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1、霍尔传感器的工作原理霍尔传感器的工作原理1 1霍尔效应霍尔效应 半导体薄片置于磁感应强度为半导体薄片置于磁感应强度为B B 的磁场中，磁场方向垂直于的磁场中，磁场方向垂直于薄片，当有电流薄片，当有电流I I 流过薄片时，在垂直于电流和磁场的方向上流过薄片时，在垂直于电流和磁场的方向上将产生电动势将产生电动势E EH H，这种现象称为霍尔效应。，这种现象称为霍尔效应。磁感应强度磁感应强度B B为零时的情况为零时的情况A AB BC CD D第1页/共27页当有图示方向磁场当有图示方向磁场B B作用时作用时 作用在半导体薄片上的磁场强度作用在半导体薄片上的磁场强度B B越强，霍尔电势也就越高。越强
2、，霍尔电势也就越高。霍尔电势霍尔电势U UH H可用下式表示：可用下式表示：UH=KH IB第2页/共27页霍尔效应演示霍尔效应演示 当磁场垂直于薄片时，电子受到洛仑兹力的作用，向内当磁场垂直于薄片时，电子受到洛仑兹力的作用，向内侧偏移，在半导体薄片侧偏移，在半导体薄片A A、B B方向的端面之间建立起霍尔电方向的端面之间建立起霍尔电势。势。A AB BC CD D第3页/共27页可以推出，霍尔电动势可以推出，霍尔电动势UH的大小为：的大小为：式中：式中：kH为灵敏度系数，为灵敏度系数，kH=RH/d，表示在单位磁感应强度和单，表示在单位磁感应强度和单位控制电流时的霍尔电动势的大小位控制电流时
3、的霍尔电动势的大小,与材料的物理特性（霍尔系与材料的物理特性（霍尔系数）和几何尺寸数）和几何尺寸d d有关；有关；霍尔系数霍尔系数RH1/(nq)，由材料物理性质所决定，由材料物理性质所决定，q为电子电荷量为电子电荷量 ；n为材料中的电子浓度。为材料中的电子浓度。为磁场和薄片法线夹角。为磁场和薄片法线夹角。a第4页/共27页 结论：结论：霍尔电势与输入电流霍尔电势与输入电流I I、磁感应强度、磁感应强度B B成正比，成正比，且当且当B B的方向改变时，霍尔电势的方向也随之改变。如的方向改变时，霍尔电势的方向也随之改变。如果所施加的磁场为交变磁场，则霍尔电势为同频率的果所施加的磁场为交变磁场，则
4、霍尔电势为同频率的交变电势。交变电势。金属材料中的自由电子浓度金属材料中的自由电子浓度n很高，因此很高，因此RH很小，不很小，不宜作霍尔元件。宜作霍尔元件。霍尔元件多用载流子迁移率大的霍尔元件多用载流子迁移率大的N型型半导体材料制作。半导体材料制作。另外，霍尔元件越薄另外，霍尔元件越薄(d越小越小)，kH就就越大，所以通常霍尔元件都较薄。薄膜霍尔元件的厚越大，所以通常霍尔元件都较薄。薄膜霍尔元件的厚度只有度只有1 1 左右。左右。mm第5页/共27页2 2霍尔元件霍尔元件霍尔片是一块矩形半导体单晶薄片霍尔片是一块矩形半导体单晶薄片(一般为一般为4 4mm2mm2mm0.1mm0.1mm)mm)
5、，经研磨抛光，然后用蒸发合金法或其，经研磨抛光，然后用蒸发合金法或其他方法制作欧姆接触电极，最后焊上引线并封装。而薄膜霍尔元他方法制作欧姆接触电极，最后焊上引线并封装。而薄膜霍尔元件则是在一片极薄的基片上用蒸发或外延的方法做成霍尔片，然件则是在一片极薄的基片上用蒸发或外延的方法做成霍尔片，然后再制作欧姆接触电极，焊上引线最后封装。一般后再制作欧姆接触电极，焊上引线最后封装。一般控制端引线采控制端引线采用红色引线，而霍尔输出端引线则采用绿色引线用红色引线，而霍尔输出端引线则采用绿色引线。霍尔元件的壳。霍尔元件的壳体用非导磁金属、陶瓷或环氧树脂封装。体用非导磁金属、陶瓷或环氧树脂封装。(a)(a)
