《霍爾傳感器》PPT課件

第八章 霍爾傳感器 8.1 霍爾效應及霍爾元件 8.2 霍爾集成傳感器 8.3 霍爾傳感器的應用 8.1 霍爾效應及霍爾元件 8.1 霍爾效應及霍爾元件 8.1.1 霍爾效應 位于磁場中的靜止載流導體，當其電 流 I的方向與磁場強度 H的方向之間有夾角 時，則在載流導體中平行與 H、 I的兩側面 之間將產生電動勢，這一物理現(xiàn)象稱為霍 爾效應。 如圖 8-1所示， 圖 8-1 霍爾效應原理 其洛侖茲力大小可表示為 FL= q0vB 靜電場對電子的作用力 上式連立 : b UqEqF H 0H0E BIK d BIR dnq BIU CH C H 0 C H 式中 : 0 H 1 nqR 霍爾系數(shù)（ m3/C） d RK H H 霍爾器件的靈敏系數(shù) 8.1.2霍爾元件和測量電路 霍爾元件 霍爾元件的結構如圖 8-2所示 。 圖中的矩形薄片狀的立方晶體稱為基片，在 它的兩垂側面上各裝有一對電極，電極 1-1用以 加激勵電壓或流過激勵電流，故稱為激勵電極， 電極 2-2作為霍爾電勢 UH的輸出，故稱為霍爾電 極，基片的尺寸要求厚度 d越薄越好， d越薄，霍 爾元件的靈敏系數(shù) 越大，在基片外面用金屬或陶 瓷、環(huán)氧樹脂封裝作為外殼。圖 8-3是霍爾元件 的通用圖形符號。 圖 8-2 外形結構示意圖 圖 8-3 圖形符號 2霍爾元件的測量電路 (1)基本測量電路 霍爾元件的基本測量 電路如圖 8-5所示。激勵 電流由電壓源 E供給，其 大小由可變電阻來調節(jié)。 8-5基本測量電路 (2)霍爾元件的輸出電路 在實際應用中，要根據(jù)不同的使用要求采用不同的 連接電路方式。如在直流激勵電流情況下，位了獲得較大 的霍爾電壓，可將幾塊霍爾元件的輸出電壓串聯(lián)，如圖 8- 6（ a）所示。在交流激勵電流情況下，幾塊霍爾元件的輸 出可通過變壓器接成如圖 8-6（ b）的形式，以增加霍爾 電壓或輸出功率。 (a) 直流激勵 (b) 交流激勵 圖 8-6 霍爾元件的輸出電路 8.1.3 霍爾元件的主要特性參數(shù) 1輸入電阻 Ri和輸出電阻 Ro 定義霍爾元件激勵電極之間的電阻稱為輸入 電阻 Ri?；魻栯姌O之間的電阻稱為輸出電阻 Ro 2額定激勵電流 IN和最大允許激勵電流 Imax 霍爾元件在空氣中產生的溫升為 10 時， 所對應的激勵電流稱為額定激勵電流 IN。以元件 允許的最大溫升為限制，所對應的激勵電流稱為 最大允許激勵電流 Imax。 3不等位電勢和不等位電阻 當霍爾元件的激勵電流為額定值 IN時，若元 件所處位置的磁感應強度為零，則它的霍爾電勢 應該為零，但實際不為零，這時測得的空載霍爾 電勢稱為不等位電勢。 產生原因 :主要由霍爾電極安裝不對稱造成的 ,由 于半導體材料的電阻率不均勻、基片的厚度和寬 度不一致、霍爾電極與基片的接觸不良（部分接 觸）等原因，即使霍爾電極的裝配絕對對稱，也 會產生不等位電勢。 補償方法 : 任意兩相鄰的 電極之間可視為一個 等效電阻 ,則霍爾元件 可視為一四臂電橋 ,要 不等位電勢為 0,只需 電橋輸出為零即可 ,因 此采用加調零電位器 的方法很好 .如圖 8-7 所示 . 4交流不等位電勢與寄生直流電勢 在不加外磁場的情況下，霍爾元件使用交流激勵時，霍爾電極間 的開路交流電勢稱為交流不等位電勢。在此情況下輸出的直流電勢稱 為寄生直流電勢。 產生交流不等位電勢的原因與不等位電勢相同，而寄生直流電勢的產生 則是由于： （ 1）霍爾電極與基片間的非完全歐姆接觸而產生的整流效應。 （ 2）霍爾電極與基片間的非完全歐姆接觸而產生的整流效應，使激勵電 流中包含有直流分量，通過霍爾元件的不等位電勢的作用反映出來。 