《传感器课件刘笃仁版第4章-磁敏传感器.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《传感器课件刘笃仁版第4章-磁敏传感器.ppt（137页珍藏版）》请在taowenge.com淘文阁网|工程机械CAD图纸|机械工程制图|CAD装配图下载|SolidWorks_CaTia_CAD_UG_PROE_设计图分享下载上搜索。
1、第第4章章 磁敏传感器磁敏传感器第第4章第章第1页共页共157页页2022年年5月月23日星期一日星期一第第4章章 磁敏传感器磁敏传感器4.1 磁敏传感器的物理基础磁敏传感器的物理基础霍尔、磁阻、形状效应霍尔、磁阻、形状效应4.2 霍尔元件霍尔元件4.3 磁磁 阻阻 元元 件件4.4 磁敏二极管磁敏二极管4.5 磁敏三极管磁敏三极管4.6 磁敏传感器的应用磁敏传感器的应用思考题与习题思考题与习题 第第4章章 磁敏传感器磁敏传感器第第4章第章第2页共页共157页页2022年年5月月23日星期一日星期一第第4章章 磁敏传感器磁敏传感器第第4章第章第3页共页共157页页2022年年5月月23日星期一
2、日星期一4.1 磁敏传感器的物理基础磁敏传感器的物理基础霍尔、磁阻、霍尔、磁阻、形状效应形状效应第第4章章 磁敏传感器磁敏传感器第第4章第章第4页共页共157页页2022年年5月月23日星期一日星期一4.1.1 霍尔效应霍尔效应有一如图有一如图4.1所示的半导体薄片，若在它的两端通以所示的半导体薄片，若在它的两端通以控制电流控制电流I，在薄片的垂直方向上施加磁感应强度为，在薄片的垂直方向上施加磁感应强度为B的的磁场，则在薄片的磁场，则在薄片的另两侧面会产生与另两侧面会产生与I和和B的乘积成比例的乘积成比例的电动势的电动势UH（霍尔电势或称霍尔电压）。（霍尔电势或称霍尔电压）。这种现象就称这种现
3、象就称为为霍尔效应。霍尔效应。UHbldIFLFEvB若薄片为若薄片为N型，控制电流型，控制电流I自左向右自左向右,多数载流子电子沿与多数载流子电子沿与I反向运动，反向运动，B使电使电子受到子受到 Lorentz FL而偏转，在后端面积累，前端面则缺少电子带正电，前后而偏转，在后端面积累，前端面则缺少电子带正电，前后端面间形成电场端面间形成电场积累越多，电场越强积累越多，电场越强.当当FL与与FE相等时的电场为相等时的电场为EH，相应的电势为霍尔电势，相应的电势为霍尔电势UH。第第4章章 磁敏传感器磁敏传感器第第4章第章第7页共页共157页页2022年年5月月23日星期一日星期一4.1.2 磁
4、阻效应磁阻效应 将一载流导体置将一载流导体置于外磁场中，除了产于外磁场中，除了产生霍尔效应外，其电生霍尔效应外，其电阻也会随磁场而变化。阻也会随磁场而变化。这种现象称为磁致电这种现象称为磁致电阻效应，简称为阻效应，简称为磁阻磁阻效应效应。BIBlIb第第4章章 磁敏传感器磁敏传感器第第4章第章第8页共页共157页页2022年年5月月23日星期一日星期一式中：式中：B磁感应强度；磁感应强度； 电子迁移率；电子迁移率； 0零磁场下的电阻率；零磁场下的电阻率； B磁感应强度为磁感应强度为B时的电阻率。时的电阻率。)273. 01 (220BB 当当温度恒定温度恒定时，在时，在弱磁场范围内弱磁场范围内
5、，磁阻与磁感应强度磁阻与磁感应强度B的的平方成正比平方成正比。对于只有电子参与导电的最简单的情况，理论推。对于只有电子参与导电的最简单的情况，理论推出磁阻效应的表达式为：出磁阻效应的表达式为： 在磁场中，电流的流动路径会因磁场的作用而加长，使在磁场中，电流的流动路径会因磁场的作用而加长，使得材料的电阻率增加。若某种金属或半导体材料的两种载流得材料的电阻率增加。若某种金属或半导体材料的两种载流子子 (电子和空穴电子和空穴 )的迁移率十分悬殊，主要由迁移率较大的一的迁移率十分悬殊，主要由迁移率较大的一种载流子引起电阻率变化种载流子引起电阻率变化 .第第4章章 磁敏传感器磁敏传感器第第4章第章第9页
6、共页共157页页2022年年5月月23日星期一日星期一则电阻率的相对变化为：则电阻率的相对变化为：0B2220)(273. 0BkB 由上式可见，由上式可见，磁场一定，迁移率高的材料磁阻效应明显磁场一定，迁移率高的材料磁阻效应明显。 InSb（锑化铟）（锑化铟）和和InAs（砷化铟）（砷化铟）等半导体的载流子迁等半导体的载流子迁移率都很高，很适合制作各种磁敏电阻元件。移率都很高，很适合制作各种磁敏电阻元件。设电阻率的变化为设电阻率的变化为:)273. 01 (220BB第第4章章 磁敏传感器磁敏传感器第第4章第章第10页共页共157页页2022年年5月月23日星期一日星期一磁阻的大小磁阻的大小
