第7章-霍爾式傳感器及應(yīng)用

2023/1/311第7章霍爾式傳感器及應(yīng)用2023/1/312引言霍爾傳感器是基于霍爾效應(yīng)的一種傳感器。1879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)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(cè)量、壓力、加速度、振動(dòng)等方面的測(cè)量。2023/1/313主要章節(jié)7.1霍爾效應(yīng)及霍爾元件7.2霍爾傳感器實(shí)用電路2023/1/3147.1霍爾效應(yīng)及霍爾元件金屬或半導(dǎo)體薄片置于磁感應(yīng)強(qiáng)度B的磁場(chǎng)（磁場(chǎng)方向垂直與薄片）中，當(dāng)有電流I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)UH，這種物理現(xiàn)象稱為霍爾效應(yīng)。該電勢(shì)UH

稱霍爾電勢(shì)。7.1.1霍爾效應(yīng)2023/1/315霍爾效應(yīng)原理一塊長(zhǎng)為L(zhǎng)、寬為W、厚為d的N型半導(dǎo)體薄片，位于磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的磁場(chǎng)中，B垂直于L-W平面，沿L通電流I，N型半導(dǎo)體的載流體-電子將受到B產(chǎn)生的洛侖茲力FB的作用2023/1/316在力FB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)面上形成電子的積累，而在相對(duì)的另一側(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)面上產(chǎn)生霍爾電場(chǎng)EH。該電場(chǎng)使運(yùn)動(dòng)電子受有電場(chǎng)力FE2023/1/317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UH

，稱為霍爾電勢(shì)2023/1/318磁場(chǎng)與薄片法線夾角為

2023/1/319常用的霍爾元件材料鍺、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(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)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。2023/1/3110常用國(guó)產(chǎn)霍爾元件的技術(shù)參數(shù)參數(shù)名稱符號(hào)單位HZ-1型HZ-2型HZ-3型HZ-4型HT-1型HT-2型HS-1型材料（N）型Ge（111）Ge（111）Ge（111）Ge（100）InSbInSbInAS電阻率·cm0.8～1.20.8～1.20.8～1.20.4～0.50.003～0.010.003～0.050.01幾何尺寸L×b×dmm38×4×0.24×2×0.28×4×0.28×4×0.26×3×0.28×4×0.28×4×0.2輸入電阻Ri110±20%110±20%110±20%45±20%0.8±20%0.8±20%1.2±20%輸出電阻Ru100±20%100±20%100±20%40±20%0.5±20%0.5±20%1±20%靈敏度KHmV/(mA·T)>12>12>12>41.8±20%1.8±20%1±20%不等位電阻ro<0.07<0.05<0.07<0.02<0.005<0.005<0.0032023/1/31117.1.2霍爾元件基本結(jié)構(gòu)霍爾片、引線和殼體組成1．霍爾元件的結(jié)構(gòu)2023/1/31122.霍爾元件的連接（1）當(dāng)控制電流為直流輸入時(shí)，為了得到較大的霍爾輸出，可將幾塊霍爾元件的輸出串聯(lián)。但控制電流必須并聯(lián)，決不能串聯(lián)。因?yàn)榇?lián)起來將有大部分控制電流被相連的霍爾電勢(shì)極短接。2023/1/3113（2）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電勢(shì)及功率。2023/1/31147.1.3霍爾元件主要參數(shù)及其誤差（1）乘積靈敏度KH（2）額定控制電流Icm（3）磁靈敏度KB（4）輸入電阻Ri、輸出電阻R。（5）不等位電勢(shì)Uo和不等位電阻Ro（6）寄生直流電勢(shì)UOD（7）霍爾電勢(shì)溫度系數(shù)α（8）工作溫度范圍1．主要特性參數(shù)2023/1/31152.霍爾元件的誤差及補(bǔ)償（1）不等位電勢(shì)的補(bǔ)償不等位電勢(shì)的大小和極性與控制電流的大小和方向有關(guān)不等位電勢(shì)的大小和相位隨交流控制電流而變不等位電勢(shì)與控制電流之間并非線性關(guān)系，而且U0還隨溫度而變2023/1/3116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2023/1/3117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)償不等位電動(dòng)勢(shì)2023/1/3118（2）溫度補(bǔ)償①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)電阻輸入端并聯(lián)電阻補(bǔ)償輸入端串聯(lián)電阻補(bǔ)償2023/1/3119②合理選擇負(fù)載電阻霍爾電勢(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。2023/1/3120③采用熱敏元件最常采用的補(bǔ)償方法2023/1/3121幾種補(bǔ)償電路采用熱敏元件的溫度誤差補(bǔ)償電路2023/1/31227.2霍爾傳感器實(shí)用電路將霍爾元件、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，為用戶提供了一種簡(jiǎn)化的和較完善的磁敏傳感器其輸出信號(hào)快，傳送過程中無抖動(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)移動(dòng)速度無關(guān)?；魻柤蓚鞲衅鞣譃榫€性集成電路和開關(guān)集成電路。7.2.1霍爾集成傳感器2023/1/31231.線性集成傳感器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B呈線性關(guān)系.由霍爾元件HG、放大器A、差動(dòng)輸出電路D和穩(wěn)壓電源R等組成2023/1/3124內(nèi)部框圖和輸出特性2023/1/31252.開關(guān)集成傳感器由霍爾元件HG、放大器A、輸出晶體管VT、施密特電路C和穩(wěn)壓電源R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C，通過晶體管VT的集電極輸出關(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)有施密特電路，開關(guān)特性具有時(shí)滯，因此有較好的抗噪聲效果?；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3～16V。2023/1/3126開關(guān)集成傳感器的內(nèi)部框圖和輸出特性2023/1/31277.2.2霍爾傳感器的應(yīng)用簡(jiǎn)介霍爾電勢(shì)是關(guān)于I、B、