一般情況下，不等位電勢越小，寄生直流電勢也越小。 （ 3）當兩個霍爾電極的焊點大小不同時，由于它們的熱容量、熱耗散等 情況的不同，引起兩電極溫度不同而產生溫差電勢，也是寄生直流電 勢的一部分。 寄生直流電勢可用圖 8-8所示電路 測量，經變壓器降壓后的交流電源供給霍 爾元件的激勵電流，直流電位差計 UJ-30 的顯示靈敏度應大于 10-7V。 圖 8-8 測量寄生直流電勢的電路圖 5霍爾電勢溫度系數(shù) 在一定磁感應強度和激勵電流下，溫度每變 化 1 時，霍爾電勢變化的百分率，稱為霍爾電勢 溫度系數(shù) 。 6霍爾靈敏系數(shù) KH 在單位控制電流和單位磁感應強度作用下， 霍爾器件輸出端的開路電壓，稱為霍爾靈敏系數(shù) KH，霍爾靈敏系數(shù) KH的單位為 V/（ AT）。 8.1.4 霍爾器件的材料選擇 以 N型半導體材料為好 .表中給出常見的 材料 . 表 8-1 霍爾器件常用材料的物理性能 8.2 霍爾集成傳感器 8.2.1霍爾開關集成傳感器 1工作原理 圖 8-9 霍爾開關集成傳感器原理框圖 （ 1）霍爾元件：在 0.1T磁場作用下，霍爾元件開路時可輸出 20mV左 右 的霍爾電壓，當有負載時輸出 10mV左右的霍爾電壓。 （ 2）差分放大器：放大器將霍爾電壓放大，以便驅動后一級整形電路。 （ 3）整形電路：一般采用施密特觸發(fā)器，它把經差分放大的電壓整形為 矩形脈沖，實現(xiàn) A/D轉換。 （ 4）輸出管：由一個或兩個三極管組成，采用單管或雙管集電極開路輸 出，集電極輸出的優(yōu)點是可以跟很多類型的電路直接連接，使用方便。 （ 5）電源電路：包括穩(wěn)壓電路和恒流電路，設置穩(wěn)壓和恒流電路的目的， 一方面是為了改善霍爾傳感器的溫度性能，另一方面可以大大提高集 成霍爾傳感器工作電源電壓的適用范圍。 2霍爾開關集成傳感器的特性 （ 1）磁特性 霍爾開關集成傳感器的磁特性是指由高電平翻轉為低電平的導通 磁感應強度 B（ H L）、由低電平翻轉為高電平的截止磁感應強度 B （ L H）和磁感應強度的滯環(huán)寬度 . 滯環(huán)寬度對霍爾開關集成傳感器是必需的，因為在導通磁感應 強度 B（ H L）附近，如果沒有滯環(huán)效應或滯環(huán)效應很小，那么由于 磁噪聲或磁鋼振動等原因，會使電路的輸出反復開啟和關閉，形成類 似于自激振蕩現(xiàn)象。為防止這種現(xiàn)象的產生，必須具有一定寬度的滯 環(huán)。但如果這種滯環(huán)寬度過大，對開關動作也是不利的，因為要求磁 場變化幅度很大，有可能不發(fā)生動作而出現(xiàn)漏計現(xiàn)象。 我國 CS型開關集成霍 爾傳感器的滯環(huán)寬度典型值 為 6 10-3T。 圖 8-10給出了霍爾開 關集成傳感器磁電轉換特 性 曲線，橫坐標表示作用于霍 爾元件上的正向磁感應強度。 8-10 霍爾開關集成傳 感器輸出特性 （ 2）電特性 霍爾開關集成傳感器的電特性是指它的輸 出電性能，標志它的輸出電性能的主要參數(shù)有輸 出高電平 UOH、輸出低電平 UOL 、負載電流 IOL、 輸出漏電流 IOH、截止電源電流 ICCH和導通電源 電流 ICCL等參數(shù)。 （ 3）溫度特性 霍爾開關集成傳感器參數(shù)也隨溫度的變化而變化，在此主要討 論它的導通磁感應強度 B（ H L）、截止磁感應強度 B（ L H）和滯 環(huán)寬度的溫度特性由圖 8-11（ a）可以看出，導通磁感應強度的溫度 系數(shù)約為（ 1.52） 10-4T/ ，是正溫度系數(shù)。從 B（ H L）與 B （ L H）特性曲線的差值中算出滯環(huán)寬度的溫度系數(shù)約為 0.2% 0.3% ，是負溫度系數(shù)。 