7、除了与材料有关外，还和磁敏元件的除了与材料有关外，还和磁敏元件的几何形状有关几何形状有关。在考虑到形状的影响时，电阻率的相对变化与磁在考虑到形状的影响时，电阻率的相对变化与磁感应强度和迁移率的关系可以近似用下式表示：感应强度和迁移率的关系可以近似用下式表示：)/(1 )(20blfBk 式中：式中： f(lb)为为形状效应系数形状效应系数；l为磁敏元件的长度；为磁敏元件的长度；b为磁敏元件的宽度。这种为磁敏元件的宽度。这种由于磁敏元件的几何尺寸变化由于磁敏元件的几何尺寸变化而引起的磁阻大小变化的现象，叫形状效应而引起的磁阻大小变化的现象，叫形状效应。 4.1.3 形状效应形状效应第第4章章 磁
8、敏传感器磁敏传感器第第4章第章第11页共页共157页页2022年年5月月23日星期一日星期一4.2 霍尔元件霍尔元件4.2.1 霍尔元件工作原理霍尔元件工作原理霍尔元件是基于霍尔效应工作的。霍尔元件是基于霍尔效应工作的。霍尔效应的产霍尔效应的产生是由于运动电荷受磁场中洛伦兹力作用的结果生是由于运动电荷受磁场中洛伦兹力作用的结果。第第4章章 磁敏传感器磁敏传感器第第4章第章第12页共页共157页页2022年年5月月23日星期一日星期一 如图如图4.1所示所示，假设在，假设在N型半导体薄片上通以电流型半导体薄片上通以电流I，那么半导体中的载流子（电子）将沿着和电流相反的那么半导体中的载流子（电子）
9、将沿着和电流相反的方向运动。若在垂直于半导体薄片平面的方向上加以方向运动。若在垂直于半导体薄片平面的方向上加以磁场磁场B，则由于洛伦兹力，则由于洛伦兹力fL (fL=evB）的作用，电子向的作用，电子向一边偏转（图中虚线方向），并使该边形成电子积累，一边偏转（图中虚线方向），并使该边形成电子积累，而另一边则积累正电荷，于是产生电场。而另一边则积累正电荷，于是产生电场。 该电场阻止运动电子的继续偏转，当电场作用在该电场阻止运动电子的继续偏转，当电场作用在运动电子上的力运动电子上的力fE(fE=eUHb)与洛伦兹力与洛伦兹力fL相等时，相等时，电子的积累便达到动态平衡。电子的积累便达到动态平衡。
10、第第4章章 磁敏传感器磁敏传感器第第4章第章第13页共页共157页页2022年年5月月23日星期一日星期一 (伏伏米米2(安安韦伯韦伯)，即，即Vm2(AWb)KH称为霍尔元件的灵敏度称为霍尔元件的灵敏度。于是：。于是： UH=KHIB (4.3) 这时在薄片两横端面之间建立的电场称为霍尔电场这时在薄片两横端面之间建立的电场称为霍尔电场EH，相应的电势就称为霍尔电势相应的电势就称为霍尔电势UH，其大小可用下式表示：，其大小可用下式表示：)(VdIBRUHH(4.1)式中：式中：RH霍尔常数（米霍尔常数（米3库仑，即库仑，即m3C）；）；I控制电流（安培，即控制电流（安培，即A）；）；B磁感应强
11、度（特斯拉，即磁感应强度（特斯拉，即T）；）；d霍尔元件厚度（米，即霍尔元件厚度（米，即m）。）。dRKHH令：令：(4.2)第第4章章 磁敏传感器磁敏传感器第第4章第章第14页共页共157页页2022年年5月月23日星期一日星期一 霍尔电势的大小正比于控制电流霍尔电势的大小正比于控制电流I和磁感应强度和磁感应强度B。霍霍尔元件的灵敏度尔元件的灵敏度KH是表征对应于单位磁感应强度和单位控是表征对应于单位磁感应强度和单位控制电流时输出霍尔电压大小的一个重要参数，一般要求它制电流时输出霍尔电压大小的一个重要参数，一般要求它越大越好。越大越好。 KH与元件材料的性质和几何尺寸有关。与元件材料的性质和
12、几何尺寸有关。 由于半导体（尤其是由于半导体（尤其是N型半导体）的霍尔常数型半导体）的霍尔常数RH要比要比金属的大得多，所以金属的大得多，所以在实际应用中，一般都采用在实际应用中，一般都采用N型半导体型半导体材料做霍尔元件材料做霍尔元件。元件的厚度。元件的厚度d对灵敏度的影响也很大，对灵敏度的影响也很大，元元件越薄，灵敏度就越高件越薄，灵敏度就越高。dRKHHIBKUHH第第4章章 磁敏传感器磁敏传感器第第4章第章第15页共页共157页页2022年年5月月23日星期一日星期一 由由上式上式可见，可见，当控制电流的方向或磁场的方向改变时，当控制电流的方向或磁场的方向改变时，输出电势的方向也将改变