3個(gè)變量的函數(shù)，即EH=KHIBcos

。利用這個(gè)關(guān)系可以使其中兩個(gè)量不變，將第3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。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，因而得到廣泛的應(yīng)用。2023/1/31281.測(cè)量位移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UH

也產(chǎn)生變化，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UH對(duì)位移變化的靈敏度就越高，磁場(chǎng)梯度越均勻，則UH

對(duì)位移的線性度就越好。2023/1/3129國(guó)產(chǎn)YSH-1型霍爾壓力變送器2023/1/31302.無觸點(diǎn)發(fā)信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UH產(chǎn)生顯著的變化，這就是霍爾無觸點(diǎn)發(fā)信。無觸點(diǎn)發(fā)信只要求傳感器輸出一個(gè)足夠大的UH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)量。2023/1/3131磁轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速檢測(cè)電路2023/1/31323.無觸點(diǎn)開關(guān)霍爾式無觸點(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線是由上向下的。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?；魻杺鞲衅鬏敵霾煌臓顟B(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。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)械接觸，使用壽命特別長(zhǎng)。2023/1/3133

集成霍爾傳感器構(gòu)成的按鈕1—按鈕2—外殼3—導(dǎo)磁材料4—集成傳感器2023/1/31344.霍爾齒輪傳感器差動(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)）作為車速傳感器等。2023/1/3135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。帶有微型磁鐵的霍爾傳感器鋼質(zhì)霍爾2023/1/3136ABS的工作原理1—車速齒輪傳感器2—壓力調(diào)節(jié)器3—控制器2023/1/31375.霍爾式轉(zhuǎn)速傳感器磁性轉(zhuǎn)盤的輸入軸與被測(cè)轉(zhuǎn)軸相連，當(dāng)被測(cè)轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，磁性轉(zhuǎn)盤隨之轉(zhuǎn)動(dòng)，固定在磁性轉(zhuǎn)盤附近的霍爾傳感器便可在每一個(gè)小磁鐵通過時(shí)產(chǎn)生一個(gè)相應(yīng)的脈沖，檢測(cè)出單位時(shí)間的脈沖數(shù)，便可知被測(cè)轉(zhuǎn)速。磁性轉(zhuǎn)盤上小磁鐵數(shù)目的多少?zèng)Q定了傳感器測(cè)量轉(zhuǎn)速的分辨率。2023/1/3138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，也可選取機(jī)械系統(tǒng)中的一個(gè)齒輪，將線性型霍爾器件及磁路系統(tǒng)靠近齒盤。齒盤的轉(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線性霍爾磁鐵2023/1/3139