傳感器與檢測技術(shù) 第七章 霍爾傳感器

傳感器與檢測技術(shù)第七章霍爾傳感器第一頁，共三十頁，2022年，8月28日第七章霍爾傳感器第一節(jié)霍爾效應(yīng)第二節(jié)霍爾元件的基本特性第三節(jié)霍爾元件的誤差及其補償?shù)谒墓?jié)測量電路第五節(jié)集成霍爾傳感器第六節(jié)霍爾傳感器的應(yīng)用第二頁，共三十頁，2022年，8月28日第一節(jié)霍爾效應(yīng)

1879年美國物理學(xué)家霍爾發(fā)現(xiàn)霍爾效應(yīng)。金屬或半導(dǎo)體薄片置于磁場中，當有電流流過時，在垂直于電流和磁場的方向上將產(chǎn)生電動勢，這種物理現(xiàn)象稱為霍爾效應(yīng)。第三頁，共三十頁，2022年，8月28日半導(dǎo)體中的電子受洛倫茲力FL的作用：

電子又受到霍爾電場的作用力當達到動態(tài)平衡時霍爾電場強度第四頁，共三十頁，2022年，8月28日X為電荷的遷移率（m2/vs）電流密度電阻率霍爾電壓為：令則第五頁，共三十頁，2022年，8月28日

霍爾常數(shù)RH等于材料的電阻率與電子遷移率的乘積，金屬材料電子遷移率大，但電阻率很?。唤^絕材料電阻率極高，但載流子遷移率極低；只有半導(dǎo)體材料適于作霍爾元件，其電阻率和載流子的遷移率都比較大。

目前常用的半導(dǎo)體材料有硅、鍺、銻化銦和砷化銦等，這些材料不但有較大的霍爾常數(shù)，而且有較好的線性度。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。

第六頁，共三十頁，2022年，8月28日KH表示為一個霍爾元件在單位B和電位I時輸出霍爾電壓的大小。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。

則稱之為霍爾元件靈敏度

令第七頁，共三十頁，2022年，8月28日第二節(jié)霍爾元件的基本特性一、霍爾元件

第八頁，共三十頁，2022年，8月28日二、霍爾元件的基本特性1.UH—B特性當控制電流不變時，霍爾電壓與磁場具有單值關(guān)系，在磁不飽和時，UH與B具有線性關(guān)系。如使傳感器處于非均勻磁場中，傳感器的輸出正比于磁感應(yīng)強度，因此，對凡是能轉(zhuǎn)換為磁感應(yīng)強度變化的量都能進行測量，如位移、角度、轉(zhuǎn)速和加速度等。第九頁，共三十頁，2022年，8月28日二、霍爾元件的基本特性2.UH—I特性特性磁場不變，傳感器輸出值正比于控制電流值，因此，凡能轉(zhuǎn)換為電流變化的量，均能進行測量。3.UH——IB特性傳感器輸出值正比于磁感應(yīng)強度和控制電流之積，因此，它可以用于乘法、功率等方面的計算與測量。第十頁，共三十頁，2022年，8月28日霍爾元件主要特性參數(shù)：

1.輸入電阻和輸出電阻霍爾元件工作時需要加控制電流，這就需要知道控制電極間的電阻，稱輸入電阻。霍爾電極輸出霍爾電勢對外電路來說相當于一個電壓源，其電源內(nèi)阻即為輸出電阻。以上電阻值是在磁感應(yīng)強度為零且環(huán)境溫度在20℃±5℃時確定的。

2.額定控制電流和最大允許控制電流當霍爾元件自身溫升10℃時所流過的控制電流稱為額定控制電流。以元件允許的最大溫升為限制所對應(yīng)的控制電流稱為最大允許控制電流。第十一頁，共三十頁，2022年，8月28日3.不等位電勢和不等位電阻

當霍爾元件的控制電流為IN時，若元件所處位置磁感應(yīng)強度為零，則它的霍爾電勢應(yīng)該為零，但實際不為零。這時測得的空載霍爾電勢稱不等位電勢。

產(chǎn)生這一現(xiàn)象的原因有：

（1）霍爾電極安裝位置不對稱或不在同一等電位面上；（2）半導(dǎo)體材料不均勻造成了電阻率不均勻或是幾何尺寸不均勻。（3）控制電極接觸不良造成控制電流不均勻分布等。第十二頁，共三十頁，2022年，8月28日不等位電勢是由霍爾電勢c和d之間的電阻ro決定的，稱為不等位電阻

第十三頁，共三十頁，2022年，8月28日4.寄生直流電勢

其產(chǎn)生的原因有：（1）控制電極和霍爾電極與基片的連接屬于金屬與半導(dǎo)體的連接，這種連接是非完全歐姆接觸時。會產(chǎn)生整流效應(yīng)；（2）控制電流和霍爾電勢都是交流時，經(jīng)整流效應(yīng)，它們各自都在霍爾電極之間建立直流電勢。（3）兩個霍爾電極焊點的不一致，造成兩焊點熱容量、散熱狀態(tài)的不一致，因而引起兩電極溫度不同產(chǎn)生溫差電勢，也是寄生直流電勢的一部分。第十四頁，共三十頁，2022年，8月28日5.寄生感應(yīng)電勢