13、。输出电势的方向也将改变。但当磁场与电流但当磁场与电流同时同时改变方向时，改变方向时，霍尔电势极性不变。霍尔电势极性不变。 施加在霍尔元件上的施加在霍尔元件上的磁感应强度为磁感应强度为B的磁场的磁场是是垂直垂直于于薄片薄片的，即磁感应强度的，即磁感应强度B的方向和霍尔元件的的方向和霍尔元件的平面法线平面法线是一致的。是一致的。 当当磁感应强度磁感应强度B和元件和元件平面法线平面法线成一角度成一角度时，作用在元时，作用在元件上的有效磁场是其法线方向的分量（即件上的有效磁场是其法线方向的分量（即Bcos）时）时:cosIBKUHHIBKUHH第第4章章 磁敏传感器磁敏传感器第第4章第章第16页共页
14、共157页页2022年年5月月23日星期一日星期一图图4.2 霍尔元件示意图霍尔元件示意图12124.2.2 霍尔元件结构霍尔元件结构 霍尔元件的结构很简单，它由霍尔片、引线和壳体组霍尔元件的结构很简单，它由霍尔片、引线和壳体组成。霍尔片是一块矩形半导体薄片，一般采用成。霍尔片是一块矩形半导体薄片，一般采用N型型的的锗锗、锑化铟锑化铟和和砷化铟砷化铟等半导体单晶材料制成，见图等半导体单晶材料制成，见图4.2。在长边。在长边的两个端面上焊有两根的两个端面上焊有两根控制电流端控制电流端引线（见图中引线（见图中1，1），），在元件短边的中间以点的形式焊有两根在元件短边的中间以点的形式焊有两根霍尔电压
15、输出端霍尔电压输出端引引线（见图中线（见图中2，2）。）。焊接处要求接触电阻小焊接处要求接触电阻小，且呈纯电阻且呈纯电阻性质（欧姆接触）性质（欧姆接触）。霍尔片一般用非磁性金属、陶瓷或环。霍尔片一般用非磁性金属、陶瓷或环氧树脂封装。氧树脂封装。 第第4章章 磁敏传感器磁敏传感器第第4章第章第17页共页共157页页2022年年5月月23日星期一日星期一第第4章章 磁敏传感器磁敏传感器第第4章第章第18页共页共157页页2022年年5月月23日星期一日星期一第第4章章 磁敏传感器磁敏传感器第第4章第章第19页共页共157页页2022年年5月月23日星期一日星期一4.2.3 基本电路基本电路在电路中
16、，霍尔元件可用如图在电路中，霍尔元件可用如图4.3所示的几种符号表示。所示的几种符号表示。标注时，国产器件常用标注时，国产器件常用H代表霍尔元件，后面的字母代表元代表霍尔元件，后面的字母代表元件的材料，数字代表产品序号。如件的材料，数字代表产品序号。如HZ-1元件，说明是用锗元件，说明是用锗材料制成的霍尔元件；材料制成的霍尔元件；HT-1元件，说明是用锑化铟材料制元件，说明是用锑化铟材料制成的元件。常用霍尔元件及其参数见本节后面的表成的元件。常用霍尔元件及其参数见本节后面的表4.1(P84)。 图图4.3 霍尔元件的符号霍尔元件的符号 H第第4章章 磁敏传感器磁敏传感器第第4章第章第20页共页
17、共157页页2022年年5月月23日星期一日星期一 图图4.4示出了霍尔元件的基示出了霍尔元件的基本电路。控制电流由电源本电路。控制电流由电源E供给；供给；R为调节电阻，用于调节控制电为调节电阻，用于调节控制电流的大小。霍尔输出端接负载流的大小。霍尔输出端接负载Rf。Rf可以是一般电阻，也可以可以是一般电阻，也可以是放大器的输入电阻或指示器是放大器的输入电阻或指示器内阻。在磁场与控制电流的作内阻。在磁场与控制电流的作用下，负载上就有电压输出。用下，负载上就有电压输出。在实际使用时，在实际使用时，I、B或两者同或两者同时作为信号输入，而输出信号时作为信号输入，而输出信号则正比于则正比于I或或B，
18、或正比于两者，或正比于两者的乘积。的乘积。图图4.4 霍尔元件的基本电路霍尔元件的基本电路 IRERfUH表 示 B指 向 纸 面第第4章章 磁敏传感器磁敏传感器第第4章第章第21页共页共157页页2022年年5月月23日星期一日星期一建立霍尔效应所需的时间很短（约建立霍尔效应所需的时间很短（约10-1210-14s），因），因此控制电流用交流时，频率可以很高（几千兆赫）。此控制电流用交流时，频率可以很高（几千兆赫）。 在实际应用中，霍尔元件可以在在实际应用中，霍尔元件可以在恒压恒压或或恒流恒流条件下工条件下工作，其特性不一样。究竟应用采用哪种方式，要根据用途作，其特性不一样。究竟应用采用哪种
19、方式，要根据用途来选择。来选择。1. 恒压工作恒压工作如图如图4.5所示，所示，恒压工作比恒流工作的性能要差些，只恒压工作比恒流工作的性能要差些，只适用于对精度要求不太高的地方。适用于对精度要求不太高的地方。 第第4章章 磁敏传感器磁敏传感器第第4章第章第22页共页共157页页2022年年5月月23日星期一日星期一图图4.5 恒压工作的霍尔传感器电路恒压工作的霍尔传感器电路231 V6Uc 1 Vsrcc RUI 1234UHSHS210TLO71236 V6Uc 6 V1432UHOH002TLO71B=1KGs(2155mV)第第4章章 磁敏传感器磁敏传感器第第4章第章第23页共页共157
