《傳感器技術(shù)及應(yīng)用》課件第6章 霍爾式傳感器

第6章霍爾式傳感器本章內(nèi)容

6.1霍爾效應(yīng)及霍爾元件

6.2應(yīng)用舉例

學(xué)習(xí)目標(biāo)

了解霍爾效應(yīng)、霍爾元件電路符號(hào)、基本特性和基本結(jié)構(gòu)。掌握霍爾元件的典型應(yīng)用。6.1霍爾效應(yīng)及霍爾元件

6.1.1霍爾效應(yīng)

霍爾式傳感器是利用半導(dǎo)體在磁場(chǎng)中的霍爾效應(yīng)制成的一種傳感器。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(méi)有得到應(yīng)用。隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，開(kāi)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。

金屬或半導(dǎo)體薄片在磁場(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)。該電勢(shì)稱(chēng)為霍爾電勢(shì)。霍爾效應(yīng)的原理圖如圖6-1所示。圖中為N型半導(dǎo)體薄片，在半導(dǎo)體左右兩端通以電流I（稱(chēng)為控制電流）。當(dāng)沒(méi)有外加磁場(chǎng)作用時(shí)，半導(dǎo)體中電子沿直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)。當(dāng)在半導(dǎo)體正面垂直方向加上磁場(chǎng)B時(shí)，電子在洛侖茲力FL的作用下向內(nèi)側(cè)偏移，這樣在半導(dǎo)體內(nèi)側(cè)方向積聚大量的電子，而外側(cè)則積聚大量的正電荷，上下兩個(gè)側(cè)面間形成電場(chǎng)，這一電場(chǎng)就是霍爾電場(chǎng)。圖3-1變磁阻式傳感器1—線(xiàn)圈；2—鐵芯（定鐵芯）；3—銜鐵（動(dòng)鐵芯）該電場(chǎng)強(qiáng)度為

（6-1）式中：UH——電勢(shì)差。圖6-1霍爾效應(yīng)原理圖洛侖茲力FL的大小為

FL=eBv （6-2）

該電場(chǎng)的電場(chǎng)力又阻礙電子的偏移，當(dāng)電場(chǎng)力FE與洛侖茲力相等時(shí)，即

eEH=eBv（6-3）則EH=Bv（6-4）

此時(shí)電荷不在向兩側(cè)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（6-5）

將式（6-5）代入式（6-4），得

（6-6）將式（6-6）代入式（6-1），得

（6-7）式中：令RH=1/ne，稱(chēng)之為霍爾常數(shù)，其大小取決于導(dǎo)體載流子密度。則

（6-8）式中：KH=RH/d稱(chēng)為霍爾片的靈敏度。從上面的公式可以看出，霍爾電勢(shì)正比于電流強(qiáng)度和磁場(chǎng)強(qiáng)度，且與霍爾元件的形狀有關(guān)。在電流強(qiáng)度恒定，元件形狀確定的情況下，霍爾電勢(shì)正比于磁場(chǎng)強(qiáng)度。當(dāng)所加磁場(chǎng)方向改變時(shí)，霍爾電勢(shì)的符號(hào)也隨著改變，因此，利用霍爾元件可以測(cè)量磁場(chǎng)的大小和方向。

6.1.2霍爾元件的基本結(jié)構(gòu)

霍爾元件是根據(jù)霍爾效應(yīng)原理制成的磁電轉(zhuǎn)換元件，常用鍺、硅、砷化鎵、砷化銦及銻化銦等半導(dǎo)體材料制成。用銻化銦制成的霍爾元件靈敏度最高，但受溫度的影響較大。用鍺制成的霍爾元件雖然靈敏度低，但它的溫度特性及線(xiàn)性度好。目前使用銻化銦霍爾元件的場(chǎng)合較多。如圖6-2（a）所示是霍爾元件的外形結(jié)構(gòu)圖，它由霍爾片、四根引線(xiàn)和殼體組成，激勵(lì)電極通常用紅色線(xiàn)，而霍爾電極通常用綠色或黃色線(xiàn)表示。

（a）（b）圖6-2霍爾元件（a）外形示意圖；（b）圖形符號(hào)

1、1′—激勵(lì)電極；2、2′—霍爾電極

6.1.3霍爾元件的基本特性1、輸入電阻和輸出電阻

霍爾元件激勵(lì)電極之間電阻為輸入電阻，霍爾電極輸出電勢(shì)對(duì)于電路外部來(lái)說(shuō)相當(dāng)于一個(gè)電壓源，其電源內(nèi)阻即為輸出電阻。當(dāng)壓力進(jìn)入膜盒時(shí)，膜盒的頂端在壓力P的作用下產(chǎn)生與壓力P大小成正比的位移。于是銜鐵也發(fā)生移動(dòng)，從而使氣隙發(fā)生變化，流過(guò)線(xiàn)圈的電流也發(fā)生相應(yīng)的變化，電流表指示值就反映了被測(cè)壓力的大小。

2、額定激勵(lì)電流當(dāng)霍爾元件自身溫升10℃時(shí)所流過(guò)的激勵(lì)電流稱(chēng)為額定激勵(lì)電流。3、不等位電勢(shì)U0和不等位電阻r0