當控制電流I為交變電流時，此電流形成的交變磁場在電極引線上要產(chǎn)生寄生感應(yīng)電勢。為了減小寄生感應(yīng)電勢，要求各電極引線盡可能短，且布線合理以減少磁交鏈。

6.霍爾電勢溫度系數(shù)

在一定磁感應(yīng)強度和控制電流下，溫度每變化1℃時，霍爾電勢變化的百分率稱霍爾電勢溫度系數(shù)。

第十五頁，共三十頁，2022年，8月28日三、誤差及其補償

1、零位誤差及其補償

霍爾元件在控制電流I=0或磁場B=0時出現(xiàn)的霍爾電壓ΔUH，稱之為零位誤差。

（1）直流寄生電勢

霍爾元件控制電流或霍爾電壓兩引線電極焊點大小不等、熱容量不同，或接觸不良、歐姆電阻大小不等，因而引起溫差電勢。提高電極焊點結(jié)構(gòu)上的對稱性，保持電極引線接觸良好，且散熱條件相同，可以減小這種直流寄生電勢。

第十六頁，共三十頁，2022年，8月28日（2）寄生感應(yīng)電勢

當控制電流I為交變電流時，此電流形成的交變磁場在電極引線上要產(chǎn)生寄生感應(yīng)電勢。為了減小寄生感應(yīng)電勢，要求各電極引線盡可能短，且布線合理以減少磁交鍵。

（3）不等位電勢

不等位電勢與霍爾電勢具有相同的數(shù)量級，有時甚至超過霍爾電勢。實用中，若想消除不等位電勢極其困難的，因而只有采用補償?shù)姆椒?。由于不等位電勢由不等位電阻產(chǎn)生，因而可以用分析電阻的方法找到一個不等位電勢的補償方法。

第十七頁，共三十頁，2022年，8月28日霍爾元件不等位電勢原理圖

（a）不對稱電極

（b）電極等效電橋

第十八頁，共三十頁，2022年，8月28日不等位電勢補償電路

（a）是電阻值較大的橋臂上并聯(lián)電阻（b）是在兩相鄰橋臂上并聯(lián)電阻，以增加電極等效電橋的對稱性。

第十九頁，共三十頁，2022年，8月28日

2、溫度誤差及其補償

電路中用一個分流電阻rT與霍爾元件的控制電極相并聯(lián)。當霍爾元件的輸入電阻隨溫度升高而增加時，旁路分流電阻自動加強分流，減小了霍爾元件的控制電流I，從而達到補償?shù)哪康摹?/p>

選擇溫度系數(shù)小的霍爾元件；采取恒溫措施；采用恒流源供電。第二十頁，共三十頁，2022年，8月28日四、測量電路

1.線性型測量電路

U0正比于磁感應(yīng)強度，輸出電壓與外加磁感應(yīng)強度呈線性關(guān)系。

第二十一頁，共三十頁，2022年，8月28日2.開關(guān)型測量電路

U0為開關(guān)量，差動放大器工作在開環(huán)狀態(tài)。

第二十二頁，共三十頁，2022年，8月28日第三節(jié)集成霍爾傳感器及應(yīng)用把霍爾元件和測量電路集成在一起組成集成霍爾傳感器.這類傳感器具有工作頻帶寬、響應(yīng)快、靈敏度高、無觸點、體積小等優(yōu)點。按其功能不同可分為兩大類：開關(guān)型集成霍爾傳感器和線性型集成霍爾傳感器。第二十三頁，共三十頁，2022年，8月28日一、開關(guān)型霍爾傳感器的組成第二十四頁，共三十頁，2022年，8月28日輸出電平與磁感應(yīng)強度之間的關(guān)系開關(guān)型集成霍爾傳感器輸出電平具有遲滯現(xiàn)象，其回差寬度ΔB=BH－BL。ΔB越小，電平轉(zhuǎn)移靈敏度就越高；反之，ΔB越大，輸出電平抗干擾能力越強。

第二十五頁，共三十頁，2022年，8月28日二、應(yīng)用

1.國產(chǎn)CS835霍爾無觸點開關(guān)

B≠0，VT導(dǎo)通，V0=0B=0，VT截止，V0=1可作安保設(shè)備用。集成器件裝在門框上，永磁體裝門上。門打開時，開關(guān)輸出高電平，門鈴響。

第二十六頁，共三十頁，2022年，8月28日2.國產(chǎn)CS3120高溫霍爾傳感器的外型結(jié)構(gòu)面對磁場第二十七頁，共三十頁，2022年，8月28日第三節(jié)集成霍爾傳感器及應(yīng)用霍爾式汽車點火器第二十八頁，共三十頁，2022年，8月28日思考題：用開關(guān)型霍爾傳感器測量電動小汽車的路程和速度。第二十九頁，共三十頁，2022年，8月28日

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