20、页页2022年年5月月23日星期一日星期一当使用当使用SHS210霍尔元件霍尔元件时，工作在时，工作在1V、1 kGs(1Gs=10-4T)时，输出电压为时，输出电压为2155mV，偏移电压，偏移电压为为7%（最大）（最大）（1.473.85 mV）。无磁场时偏移）。无磁场时偏移电压不变，在弱磁场下工作不利。偏移电压可以调整电压不变，在弱磁场下工作不利。偏移电压可以调整为零，但与运算放大器一样，并不能去除其漂移成分。为零，但与运算放大器一样，并不能去除其漂移成分。在恒压条件下在恒压条件下性能不好的主要原因为性能不好的主要原因为霍尔元件霍尔元件输输入电阻随温度变化和磁阻效应的影响入电阻随温度变化
21、和磁阻效应的影响。输入电阻的温。输入电阻的温度系数因霍尔元件的材料型号而异度系数因霍尔元件的材料型号而异，GaAs型为型为0.3%(最大最大)，InSb型为型为-2%（最大）。（最大）。 第第4章章 磁敏传感器磁敏传感器第第4章第章第24页共页共157页页2022年年5月月23日星期一日星期一Rsr为霍尔元件的输入电阻。为霍尔元件的输入电阻。对对GaAs（砷化镓）霍尔元件而言（砷化镓）霍尔元件而言，温度上升则电，温度上升则电阻值变大（阻值变大（+0.3%），控制电流减小。若电阻变），控制电流减小。若电阻变化使控制电流变化化使控制电流变化-0.3%(最大最大)，加上若恒压源工，加上若恒压源工作时
22、自身变化作时自身变化-0.06%，其温度特性就显得很不好。，其温度特性就显得很不好。 对于对于InSb （锑化铟）霍尔元件而言（锑化铟）霍尔元件而言，若恒压工作，若恒压工作时恒压源自身的温度系数为时恒压源自身的温度系数为-2%（最大），与电（最大），与电阻变化的阻变化的-2%相互抵消，则元件的温度系数反而相互抵消，则元件的温度系数反而变小。变小。 srccRUI 恒压工作的控制电流为：恒压工作的控制电流为：第第4章章 磁敏传感器磁敏传感器第第4章第章第25页共页共157页页2022年年5月月23日星期一日星期一2. 恒流工作恒流工作为了充分发挥霍为了充分发挥霍尔传感器的性能，最尔传感器的性能，
23、最好使用恒流源供电，好使用恒流源供电，即恒流工作，电路如即恒流工作，电路如图图4.6所示。所示。在恒流工在恒流工作下，没有霍尔元件作下，没有霍尔元件输入电阻和磁阻效应输入电阻和磁阻效应的影响。的影响。图图4.6 恒流工作的霍尔传感器电路恒流工作的霍尔传感器电路231 V6Ic5 mA123UHTHS103ATLO7120050120 mV第第4章章 磁敏传感器磁敏传感器第第4章第章第26页共页共157页页2022年年5月月23日星期一日星期一 恒流工作时恒流工作时偏移电压的稳定性偏移电压的稳定性比恒压工作时比恒压工作时差些差些。特别是特别是InSb （锑化铟）（锑化铟）霍尔元件，由于输入电阻的
24、温霍尔元件，由于输入电阻的温度系数大，偏移电压的影响更为显著。对电路图中的度系数大，偏移电压的影响更为显著。对电路图中的THS103A GaAs （砷化镓）（砷化镓）霍尔元件，在霍尔元件，在5 mA工作电工作电流、流、1 kGs下，输出电压下，输出电压50120 mV， 此时的偏移电此时的偏移电压为压为10%（512 mV）。 第第4章章 磁敏传感器磁敏传感器第第4章第章第27页共页共157页页2022年年5月月23日星期一日星期一4.2.4 电磁特性电磁特性 霍尔元件的霍尔元件的电磁特性电磁特性包括包括控制电流控制电流（直流或交（直流或交流）流）与输出之间的关系与输出之间的关系，霍尔输出（恒
25、定或交变）霍尔输出（恒定或交变）与磁场之间的关系与磁场之间的关系等。等。1. H-I特性特性 固定磁场固定磁场B，在，在一定温一定温度度下，霍尔输出电势下，霍尔输出电势UH与与控制电流控制电流I之间呈线性关系之间呈线性关系（见图（见图4.9）。）。6040200102030I / mAUH / mVHZ1、2、3HZ4B0.3T(Wb / m2)图图4.9 霍尔元件的霍尔元件的UH-I特性曲线特性曲线第第4章章 磁敏传感器磁敏传感器第第4章第章第28页共页共157页页2022年年5月月23日星期一日星期一 直线的斜率称为控制电流灵敏度，用直线的斜率称为控制电流灵敏度，用KI表示。按表示。按照定