6、霍尔元件外形霍尔元件外形 (b)(b)电路符号电路符号 (c)(c)基本应用电路基本应用电路第6页/共27页3 3霍尔元件的主要特性及材料霍尔元件的主要特性及材料 1)1)霍尔元件的主要特性参数霍尔元件的主要特性参数(1)(1)灵敏度灵敏度k kH H：表示元件在单位磁感应强度和单位控制电流下所：表示元件在单位磁感应强度和单位控制电流下所得到的开路（得到的开路（R RL L=）霍尔电动势，单位为）霍尔电动势，单位为V/(AV/(AT)T)。(2)(2)霍尔输入电阻霍尔输入电阻R Ri i：霍尔控制电流电极间的电阻值。：霍尔控制电流电极间的电阻值。(3)(3)霍尔输出电阻霍尔输出电阻R Ro o
7、：霍尔输出电极间的电阻值。：霍尔输出电极间的电阻值。(4)(4)霍尔电阻的温度系数霍尔电阻的温度系数：表示在一定的磁感应强度和：表示在一定的磁感应强度和控制电流的条件下，环境温度每变化控制电流的条件下，环境温度每变化11时霍尔元件材料的时霍尔元件材料的电阻变化率，单位为电阻变化率，单位为%/%/。第7页/共27页 1)1)霍尔元件的主要特性参数霍尔元件的主要特性参数(6)(6)额定控制电流额定控制电流I Icmcm：空气中的霍尔元件产生允许温升：空气中的霍尔元件产生允许温升T=10T=10时的控制电流，一般为几毫安到几百毫安。时的控制电流，一般为几毫安到几百毫安。(7)(7)不等位电势不等位电
8、势U U0 0：外加磁场为：外加磁场为0 0，霍尔元件在额定控制电流下，霍尔元件在额定控制电流下，两霍尔电极之间的开路电动势。两霍尔电极之间的开路电动势。U U0 0越小越好，一般地，越小越好，一般地，U U0 0小于小于1mV1mV。（8 8）不等位电阻）不等位电阻r r0 0:r r0 0=U=U0 0/Icm/Icm。(5)(5)霍尔电动势的温度系数霍尔电动势的温度系数：表示在一定的磁感应强度和控：表示在一定的磁感应强度和控制电流的条件下，环境温度每变化制电流的条件下，环境温度每变化11时霍尔电势的相对变化率时霍尔电势的相对变化率单位为单位为%/%/。第8页/共27页3 3霍尔元件的主要
9、特性及材料霍尔元件的主要特性及材料 1)1)霍尔元件的主要特性参数霍尔元件的主要特性参数(9)(9)霍尔最大允许激励电流霍尔最大允许激励电流I Imaxmax：以霍尔元件允许最大：以霍尔元件允许最大温升为限制所对应的激励电流称为最大允许激励电流。温升为限制所对应的激励电流称为最大允许激励电流。(10)(10)霍尔寄生直流电势霍尔寄生直流电势U UODOD：在外加磁场为零、霍尔元：在外加磁场为零、霍尔元件用交流激励时，霍尔电极输出除了交流不等位电动势件用交流激励时，霍尔电极输出除了交流不等位电动势外，还有一直流电势，称为寄生直流电势。外，还有一直流电势，称为寄生直流电势。第9页/共27页 2)2
10、)霍尔元件的材料霍尔元件的材料锗锗(Ge)(Ge)、硅、硅(Si)(Si)、锑化铟、锑化铟(InSb)(InSb)、砷化铟、砷化铟(InAs)(InAs)和砷化镓和砷化镓(GaAs)(GaAs)是常见的制作霍尔元件的几种半导体材料。表是常见的制作霍尔元件的几种半导体材料。表6-26-2所列所列为制作霍尔元件的几种半导体材料主要参数。为制作霍尔元件的几种半导体材料主要参数。电阻率电阻率电子迁移率电子迁移率 材料材料(单晶单晶)禁带宽度禁带宽度Eg/(eV)/(cm)/(cm/Vs)霍尔系数霍尔系数RH/(cmC-1-1)N型锗型锗(Ge)0.661.0350042504000N型硅型硅(Si)1