霍爾元件在額定激勵(lì)電流作用下，若元件不加外磁場(chǎng)，輸出的霍爾電勢(shì)的理想值應(yīng)為零，但實(shí)際不等于零，此時(shí)的空載霍爾電勢(shì)稱(chēng)為不等位電勢(shì)。原因有以下幾方面。（1）存在電極的安裝位置不對(duì)稱(chēng)；（2）半導(dǎo)體材料電阻率不均衡或幾何尺寸不均勻；（3）激勵(lì)電極接觸不良造成激勵(lì)電流不均勻分布等。不等位電勢(shì)也可以用不等位電阻ro表示，其值為不等位電勢(shì)與激勵(lì)電流I的比值，如圖6-3所示。

圖6-3不等位電阻4、寄生直流電勢(shì)（霍爾元件零位誤差的一部分）當(dāng)沒(méi)有外加磁場(chǎng)，霍爾元件用交流控制電流，霍爾電極的輸出有一個(gè)直流電勢(shì)，稱(chēng)為寄生直流電勢(shì)。其產(chǎn)生的原因有：（1）控制電極和霍爾電極與基片的連接是非完全歐姆接觸時(shí)，會(huì)產(chǎn)生整流效應(yīng)。（2）兩個(gè)霍爾電極焊點(diǎn)的不一致，引起兩電極溫度不同產(chǎn)生溫差電勢(shì)。

5、霍爾電勢(shì)的溫度系數(shù)α

在一定的磁感應(yīng)強(qiáng)度和控制電流下，溫度每變化1℃時(shí)，霍爾電勢(shì)的相對(duì)變化率稱(chēng)為霍爾電勢(shì)溫度系數(shù)，用α表示。α有正負(fù)之分，α為負(fù)值表示器件的UH隨溫度升高而下降。α越小越好。6、霍爾靈敏度KH由式6-9可知，KH是指I為單位電流，B為單位磁感應(yīng)強(qiáng)度，霍爾電極為開(kāi)路（R=∞）時(shí)的霍爾電勢(shì)。（6-9）

7、磁非線(xiàn)性度NL

在一定控制電流下，UH與B成線(xiàn)性的關(guān)系式具有近似性，再加上結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和工藝制備方面的原因，實(shí)際上對(duì)線(xiàn)性有一定程度的偏離。磁非線(xiàn)性度NL定義為

NL=×100%

（6-10）和

分別為在一定磁場(chǎng)B下，霍爾電勢(shì)的測(cè)量值和按式6-9的計(jì)算值。一般NL為10﹣3數(shù)量級(jí)。NL越小越好。

8、工作溫度范圍在UH的公式中含有電子濃度n，當(dāng)器件溫度過(guò)高或過(guò)低，n將大幅度變大或變小，使器件不能正常工作。銻化銦的正常工作溫度范圍是0℃～+40℃，鍺為-40℃～+75℃，硅為-60℃～+150℃。砷化鎵為-60℃～+200℃。9、內(nèi)阻溫度系數(shù)β器件輸入電流和輸入電阻隨溫度而有所變化的變化率。內(nèi)阻溫度系數(shù)約為10—3℃數(shù)量級(jí)。β越小越好。

10、磁靈敏度KB

當(dāng)控制電流為額定控制電流時(shí)，單位磁感應(yīng)強(qiáng)度產(chǎn)生的開(kāi)路霍爾電勢(shì)為KB。典型的砷化鎵霍爾器件主要參數(shù)如表6-1所示。表6-1典型的砷化鎵霍爾器件主要參數(shù)項(xiàng)目符號(hào)測(cè)試條件典型值單位額定功耗P0T=25℃25mW開(kāi)路靈敏度KHIH=1mA，B=1kGs①20mV/（mA·kGs）不等位電動(dòng)勢(shì)U0IH=1mA，B=00.1mV最大工作電流Imt=60℃20mA最大磁感應(yīng)強(qiáng)度B

mIm=10mA7kGs

表6-1典型的砷化鎵霍爾器件主要參數(shù)項(xiàng)目符號(hào)測(cè)試條件典型值單位輸入電阻R

iIH=0.1mA，B=0500Ω輸出電阻R

o500Ω線(xiàn)性度γLB=0~20kGs，IH=1mA0.2%內(nèi)阻溫度系數(shù)aIH=0，B=0，t=-50℃～70℃0.3%/℃靈敏度溫度系數(shù)b1.010-4/℃霍爾電動(dòng)勢(shì)溫度系數(shù)cIH=1mA，B=1kGs，t=-50℃～70℃-0.1%/℃工作溫度t-40～+125℃續(xù)表注：①1kGs=0.1T6.2應(yīng)用舉例

6.2.1霍爾式微量位移的測(cè)量由霍爾效應(yīng)可知，當(dāng)控制電流恒定時(shí)，霍爾電壓U與磁感應(yīng)強(qiáng)度B成正比，若磁感應(yīng)強(qiáng)度B是位置x的函數(shù)，即