26、义，控制电流灵敏度照定义，控制电流灵敏度KI为：为： 恒定BHIIUK)(（4.4）由由UH=KHIB，可得到：，可得到：KI=KHB (4.5) 由上式可知，由上式可知，霍尔元件的灵敏度霍尔元件的灵敏度KH越大，控制电流灵敏越大，控制电流灵敏度也就越大度也就越大。但灵敏度大的元件，其霍尔输出并不一定大。但灵敏度大的元件，其霍尔输出并不一定大。这是因为霍尔电势在这是因为霍尔电势在B固定时，不但与固定时，不但与KH有关，还与控制电有关，还与控制电流有关。因此即使灵敏度不大的元件，如果在较大的控制电流有关。因此即使灵敏度不大的元件，如果在较大的控制电流下工作，那么同样可以得到较大的霍尔输出。流下工
27、作，那么同样可以得到较大的霍尔输出。IKUIH第第4章章 磁敏传感器磁敏传感器第第4章第章第29页共页共157页页2022年年5月月23日星期一日星期一2. UH-B特性特性固定控制电流固定控制电流，元件的元件的开路霍尔输出随磁场的增开路霍尔输出随磁场的增加并加并不完全呈线性关系不完全呈线性关系，而有所偏离。通常霍尔元而有所偏离。通常霍尔元件工作在件工作在0.5Wbm2以下以下时线性度较好时线性度较好，如图如图4.10所所示。使用中示。使用中，若对线性度若对线性度要求很高时要求很高时，可采用可采用HZ-4，它的线性偏离一般不大于它的线性偏离一般不大于0.2%。 图图4.10 霍尔元件的霍尔元件
28、的UH-B特性曲线特性曲线 1501005000.20.40.6B / (Wb / m2)UH / mV2040I60 mA第第4章章 磁敏传感器磁敏传感器第第4章第章第30页共页共157页页2022年年5月月23日星期一日星期一4.2.5 误差分析及误差补偿误差分析及误差补偿1. 不等位电势及其补偿不等位电势及其补偿不等位电势是一个主要不等位电势是一个主要的零位误差。由于在制作的零位误差。由于在制作霍尔元件时，霍尔元件时，不可能保证不可能保证将霍尔电极焊在同一等位将霍尔电极焊在同一等位面上面上，如图，如图4.11所示，所示， 因因此当控制电流此当控制电流I流过元件时，流过元件时，即使磁场强度
29、即使磁场强度B等于零，在等于零，在霍尔电极上仍有电势存在，霍尔电极上仍有电势存在，该电势就称为该电势就称为不等位电势不等位电势。图图4.11 不等位电势示意图不等位电势示意图 1 I212r1r2r3r4第第4章章 磁敏传感器磁敏传感器第第4章第章第31页共页共157页页2022年年5月月23日星期一日星期一 电桥臂的四个电阻分别电桥臂的四个电阻分别为为r1、r2、r3、r4。当。当两个霍两个霍尔电极在同一等位面上时，尔电极在同一等位面上时，r1=r2=r3=r4，电桥平衡，这，电桥平衡，这时输出电压时输出电压Uo等于零。当霍等于零。当霍尔电极尔电极不在同一等位面上时不在同一等位面上时，如图如
30、图4.11所示，因所示，因r3增大，增大，r4减小，则电桥失去平衡，因减小，则电桥失去平衡，因此输出电压此输出电压Uo就不等于零。就不等于零。图图4.12 霍尔元件的等效电路霍尔元件的等效电路 Uo1IIr1r22r3r412 恢复电桥平衡的办法恢复电桥平衡的办法是减小是减小r2、r3。 在分析不等位电势时，我在分析不等位电势时，我们们把霍尔元件等效为一个电桥把霍尔元件等效为一个电桥，如图如图4.12所示。所示。第第4章章 磁敏传感器磁敏传感器第第4章第章第32页共页共157页页2022年年5月月23日星期一日星期一 在在制造过程中制造过程中如确知霍尔电极偏离等位面的方向，就应如确知霍尔电极偏
31、离等位面的方向，就应采用采用机械修磨机械修磨或用或用化学腐蚀元件化学腐蚀元件的方法来的方法来减小不等位电势减小不等位电势。 对对已制成已制成的霍尔元件，可以采用的霍尔元件，可以采用外接补偿线路外接补偿线路进行进行补偿补偿。常用的几种补偿线路如图常用的几种补偿线路如图4.13所示。所示。 第第4章章 磁敏传感器磁敏传感器第第4章第章第33页共页共157页页2022年年5月月23日星期一日星期一图图4.13 BBBWACDWACD (b)WCADWCDAR2R3R4R1BBWDAR2R3R4R1C（a） （b） （c）WCDAR2R3R4R1B第第4章章 磁敏传感器磁敏传感器第第4章第章第34页共
32、页共157页页2022年年5月月23日星期一日星期一 2. 温度误差及其补偿温度误差及其补偿 由于半导体材料的由于半导体材料的电阻率电阻率、迁移率迁移率和和载流子浓度载流子浓度等会等会随温度的变化随温度的变化而而发生变化发生变化，因此霍尔元件的，因此霍尔元件的性能参数性能参数（如（如内阻、霍尔电势等）对内阻、霍尔电势等）对温度的变化温度的变化也是也是很灵敏很灵敏的。的。 为了减小霍尔元件的温度误差，除选用为了减小霍尔元件的温度误差，除选用温度系数小温度系数小的的元件元件（如（如砷化铟砷化铟）或采用）或采用恒温恒温措施外，用措施外，用恒流源供电恒流源供电往往往往可以得到明显的效果。恒流源供电的作