11、.1071.5150022501840锑化铟锑化铟(InSb)0.170.005600003504200砷化铟砷化铟(InAs)0.360.0035250001001530磷砷铟磷砷铟(InAsP)0.630.08105008503000哪种材料制作的霍尔元件灵敏度高哪种材料制作的霍尔元件灵敏度高第10页/共27页不等位电动势产生的原因是由于制造工艺不等位电动势产生的原因是由于制造工艺不可能保证将两个霍尔电极对称地焊在霍不可能保证将两个霍尔电极对称地焊在霍尔片的两侧，致使两电极点不能完全位于尔片的两侧，致使两电极点不能完全位于同一等位面上。同一等位面上。4 4 霍尔元件的误差及补偿霍尔元件的误
12、差及补偿 1 1霍尔元件的零位误差与补偿霍尔元件的零位误差与补偿霍尔元件的零位误差是指在无外加磁场或无控制电流的情况下，霍尔元件的零位误差是指在无外加磁场或无控制电流的情况下，霍尔元件产生输出电压并由此而产生的误差。它主要表现为以霍尔元件产生输出电压并由此而产生的误差。它主要表现为以下几种具体形式。下几种具体形式。1)1)不等位电动势不等位电动势不等位电动势是零位误差中最主要的一种，不等位电动势是零位误差中最主要的一种，它是当霍尔元件在额定控制电流它是当霍尔元件在额定控制电流(元件在空气元件在空气中温升中温升1010所对应的电流所对应的电流)作用下，不加外磁作用下，不加外磁场时，霍尔输出端之间
13、的空载电动势。场时，霍尔输出端之间的空载电动势。第11页/共27页此外此外,霍尔片电阻率不均匀，或片厚薄不均霍尔片电阻率不均匀，或片厚薄不均匀，或控制电流极接触不良都将使等位面匀，或控制电流极接触不良都将使等位面歪斜，如图所示，致使两霍尔电极不在同歪斜，如图所示，致使两霍尔电极不在同一等位面上而产生不等位电动势。一等位面上而产生不等位电动势。2)2)寄生直流电势寄生直流电势在无磁场的情况下，元件通入交流电流，输出端除交流不等位在无磁场的情况下，元件通入交流电流，输出端除交流不等位电压以外的直流分量称为寄生直流电势。产生寄生直流电势的电压以外的直流分量称为寄生直流电势。产生寄生直流电势的原因有两
14、个方面：原因有两个方面：(1)(1)由于控制电极焊接处接触不良而造成一种由于控制电极焊接处接触不良而造成一种整流效应，使控制电流因正、反向电流大小不等而具有一定的整流效应，使控制电流因正、反向电流大小不等而具有一定的直流分量。直流分量。(2)(2)输出电极焊点热容量不相等产生温差电动势。对输出电极焊点热容量不相等产生温差电动势。对于锗霍尔元件，当交流控制电流为于锗霍尔元件，当交流控制电流为2020 mAmA时，输出电极的寄生时，输出电极的寄生直流电压小于直流电压小于100 100 。第12页/共27页 3)3)感应零电动势感应零电动势感应零电动势是在未通电流的情况下，由于感应零电动势是在未通电
15、流的情况下，由于脉动或交变磁场的作用，在输出端产生的电脉动或交变磁场的作用，在输出端产生的电动势。根据电磁感应定律，感应电动势的大动势。根据电磁感应定律，感应电动势的大小与霍尔元件输出电极引线构成的感应面积小与霍尔元件输出电极引线构成的感应面积成正比，如图所示。成正比，如图所示。4)4)自激场零电动势自激场零电动势霍尔元件控制电流产生自激场，如图所示。霍尔元件控制电流产生自激场，如图所示。由于元件的左右两半场相等，故产生的电动由于元件的左右两半场相等，故产生的电动势方向相反而抵消。实际应用时由于控制电势方向相反而抵消。实际应用时由于控制电流引线也产生磁场，使元件左右两半场强不流引线也产生磁场，