UH=kx （6-11）式中：ｋ——位移傳感器靈敏度。則霍爾電壓的大小就可以用來(lái)反映霍爾元件的位置。當(dāng)霍爾元件在磁場(chǎng)中移動(dòng)時(shí)，輸出霍爾電壓U的變化就反映了霍爾元件的位移量Δx。利用上述原理可對(duì)微量位移進(jìn)行測(cè)量。

圖6-4為霍爾式位移傳感器的工作原理圖。圖6-4（a）中磁場(chǎng)強(qiáng)度相同的兩塊永久磁鐵，同極性相對(duì)地放置，霍爾元件處于兩塊磁鐵中間。由于磁鐵中間的磁感應(yīng)強(qiáng)度B=0，由此霍爾元件的輸出電壓U也等于零，這時(shí)位移Δx=0。若霍爾元件在兩磁鐵中間產(chǎn)生相對(duì)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)有輸出U，其量值大小反映出霍爾元件與磁鐵之間相對(duì)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，當(dāng)位移小于2mm時(shí)，輸出霍爾電壓與位移之間有良好的線(xiàn)性關(guān)系。圖6-4（b）所示的是一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的霍爾位移傳感器，是由一塊永久磁鐵組成磁路的傳感器，在霍爾元件處于初始位置Δx=0時(shí)，霍爾電壓不等于零。

圖6-4（c）所示的是一個(gè)由兩個(gè)結(jié)構(gòu)相同的磁路組成的霍爾式位移傳感器，為了獲得較好的線(xiàn)性分布，在磁極端面裝有極靴，霍爾元件調(diào)整好初始位置時(shí)，可以使霍爾電壓等于零。這種傳感器靈敏度很高，但它所能檢測(cè)的位移量較小，適合于微位移量及振動(dòng)的測(cè)量。圖6-4霍爾式位移傳感器的工作原理圖（a）磁場(chǎng)強(qiáng)度相同的傳感器；（b）簡(jiǎn)單的位移傳感器；（c）結(jié)構(gòu)相同的位移傳感器

6.2.2霍爾元件在轉(zhuǎn)速測(cè)量上的應(yīng)用利用霍爾元件測(cè)量轉(zhuǎn)速的工作原理非常簡(jiǎn)單，將永久磁體按適當(dāng)?shù)姆绞焦潭ㄔ诒粶y(cè)軸上，霍爾元件置于磁鐵的氣隙中，當(dāng)軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，霍爾元件輸出的電壓則包含有轉(zhuǎn)速的信息，該電壓經(jīng)后續(xù)電路處理，便可得到轉(zhuǎn)速的數(shù)據(jù)。如圖6-5（a）、（b）是兩種測(cè)量轉(zhuǎn)速方法的示意圖。

（a）（b）（c）（d）圖6-5幾種霍爾式轉(zhuǎn)速傳感器的結(jié)構(gòu)1—輸入軸；2—轉(zhuǎn)盤(pán)；3—小磁鐵；4—霍爾傳感器

6.2.3構(gòu)成金屬計(jì)數(shù)器

如圖6-6所示是應(yīng)用于計(jì)數(shù)的霍爾接近開(kāi)關(guān)原理圖。當(dāng)帶磁性的物體接近霍爾元件時(shí)，霍爾元件就輸出一個(gè)脈沖電壓，經(jīng)過(guò)放大整形后驅(qū)動(dòng)光電管工作，計(jì)數(shù)器便進(jìn)行計(jì)數(shù)，并由顯示器進(jìn)行顯示。

圖6-6霍爾式接近開(kāi)關(guān)應(yīng)用于計(jì)數(shù)電原理圖6.2.4霍爾式接近開(kāi)關(guān)的應(yīng)用

利用霍爾效應(yīng)可以制成開(kāi)關(guān)型傳感器，廣泛應(yīng)用于測(cè)轉(zhuǎn)速、制作接近開(kāi)關(guān)等。如圖6-7所示是霍爾式接近開(kāi)關(guān)原理圖及工作特性曲線(xiàn)。它主要由霍爾元件、放大電路、整形電路、輸出驅(qū)動(dòng)及穩(wěn)壓電路5部分組成。

（a）（b）圖6-7霍爾式接近開(kāi)關(guān)原理及開(kāi)關(guān)特性（a）原理圖；（b）工作特性曲線(xiàn)

由工作特性曲線(xiàn)可見(jiàn)，霍爾式接近開(kāi)關(guān)工作時(shí)具有一定的磁滯特性，可以使開(kāi)關(guān)更可靠工作。圖中BH為工作點(diǎn)“開(kāi)”的磁場(chǎng)強(qiáng)度，BL為釋放點(diǎn)“關(guān)”的磁場(chǎng)強(qiáng)度。

本章小結(jié)霍爾式傳感器是利用半導(dǎo)體在磁場(chǎng)中的霍爾效應(yīng)制成的一種傳感器。位于磁場(chǎng)中的靜止載流導(dǎo)體，當(dāng)電流I的方向與磁場(chǎng)強(qiáng)度H的方向垂直時(shí)，則