壓電式傳感器和霍爾式傳感器

壓電式傳感器和霍爾式傳感器第1頁(yè)，共62頁(yè)，2023年，2月20日，星期六5.2.1霍爾元件的基本工作原理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。可以檢測(cè)磁場(chǎng)及其變化，可在各種與磁場(chǎng)有關(guān)的場(chǎng)合中使用?；魻柶骷曰魻栃?yīng)為其工作基礎(chǔ)。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(zhǎng)，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。第2頁(yè)，共62頁(yè)，2023年，2月20日，星期六1霍爾效應(yīng)金屬或半導(dǎo)體薄片置于磁場(chǎng)中，當(dāng)有電流流過(guò)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)，這種物理現(xiàn)象稱(chēng)為霍爾效應(yīng)。第3頁(yè)，共62頁(yè)，2023年，2月20日，星期六如圖所示，半導(dǎo)體材料的長(zhǎng)、寬、厚分別為L(zhǎng)、和d。在與x軸相垂直的兩個(gè)端面C和D上各裝一個(gè)金屬電極，稱(chēng)為控制電極。在控制電極上外加電壓u，材料中便形成一個(gè)沿x方向流動(dòng)的電流I，稱(chēng)為控制電流。在ｚ軸方向的磁場(chǎng)作用下，電子將受到一個(gè)沿ｙ軸負(fù)方向力的作用，這個(gè)力就是洛侖茲力。它的大小為：FL=－qvBzxyIADBCBlLdUHA、B-霍爾電極C、D-控制電極第4頁(yè)，共62頁(yè)，2023年，2月20日，星期六2霍爾電勢(shì)

電荷的聚積必將產(chǎn)生靜電場(chǎng)，即為霍爾電場(chǎng)，該靜電場(chǎng)對(duì)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(zhuǎn)，其大小為式中EH為霍爾電場(chǎng)，q為載流子電荷，UH為霍爾電勢(shì)。當(dāng)FL=FE時(shí)，電子的積累達(dá)到動(dòng)平衡，即所以5-1第5頁(yè)，共62頁(yè)，2023年，2月20日，星期六由上式式可見(jiàn)，霍爾電壓的大小決定于載流體中電子的運(yùn)動(dòng)速度，它隨載流體材料的不同而不同。材料中電子在電場(chǎng)作用下運(yùn)動(dòng)速度的大小常用載流子遷移率來(lái)表征，所謂載流子遷移率是指在單位電場(chǎng)強(qiáng)度作用下，載流子的平均速度值。載流子遷移率用符號(hào)μ表示，μ=v/EI。其中EI是C、D兩端面之間的電場(chǎng)強(qiáng)度。它是由外加電壓U產(chǎn)生的，即

。因此可以把電子運(yùn)動(dòng)速度表示為。這時(shí)上式可改寫(xiě)為當(dāng)材料中的電子濃度為n時(shí)，有如下關(guān)系式:

I=nqbdv即(5-2)第6頁(yè)，共62頁(yè)，2023年，2月20日，星期六將5-2代入5-1，得第7頁(yè)，共62頁(yè)，2023年，2月20日，星期六令RH

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)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。3霍爾系數(shù)及靈敏度則第8頁(yè)，共62頁(yè)，2023年，2月20日，星期六KH

為霍爾元件的靈敏度。由上式看出：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可知，霍爾元件的厚度d與KH

成反比。令則第9頁(yè)，共62頁(yè)，2023年，2月20日，星期六1）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)體材料通過(guò)以上分析可知：第10頁(yè)，共62頁(yè)，2023年，2月20日，星期六2）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與控制電流及磁場(chǎng)強(qiáng)度成正比，當(dāng)磁場(chǎng)改變方向時(shí)，也改變方向。第11頁(yè)，共62頁(yè)，2023年，2月20日，星期六3)霍爾電勢(shì)與磁感應(yīng)強(qiáng)度的方向有關(guān)若磁場(chǎng)B和霍爾元件平面的法線(xiàn)成一角度θ，則作用于霍爾元件的有效磁感應(yīng)強(qiáng)度為Bcosθ，因此

UH=KHIBcosθ第12頁(yè)，共62頁(yè)，2023年，2月20日，星期六4）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。5）霍爾電壓UH與磁場(chǎng)B和電流I成正比，只要測(cè)出UH