圖 8-11（ b）給出了 CS型霍爾開關集成傳感器兩個磁特性參數(shù) 隨電源電壓 E的變化曲線。從圖中可以看出， B（ H L）和 B（ L H） 參數(shù)在電源電壓 E 6V時，隨電源電壓減少而增加，但滯環(huán)寬度隨電 源電壓減小而減??；在電源電壓 E 8V時，這三個參數(shù)基本變化不大。 圖 8-11 霍爾開關集成傳感器溫度特性 8.2.2 霍爾線性集成傳感器 線性集成霍爾傳感器是將霍爾器件、 放大電路、電壓調整電路、電流放大輸出 級、失調調整和線性度調整部分集成在一 塊芯片上，其特點是輸出電壓隨外加磁感 應強度 B呈線性變化。霍爾線性集成傳感器 分單端輸出和雙端輸出兩種，它們的結構 如圖 8-12（ a）、（ b）所示。 （ a） SL3501T型結構（單端輸出） (b) SL3501M型結構（雙端輸出） 圖 8-12 線性集成霍爾傳感器的電路結構 8.3 霍爾傳感器的應用 由于霍爾傳感器具有在靜態(tài)狀態(tài)下感受磁場的獨特能力，而且它具有結 構簡單、體積小、重量輕、頻帶寬（從直流到微波）、動態(tài)特性好和壽命長、 無觸點等許多優(yōu)點，因此在測量技術，自動化技術和信息處理等方面有著廣 泛應用。 歸納起來，霍爾傳感器有三個方面的用途： （ 1）當控制電流不變時，使傳感器處于非均勻磁場中，則傳感器的霍爾電勢正 比于磁感應強度，利用這一關系可反映位置、角度或勵磁電流的變化。 （ 2）當控制電流與磁感應強度皆為變量時，傳感器的輸出與這兩者乘積成正比。 在這方面的應用有乘法器、功率計以及除法、倒數(shù)、開方等運算器，此外， 也可用于混頻、調制、解調等環(huán)節(jié)中，但由于霍爾元件變換頻率低，溫度影 響較顯著等缺點，在這方面的應用受到一定的限制，這有待于元件的材料、 工藝等方面的改進或電路上的補償措施。 （ 3）若保持磁感應強度恒定不變，則利用霍爾電壓與控制電流成正比的關系， 可以組成回轉器、隔離器和環(huán)行器等控制裝置。 8.3.1 霍爾位移傳感器 圖 8-13 霍爾位移傳感器 8.3.2 霍爾電流變換器 圖 8-14 霍爾傳感器電流變換器 8.3.3 利用霍爾傳感器實現(xiàn)無接觸式仿型加 工 圖 8-15 無接觸式仿型加工原理示意圖 8.3.4 自動供水裝置 圖 8-16 自動供水裝置 8.3.5 霍爾元件在磁性材料研究中的應用 圖 8-17 研究閉合材料試樣磁特性的線路框圖 8.3.6非接觸式鍵盤開關 圖 8-18 用霍爾開關集成傳感器構成的按鈕 本 章 小 結 位于磁場中的靜止載流導體，當電流 I的方向與磁場強度 H的方向 垂直時，則在載流導體中平行與 H、 I的兩側面之間將產生電動勢，這 個電動勢稱為霍爾電勢，這種物理現(xiàn)象稱為霍爾效應。利用霍爾效應 原理制成的傳感器稱為霍爾傳感器。 霍爾傳感器有分立元件式（簡稱霍爾元件）和集成式（簡稱霍 爾集成傳感器）兩種。霍爾元件常用鍺、硅、砷化鎵、砷化銦及銻化 銦等半導體材料制作而成?；魻柤蓚鞲衅魇菍⒒魻柶骷⒎糯箅娐?、 電壓調整電路、電流放大輸出級、失調調整和線性度調整部分集成在 一塊芯片上組成的。 霍爾傳感器由于具有結構簡單、體積小、重量輕、頻帶寬（從 直流到微波）、動態(tài)特性好和壽命長、無觸點等許多優(yōu)點，因此在測 量技術，自動化技術和信息處理技術等方面有著廣泛應用。 思考與練習 1. 試述霍爾效應的定義。 2. 試說明霍爾系數(shù)的物理意義。 3. 試述霍爾傳感器的主要參數(shù)。 4. 試分析霍爾開關集成傳感器的組成及各部分的作用。 5. 簡述利用霍爾傳感器測量電流、磁感應強度、微位移的原 理。 6. 試舉實例說明霍爾傳感器的應用。