(yōu)點(diǎn),它不僅用于磁感應(yīng)強(qiáng)度#,有功功率及電能參數(shù)的測量,也在位移測量中得到廣泛應(yīng)用。圖5-7給出了一些霍爾式位移傳感器的工作原理圖。圖（a）是磁場強(qiáng)度相同的兩塊永久磁鐵,同極性相對地放置,霍爾元件處在兩塊磁鐵的中間。由于磁鐵中間的磁感應(yīng)強(qiáng)度B=0,因此霍爾元件輸出的霍爾電勢UH也等于零,此時(shí)位移Δx=0。若霍爾元件在兩磁鐵中產(chǎn)生相對位移,霍爾元件感受到的磁感應(yīng)強(qiáng)度也隨之改變,這時(shí)UH不為零,其量值大小反映出霍爾元件與磁鐵之間相對位置的變化量,這種結(jié)構(gòu)的傳感器,其動(dòng)態(tài)范圍可達(dá)5mm,分辨率為0.001mm。5.3霍爾式傳感器的應(yīng)用第5章霍爾式傳感器第5章霍爾式傳感器第5章霍爾式傳感器

3.霍爾計(jì)數(shù)裝置霍爾開關(guān)傳感器SL3501是具有較高靈敏度的集成霍爾元件,能感受到很小的磁場變化,因而可對黑色金屬零件進(jìn)行計(jì)數(shù)檢測。圖7-14是對鋼球進(jìn)行計(jì)數(shù)的工作示意圖和電路圖當(dāng)鋼球通過霍爾開關(guān)傳感器時(shí),傳感器可輸出峰值20mV的脈沖電壓