，那么B或I的未知量均可利用霍爾元件進(jìn)行測(cè)量。第13頁(yè)，共62頁(yè)，2023年，2月20日，星期六4霍爾元件的基本結(jié)構(gòu)及特性1)霍爾元件的基本結(jié)構(gòu)組成由霍爾片、四根引線(xiàn)和殼體組成，如下圖示。第14頁(yè)，共62頁(yè)，2023年，2月20日，星期六1，2—控制電流端3，4—霍爾電勢(shì)端第15頁(yè)，共62頁(yè)，2023年，2月20日，星期六2)額定控制電流IC和最大控制電流ICm霍爾元件在空氣中產(chǎn)生10℃的溫升時(shí)所施加的控制電流稱(chēng)為額定控制電流IC。在相同的磁感應(yīng)強(qiáng)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ΔTm<80℃，硅元件的ΔTm<175℃。當(dāng)霍爾元件的溫升達(dá)到ΔTm時(shí)的IC就是最大控制電流ICm

。第16頁(yè)，共62頁(yè)，2023年，2月20日，星期六3)輸入電阻Ri和輸出電阻R0Ri

是流過(guò)控制電流的電極間的電阻值R0

是霍爾元件的霍爾電勢(shì)輸出電極間的電阻可以在無(wú)磁場(chǎng)即B＝0和室溫(20±5)℃時(shí)，用歐姆表等測(cè)量。第17頁(yè)，共62頁(yè)，2023年，2月20日，星期六

在額定控制電流Ic

之下，不加磁場(chǎng)即B＝0時(shí)，霍爾電極間的空載霍爾電勢(shì)UH≠0，稱(chēng)為不平衡(不等位)電勢(shì)，單位為mV。一般要求霍爾元件的UH<1mV，好的霍爾元件的UH小于0.1mV。不等位電勢(shì)和額定控制電流Ic之比為不等位電阻RM，即

4)不等位電勢(shì)UM和不等位電阻RM第18頁(yè)，共62頁(yè)，2023年，2月20日，星期六

不平衡電勢(shì)UH是主要的零位誤差。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電位面上。如下圖(a)所示。當(dāng)控制電流I流過(guò)時(shí)，即使未加磁場(chǎng)，A、B兩電極此時(shí)仍存在電位差，此電位差被稱(chēng)為不等位電勢(shì)（不平衡電勢(shì)）UH。第19頁(yè)，共62頁(yè)，2023年，2月20日，星期六5集成霍爾傳感器集成霍爾傳感器是利用集成電路工藝將霍爾元件和測(cè)量線(xiàn)路集成在一起的一種傳感器。它取消了傳感器和測(cè)量電路之間的界限，實(shí)現(xiàn)了材料、元件、電路三位一體。集成霍爾傳感器與分立相比，由于減少了焊點(diǎn)，因此顯著地提高了可靠性。此外，它具有體積小、重量輕、功耗低等優(yōu)點(diǎn)，正越來(lái)越愛(ài)到眾的重視。集成霍爾傳感器的輸出是經(jīng)過(guò)處理的霍爾輸出信號(hào)。按照輸出信號(hào)的形式，可以分為開(kāi)關(guān)型集成霍爾傳感器和線(xiàn)性集成霍爾傳感器兩種類(lèi)型。第20頁(yè)，共62頁(yè)，2023年，2月20日，星期六(一)開(kāi)關(guān)型集成霍爾傳感器第21頁(yè)，共62頁(yè)，2023年，2月20日，星期六開(kāi)關(guān)型集成霍爾傳感器是把霍爾元件的輸出經(jīng)過(guò)處理后輸出一個(gè)高電平或低電平的數(shù)字信號(hào)。電路的工作原理是：第22頁(yè)，共62頁(yè)，2023年，2月20日，星期六1)圖中的霍爾元件是在N型硅外延層上制作的，N型硅的各項(xiàng)參數(shù)很適合做霍爾元件。2)由于在制造工藝中采用了光刻技術(shù)，電極的對(duì)稱(chēng)性好，零位誤差大大減小。3)由于厚度d很小，提高了霍爾元件的靈敏度。4)在0.1T磁場(chǎng)作用下，元件開(kāi)路時(shí)可輸出20mV左右的霍爾電壓。5)霍爾輸出經(jīng)前置放大的后送到史密特觸發(fā)器，通過(guò)整形成為矩形脈沖輸出。6)當(dāng)B為0時(shí)，UH=0。第23頁(yè)，共62頁(yè)，2023年，2月20日，星期六第24頁(yè)，共62頁(yè)，2023年，2月20日，星期六