33、用是减小元件内阻可以得到明显的效果。恒流源供电的作用是减小元件内阻随温度变化而引起的控制电流的变化。随温度变化而引起的控制电流的变化。 但采用恒流源供电还但采用恒流源供电还不能完全解决霍尔电势的稳定性不能完全解决霍尔电势的稳定性问题问题，还必须，还必须结合结合其它其它补偿线路补偿线路。第第4章章 磁敏传感器磁敏传感器第第4章第章第35页共页共157页页2022年年5月月23日星期一日星期一图图4.14所示是一种既简单、补偿效果又较好的补偿线路。所示是一种既简单、补偿效果又较好的补偿线路。它是在控制电流极它是在控制电流极并联并联一个合适的一个合适的补偿电阻补偿电阻r0，这个电阻起分，这个电阻起分
34、流作用。流作用。当温度升高当温度升高时，霍尔元件的时，霍尔元件的内阻迅速增加内阻迅速增加，所以流过，所以流过元件的元件的电流减小电流减小，而，而流过补偿电阻流过补偿电阻r0的电流却增加的电流却增加。这样利用。这样利用元件内阻的温度特性和一个补偿电阻，就能自动调节流过霍尔元件内阻的温度特性和一个补偿电阻，就能自动调节流过霍尔元件的电流大小，从而起到补偿作用。元件的电流大小，从而起到补偿作用。图图4.14 温度补偿电路温度补偿电路R0UHr0I0I0HI第第4章章 磁敏传感器磁敏传感器第第4章第章第36页共页共157页页2022年年5月月23日星期一日星期一00Rr(4.14)是霍尔元件的内阻温度
35、系数是霍尔元件的内阻温度系数是霍尔电势的温度系数是霍尔电势的温度系数,R0 温度为温度为T0时，霍尔元件的内阻时，霍尔元件的内阻可以直接测量出来可以直接测量出来。实践表明，实践表明，补偿后霍尔电势受温度的影响极小，且这补偿后霍尔电势受温度的影响极小，且这种补偿方法对霍尔元件的其它性能并无影响，种补偿方法对霍尔元件的其它性能并无影响，只是输出电只是输出电压稍有降低。这显然是由于流过霍尔元件的控制电流被补压稍有降低。这显然是由于流过霍尔元件的控制电流被补偿电阻分流的缘故。只要适当增大恒流源输出电流，使通偿电阻分流的缘故。只要适当增大恒流源输出电流，使通过霍尔元件的电流达到额定电流，输出电压就会不变
36、。过霍尔元件的电流达到额定电流，输出电压就会不变。第第4章章 磁敏传感器磁敏传感器第第4章第章第37页共页共157页页2022年年5月月23日星期一日星期一 霍耳开关集成传感器是利用霍耳效应与集成电路技术结合霍耳开关集成传感器是利用霍耳效应与集成电路技术结合而制成的一种磁敏传感器，它能感知一切与磁信息有关的物理而制成的一种磁敏传感器，它能感知一切与磁信息有关的物理量，并以量，并以开关信号形式输出开关信号形式输出。霍耳开关集成传感器具有使用寿。霍耳开关集成传感器具有使用寿命长、无触点磨损、无火花干扰、无转换抖动、工作频率高、命长、无触点磨损、无火花干扰、无转换抖动、工作频率高、温度特性好、能适应
37、恶劣环境等优点。温度特性好、能适应恶劣环境等优点。4.2.6 4.2.6 霍耳开关集成传感器霍耳开关集成传感器第第4章章 磁敏传感器磁敏传感器第第4章第章第38页共页共157页页2022年年5月月23日星期一日星期一VccVACKVccKVccVACVccMOSVOUTVAC霍耳开关集成传感器的一般接口电路霍耳开关集成传感器的一般接口电路VACRL第第4章章 磁敏传感器磁敏传感器第第4章第章第39页共页共157页页2022年年5月月23日星期一日星期一磁铁轴心接近式磁铁轴心接近式 在磁铁的轴心方向垂直于传感器并同传感器轴心重合的条在磁铁的轴心方向垂直于传感器并同传感器轴心重合的条件下，件下，随
38、磁铁与传感器的间隔距离的增加随磁铁与传感器的间隔距离的增加,作用在传感器表面的作用在传感器表面的霍耳开关集成传感器的霍耳开关集成传感器的L1-B关系曲线关系曲线NSAlNiCo 磁铁6.4320.100.080.060.040.0202.557.51012.515 17.520距离L1/mmB/TL1磁感强度衰减很快。磁感强度衰减很快。当磁铁向传感器接近当磁铁向传感器接近到一定位置时到一定位置时, ,传感传感器开关接通器开关接通, ,而磁铁而磁铁移开到一定距离时开移开到一定距离时开关关断。应用时关关断。应用时, ,如如果磁铁已选定果磁铁已选定, ,则应则应按具体的应用场合按具体的应用场合, ,
39、对作用距离作合适的对作用距离作合适的选择。选择。 （2 2）给传感器施加磁场的方式）给传感器施加磁场的方式第第4章章 磁敏传感器磁敏传感器第第4章第章第40页共页共157页页2022年年5月月23日星期一日星期一 磁铁侧向滑近式磁铁侧向滑近式 要求磁铁平面与传感器平面的距离不变，要求磁铁平面与传感器平面的距离不变，而磁铁的轴线与传感器的平面垂直。磁铁以而磁铁的轴线与传感器的平面垂直。磁铁以滑近移动滑近移动的方式的方式在传感器前方通过。在传感器前方通过。霍耳开关集成传感器的霍耳开关集成传感器的L2-B关系曲线关系曲线0.100.080.060.040.0202.557.51012.51517.5
40、20B/TNS空隙空隙2.05AlNiCo 磁铁磁铁6.432L2距离距离L2/mm第第4章章 磁敏传感器磁敏传感器第第4章第章第41页共页共157页页2022年年5月月23日星期一日星期一采用磁力集中器增加传感器的磁感应强度采用磁力集中器增加传感器的磁感应强度 在霍耳开关应用时，提高激励传感器的磁感应强度是一个重在霍耳开关应用时，提高激励传感器的磁感应强度是一个重要方面。除选用磁感应强度大的磁铁或减少磁铁与传感器的间隔要方面。除选用磁感应强度大的磁铁或减少磁铁与传感器的间隔距离外，还可采用下列方法增强传感器的磁感应强度。距离外，还可采用下列方法增强传感器的磁感应强度。SN磁力集中器传感器磁铁
41、磁力集中器安装示意图磁力集中器安装示意图SN磁力集中器传感器磁铁铁底盘在磁铁上安装铁底盘示意图在磁铁上安装铁底盘示意图第第4章章 磁敏传感器磁敏传感器第第4章第章第42页共页共157页页2022年年5月月23日星期一日星期一 霍耳开关集成传感器的应用领域：点火系统、保霍耳开关集成传感器的应用领域：点火系统、保安系统、转速、里程测定、机械设备的限位开关、按安系统、转速、里程测定、机械设备的限位开关、按钮开关、电流的测定与控制、位置及角度的检测等等钮开关、电流的测定与控制、位置及角度的检测等等4.霍耳开关集成传感器的应用领域霍耳开关集成传感器的应用领域 第第4章章 磁敏传感器磁敏传感器第第4章第章
42、第43页共页共157页页2022年年5月月23日星期一日星期一1 1霍耳线性集成传感器的结构及工作原理霍耳线性集成传感器的结构及工作原理 霍耳线性集成传感器的霍耳线性集成传感器的输出电压输出电压与与外加磁场外加磁场成成线性比例关线性比例关系系。这类传感器一般由。这类传感器一般由霍耳元件霍耳元件和和放大器放大器组成，当外加磁场时组成，当外加磁场时, ,霍耳元件产生与磁场成线性比例变化的霍耳电压霍耳元件产生与磁场成线性比例变化的霍耳电压, ,经放大器放经放大器放大后输出。在实际电路设计中，为了提高传感器的性能，往往大后输出。在实际电路设计中，为了提高传感器的性能，往往在电路中在电路中设置稳压、电流
43、放大输出级、失调调整和线性度调整设置稳压、电流放大输出级、失调调整和线性度调整等电路等电路。 霍耳开关集成传感器的输出有低电平或高电平两种状态，霍耳开关集成传感器的输出有低电平或高电平两种状态，而霍耳线性集成传感器的输出却是对而霍耳线性集成传感器的输出却是对外加磁场的线性感应外加磁场的线性感应。因。因此此霍耳线性集成传感器广泛用于位置、力、重量、厚度、速度、霍耳线性集成传感器广泛用于位置、力、重量、厚度、速度、磁场、电流等的测量或控制。磁场、电流等的测量或控制。霍耳线性集成传感器有霍耳线性集成传感器有单端输出单端输出和双端输出和双端输出两种，其电路结构如下图。两种，其电路结构如下图。4.2.7
44、 4.2.7 霍耳线性集成传感器霍耳线性集成传感器第第4章章 磁敏传感器磁敏传感器第第4章第章第44页共页共157页页2022年年5月月23日星期一日星期一单端输出传感器的电路结构框图单端输出传感器的电路结构框图23输出+稳压VCC1霍耳元件放大地H稳压H3VCC地4输出输出18675 双端输出传感器的电路结构框图双端输出传感器的电路结构框图 单端输出的传感单端输出的传感器是一个三端器件，器是一个三端器件，它的输出电压对外加它的输出电压对外加磁场的微小变化能做磁场的微小变化能做出线性响应，通常将出线性响应，通常将输出电压连到外接放输出电压连到外接放大器，将输出电压放大器，将输出电压放大到较高的
45、电平。其大到较高的电平。其典型产品是典型产品是SL3501T。 双端输出的传感器双端输出的传感器是一个是一个8脚双列直插封脚双列直插封装的器件，它可提供装的器件，它可提供差动射极跟随输出，差动射极跟随输出，还可提供输出失调调还可提供输出失调调零。其典型产品是零。其典型产品是SL3501M。第第4章章 磁敏传感器磁敏传感器第第4章第章第45页共页共157页页2022年年5月月23日星期一日星期一2 2霍耳线性集成传感器的主要技术特性霍耳线性集成传感器的主要技术特性(1)(1) 传感器的输出特性如下图：传感器的输出特性如下图： 磁感应强度B/T5.64.63.62.61.6- -0.3 -0-0.