1)集成霍爾傳感器的導(dǎo)通磁感應(yīng)強(qiáng)度和截止磁感應(yīng)強(qiáng)度之間存在滯后效應(yīng)。其回差寬度ΔB為ΔB=B(H→L)-B(L→H)2)開(kāi)關(guān)型集成霍爾傳感器的這一特性，正是我們所需要的，它大大增強(qiáng)了開(kāi)關(guān)電路的抗干擾能力，保證開(kāi)關(guān)動(dòng)作穩(wěn)定，不產(chǎn)生振蕩現(xiàn)象。第25頁(yè)，共62頁(yè)，2023年，2月20日，星期六(二)線(xiàn)性集成霍爾傳感器線(xiàn)性集成霍爾傳感器是把霍爾元件與放大線(xiàn)路集成在一起的傳感器。其輸出信號(hào)與磁感應(yīng)強(qiáng)度成比例。通常由霍爾元件、差分放大、射極跟隨輸出及穩(wěn)壓四部分組成，其典型線(xiàn)路如下圖所示。全電路的增益可設(shè)置到1000倍左右，與分立元件霍爾傳感器相比，靈敏度大為提高。第26頁(yè)，共62頁(yè)，2023年，2月20日，星期六第27頁(yè)，共62頁(yè)，2023年，2月20日，星期六6測(cè)量電路1)基本測(cè)量電路激勵(lì)電流由電壓源E供給，其大小由可變電阻來(lái)調(diào)節(jié)。RL為輸出霍爾電勢(shì)UH的負(fù)載電阻，通常為顯示儀表或放大器的輸入阻抗。由于霍爾電動(dòng)勢(shì)隨激勵(lì)電流增大而增大，故在應(yīng)用中總希望選用較大的激勵(lì)電流。但激勵(lì)電流增大，霍爾元件的功耗增大，元件的溫度升高，從而引起霍爾電動(dòng)勢(shì)的溫漂增大，因此每種型號(hào)的元件均規(guī)定了相應(yīng)的最大激勵(lì)電流，它的數(shù)值從幾毫安至幾十毫安不等。第28頁(yè)，共62頁(yè)，2023年，2月20日，星期六

為了獲得較大的霍爾輸出電勢(shì)，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(lián)輸出串聯(lián)。下圖(b)為交流供電，控制電流端串聯(lián)變壓器疊加輸出。2)連接方式第29頁(yè)，共62頁(yè)，2023年，2月20日，星期六3)差分放大電路霍爾元件的輸出電壓一般較小，需要用放大電路放大其輸出電壓。為了獲得較好的放大效果，需采用差分放大電路。第30頁(yè)，共62頁(yè)，2023年，2月20日，星期六4)儀用放大電路使用一個(gè)運(yùn)算放大器時(shí)，霍爾元件的輸出電阻可能會(huì)大于運(yùn)算放大器的輸入電阻，從而產(chǎn)生誤差，采用下圖所示的電路，則不存在這個(gè)問(wèn)題。第31頁(yè)，共62頁(yè)，2023年，2月20日，星期六

不等位電勢(shì)是霍爾元件在加控制電流而不加外磁場(chǎng)時(shí)，而出現(xiàn)的霍爾電勢(shì)稱(chēng)為零位誤差。在分析不等位電勢(shì)時(shí)，可將霍爾元件等效為一個(gè)電橋，如右圖所示。控制電極A、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。6)不等位電勢(shì)的補(bǔ)償?shù)?2頁(yè)，共62頁(yè)，2023年，2月20日，星期六

理想情況下，不等位電勢(shì)UM=0，對(duì)應(yīng)于電橋的平衡狀態(tài)，此時(shí)R1＝R2＝R3＝R4。如果霍爾元件的UM≠0，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(shì)的補(bǔ)償方法。第33頁(yè)，共62頁(yè)，2023年，2月20日，星期六基本補(bǔ)償電路

霍爾元件的不等位電勢(shì)補(bǔ)償電路有多種形式，下圖為兩種常見(jiàn)電路，其中RW是調(diào)節(jié)電阻?；狙a(bǔ)償電路沒(méi)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)。第34頁(yè)，共62頁(yè)，2023年，2月20日，星期六7應(yīng)用實(shí)例霍爾元件具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工藝成熟、體積小和頻帶寬等特點(diǎn)，因此得到廣泛的應(yīng)用。保持霍爾元件的控制電流恒定不變，就可測(cè)量磁感應(yīng)強(qiáng)度B，以及位移、角度等可直接轉(zhuǎn)換為B的物理量，進(jìn)一步還可以測(cè)量先轉(zhuǎn)換成位移或角度，然后間接轉(zhuǎn)換為B的物理量，如振動(dòng)、壓力、速度、加速度、轉(zhuǎn)速等。此外，任何非電量只要能轉(zhuǎn)化為位移的變化，均可利用霍爾式位移傳感器的原理變換成霍爾電動(dòng)勢(shì)，從而實(shí)現(xiàn)這樣的非電量的測(cè)量。霍爾電勢(shì)是關(guān)于I、B、

三個(gè)變量的函數(shù)，即UH=KHIBcos

。利用這個(gè)關(guān)系可以使其中兩個(gè)量不變，將第三個(gè)量作為變量，或者固定其中一個(gè)量，其余兩個(gè)量都作為變量。這使得霍爾傳感器有許多用途。第35頁(yè)，共62頁(yè)，2023年，2月20日，星期六1)霍爾式壓力傳感器第36頁(yè)，共62頁(yè)，2023年，2月20日，星期六霍爾式壓力傳感器由兩部分組成：一部分是彈性敏感元件的波登管用以感受壓力P，并將P轉(zhuǎn)換為彈性元件的位移量x，即x＝KPP，其中系數(shù)KP為常數(shù)。另一部分是霍爾元件和磁系統(tǒng)，磁系統(tǒng)形成一個(gè)均勻梯度磁場(chǎng)，如右圖所示，在其工作范圍內(nèi)，B＝KBx，其中斜率KB為常數(shù)；霍爾元件固定在彈性元件上，因此霍爾元件在均勻梯度磁場(chǎng)中的位移也是x。這樣，霍爾電勢(shì)UH與被測(cè)壓力P之間的關(guān)系就可表示為UH＝KHIB＝KHIKBKPP＝KP式中KHIKBKP＝K—霍爾式壓力傳感器的輸出靈敏度。第37頁(yè)，共62頁(yè)，2023年，2月20日，星期六2)將被測(cè)量轉(zhuǎn)換為I與B的乘積右圖為霍爾式單相交流功率計(jì)的基本電路。設(shè)輸入電壓BiRuicUHZL經(jīng)過(guò)降壓電阻R得到霍爾元件的控制電流負(fù)載ZL上的電流流過(guò)鐵心線(xiàn)圈，產(chǎn)生垂直于霍爾平面的交變磁感應(yīng)強(qiáng)度B，且B正比于i，即第38頁(yè)，共62頁(yè)，2023年，2月20日，星期六霍爾輸出電勢(shì)uH＝KHiCB將前兩式代入上式可得式中K=KHK1K2—常系數(shù)若求uH的平均值，則上式中cos（2ωt＋φ）為零，因此通過(guò)測(cè)出平均霍爾電勢(shì)，即可求出負(fù)載ZL上的有功功率。第39頁(yè)，共62頁(yè)，2023年，2月20日，星期六將圖中的電阻改用電容C代替，則使iC產(chǎn)生90o相移，同理可得

可見(jiàn)利用霍爾元件也可測(cè)量單相負(fù)載上的無(wú)功功率。

若使用三個(gè)串聯(lián)的霍爾元件和適當(dāng)?shù)碾娐?，則可測(cè)量三相負(fù)載上的有功功率和無(wú)功功率。第40頁(yè)，共62頁(yè)，2023年，2月20日，星期六3)霍爾特斯拉計(jì)（高斯計(jì)）

第41頁(yè)，共62頁(yè)，2023年，2月20日，星期六高斯計(jì)：接受所測(cè)物體的電磁波頻率，然后轉(zhuǎn)換成參數(shù)量顯示出來(lái)。主要用來(lái)測(cè)試高電壓環(huán)境電磁波特斯拉計(jì)：主要是檢測(cè)磁體單位面積磁通量的多少，也就是檢測(cè)磁感應(yīng)強(qiáng)度。第42頁(yè)，共62頁(yè)，2023年，2月20日，星期六霍爾高斯計(jì)（特斯拉計(jì)）的使用