46、2-0.1-0.100.10.20.3输输出出电电压压U/VSL3501T传感器的输出特性曲线传感器的输出特性曲线第第4章章 磁敏传感器磁敏传感器第第4章第章第46页共页共157页页2022年年5月月23日星期一日星期一2 2霍耳线性集成传感器的主要技术特性霍耳线性集成传感器的主要技术特性(2)(2) 传感器的输出特性如下图：传感器的输出特性如下图： 2.52.01.51.00.50 0.040.080.120.16 0.200.24输输出出电电压压U/V磁感应强度磁感应强度B/TSL3501M传感器的输出特性曲线传感器的输出特性曲线00.28 0.32R=0R=15R=100 第第4章章 磁
47、敏传感器磁敏传感器第第4章第章第47页共页共157页页2022年年5月月23日星期一日星期一（七）霍耳磁敏传感器的应用（七）霍耳磁敏传感器的应用 利用霍耳效应制作的霍耳器件，不仅在磁场测量方面，利用霍耳效应制作的霍耳器件，不仅在磁场测量方面，而且在测量技术、无线电技术、计算技术和自动化技术等领而且在测量技术、无线电技术、计算技术和自动化技术等领域中均得到了广泛应用。域中均得到了广泛应用。 利用霍耳电势与外加磁通密度成比例的特性，可借助利用霍耳电势与外加磁通密度成比例的特性，可借助于固定元件的控制电流，对磁量以及其他可转换成磁量的电于固定元件的控制电流，对磁量以及其他可转换成磁量的电量、机械量和
48、非电量等进行测量和控制。应用这类特性制作量、机械量和非电量等进行测量和控制。应用这类特性制作的器具有的器具有磁通计、电流计、磁读头、位移计、速度计、振动磁通计、电流计、磁读头、位移计、速度计、振动计、罗盘、转速计、无触点开关计、罗盘、转速计、无触点开关等。等。第第4章章 磁敏传感器磁敏传感器第第4章第章第48页共页共157页页2022年年5月月23日星期一日星期一 利用霍耳传感器制作的仪器利用霍耳传感器制作的仪器优点：优点： (1) 体积小，结构简单、坚固耐用。体积小，结构简单、坚固耐用。 (2)无可动部件，无磨损，无摩擦热，噪声小。无可动部件，无磨损，无摩擦热，噪声小。 (3)装置性能稳定，
49、寿命长，可靠性高。装置性能稳定，寿命长，可靠性高。 (4)频率范围宽，从直流到微波范围均可应用。频率范围宽，从直流到微波范围均可应用。 (5)霍耳器件载流子惯性小，装置动态特性好。霍耳器件载流子惯性小，装置动态特性好。 霍耳器件也存在转换效率低和受温度影响大等明显霍耳器件也存在转换效率低和受温度影响大等明显缺点缺点。但。但是，由于新材料新工艺不断出现，这些缺点正逐步得到克服。是，由于新材料新工艺不断出现，这些缺点正逐步得到克服。第第4章章 磁敏传感器磁敏传感器第第4章第章第49页共页共157页页2022年年5月月23日星期一日星期一4.6.1 霍尔元件的应用霍尔元件的应用1. 霍尔位移传感器霍
50、尔位移传感器如图如图4.41(a)，在，在极性相反极性相反、磁场强度相同磁场强度相同的两个的两个磁钢的磁钢的气隙气隙中放置一个霍尔元件。当元件的控制电流中放置一个霍尔元件。当元件的控制电流I恒定不变时，霍尔电势恒定不变时，霍尔电势UH与磁感应强度与磁感应强度B成正比。成正比。图图4.41 霍尔位移传感器的磁路结构示意图霍尔位移传感器的磁路结构示意图 (a) 磁路结构；（磁路结构；（b） 磁场变化磁场变化 IxNSNSxB(a )(b )o磁场在一定范磁场在一定范围内沿围内沿x方向的方向的变化梯度变化梯度dBdx为一常数为一常数第第4章章 磁敏传感器磁敏传感器第第4章第章第50页共页共157页页