霍爾元件磁鐵第43頁(yè)，共62頁(yè)，2023年，2月20日，星期六4)霍爾傳感器用于測(cè)量磁場(chǎng)強(qiáng)度

霍爾元件測(cè)量鐵心氣隙的B值第44頁(yè)，共62頁(yè)，2023年，2月20日，星期六5)霍爾轉(zhuǎn)速表

在被測(cè)轉(zhuǎn)速的轉(zhuǎn)軸上安裝一個(gè)齒盤(pán)，也可選取機(jī)械系統(tǒng)中的一個(gè)齒輪，將線(xiàn)性型霍爾器件及磁路系統(tǒng)靠近齒盤(pán)。齒盤(pán)的轉(zhuǎn)動(dòng)使磁路的磁阻隨氣隙的改變而周期性地變化，霍爾器件輸出的微小脈沖信號(hào)經(jīng)隔直、放大、整形后可以確定被測(cè)物的轉(zhuǎn)速。SN線(xiàn)性霍爾磁鐵第45頁(yè)，共62頁(yè)，2023年，2月20日，星期六霍爾轉(zhuǎn)速表原理

當(dāng)齒對(duì)準(zhǔn)霍爾元件時(shí)，磁力線(xiàn)集中穿過(guò)霍爾元件，可產(chǎn)生較大的霍爾電動(dòng)勢(shì)，放大、整形后輸出高電平；反之，當(dāng)齒輪的空擋對(duì)準(zhǔn)霍爾元件時(shí)，輸出為低電平。第46頁(yè)，共62頁(yè)，2023年，2月20日，星期六6)霍爾轉(zhuǎn)速傳感器在汽車(chē)防抱死裝置（ABS）中的應(yīng)用

若汽車(chē)在剎車(chē)時(shí)車(chē)輪被抱死，將產(chǎn)生危險(xiǎn)。用霍爾轉(zhuǎn)速傳感器來(lái)檢測(cè)車(chē)輪的轉(zhuǎn)動(dòng)狀態(tài)有助于控制剎車(chē)力的大小。帶有微型磁鐵的霍爾傳感器鋼質(zhì)霍爾第47頁(yè)，共62頁(yè)，2023年，2月20日，星期六7)霍爾轉(zhuǎn)速表的其他安裝方法

只要黑色金屬旋轉(zhuǎn)體的表面存在缺口或突起，就可產(chǎn)生磁場(chǎng)強(qiáng)度的脈動(dòng)，從而引起霍爾電勢(shì)的變化，產(chǎn)生轉(zhuǎn)速信號(hào)。霍爾元件磁鐵第48頁(yè)，共62頁(yè)，2023年，2月20日，星期六8)霍爾式無(wú)刷電動(dòng)機(jī)

霍爾式無(wú)刷電動(dòng)機(jī)取消了換向器和電刷，而采用霍爾元件來(lái)檢測(cè)轉(zhuǎn)子和定子之間的相對(duì)位置，其輸出信號(hào)經(jīng)放大、整形后觸發(fā)電子線(xiàn)路，從而控制電樞電流的換向，維持電動(dòng)機(jī)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。由于無(wú)刷電動(dòng)機(jī)不產(chǎn)生電火花及電刷磨損等問(wèn)題，所以它在錄像機(jī)、CD唱機(jī)、光驅(qū)等家用電器中得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。普通直流電動(dòng)機(jī)使用的電刷和換向器第49頁(yè)，共62頁(yè)，2023年，2月20日，星期六光驅(qū)用的無(wú)刷電動(dòng)機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)第50頁(yè)，共62頁(yè)，2023年，2月20日，星期六1．由于無(wú)電刷，沒(méi)有磨損問(wèn)題，壽命長(zhǎng)、可靠性高。2．具有良好的旋轉(zhuǎn)特性，可以取得很寬的轉(zhuǎn)速特性、噪音低、起動(dòng)轉(zhuǎn)矩為額定轉(zhuǎn)矩的2～3倍、穩(wěn)定性好。第51頁(yè)，共62頁(yè)，2023年，2月20日，星期六無(wú)刷電動(dòng)機(jī)在電動(dòng)自行車(chē)上的應(yīng)用

電動(dòng)自行車(chē)可充電電池組無(wú)刷電動(dòng)機(jī)第52頁(yè)，共62頁(yè)，2023年，2月20日，星期六9)霍爾式接近開(kāi)關(guān)

當(dāng)磁鐵的有效磁極接近、并達(dá)到動(dòng)作距離時(shí)，霍爾式接近開(kāi)關(guān)動(dòng)作。霍爾接近開(kāi)關(guān)