16、使元件左右两半场强不等，因而有霍尔电动势输出，这一输出电动等，因而有霍尔电动势输出，这一输出电动势即是自激场零电动势。势即是自激场零电动势。第13页/共27页在上述的在上述的4 4种零位误差中，寄生直流电动势、感应零电动势以及种零位误差中，寄生直流电动势、感应零电动势以及自激场零电动势，是由于制作工艺上的原因而造成的误差，可以自激场零电动势，是由于制作工艺上的原因而造成的误差，可以通过工艺水平的提高加以解决。而通过工艺水平的提高加以解决。而不等位电动势不等位电动势所造成的零位误所造成的零位误差，则必须通过补偿电路给予克服。差，则必须通过补偿电路给予克服。在理想情况下在理想情况下R R1 1=R
17、 R2 2=R R3 3=R R4 4，即可取得零位电动势为零，即可取得零位电动势为零(或零位电阻或零位电阻为零为零)，从而消除不等位电动势。实际上，若存在零位电动势，则，从而消除不等位电动势。实际上，若存在零位电动势，则说明此说明此4 4个电阻不完全相等，即电桥不平衡。为使其达到平衡，可个电阻不完全相等，即电桥不平衡。为使其达到平衡，可在阻值较大的桥臂上并联可调电阻在阻值较大的桥臂上并联可调电阻R RP P或在两个臂上同时并联电阻或在两个臂上同时并联电阻R RP P和和R R。霍尔元件结构及等效电路如图霍尔元件结构及等效电路如图第14页/共27页霍尔元件零位误差补偿电路霍尔元件零位误差补偿电
18、路 2 2霍尔元件的温度误差及补偿霍尔元件的温度误差及补偿与一般半导体一样，由于电阻率、迁移率以及载流子浓度随温与一般半导体一样，由于电阻率、迁移率以及载流子浓度随温度变化，所以霍尔元件的性能参数如输入、输出电阻度变化，所以霍尔元件的性能参数如输入、输出电阻,霍尔常数霍尔常数等也随温度而变化，致使霍尔电动势变化，产生温度误差。等也随温度而变化，致使霍尔电动势变化，产生温度误差。第15页/共27页将温度每变化将温度每变化11时，霍尔元时，霍尔元件输入电阻或输出电阻的相对件输入电阻或输出电阻的相对变化率变化率R Ri i/R Ro o称为内阻温度系称为内阻温度系数，用数，用 表示。表示。将温度每变
19、化将温度每变化11时，霍尔电时，霍尔电压的相对变化率压的相对变化率U UHtHt/U UH0H0称为霍称为霍尔电压温度系数，用尔电压温度系数，用 表示。表示。哪种材料制作的霍尔元件温度误差小哪种材料制作的霍尔元件温度误差小第16页/共27页几种温度误差的补偿方法几种温度误差的补偿方法1)1)采用恒压源和输入回路串联电阻采用恒压源和输入回路串联电阻 补偿基本电路及等效电路如图补偿基本电路及等效电路如图霍尔电压随温度变化的关系式为：霍尔电压随温度变化的关系式为：对上式求温度的导数得，要使温度变化时霍尔电压不变，必须对上式求温度的导数得，要使温度变化时霍尔电压不变，必须使外接电阻：使外接电阻：第17
20、页/共27页 2)2)合理选择负载电阻合理选择负载电阻R RL L的阻值的阻值霍尔元件的输出电阻霍尔元件的输出电阻R Ro o和霍尔电动势和霍尔电动势U UH H都是温度的函数都是温度的函数(设为正设为正温度系数温度系数)，当霍尔元件接有负载，当霍尔元件接有负载R RL L时，在时，在R RL L上的电压为：上的电压为：为了负载上的电压不随温度变化，应使为了负载上的电压不随温度变化，应使dUL/d(t-t0)=0，即，即式中：式中：R Ro0o0为温度为温度t t0 0时的霍尔元件输出电阻。时的霍尔元件输出电阻。可采用串、并连电阻的方法使上式成立来补偿温度误差，但可采用串、并连电阻的方法使上式
21、成立来补偿温度误差，但霍尔元件的灵敏度将会降低。霍尔元件的灵敏度将会降低。第18页/共27页 3)3)采用温度补偿元件采用温度补偿元件(如热敏电阻、电阻丝如热敏电阻、电阻丝)这是一种常用的温度误差补偿方法。由于热敏电阻具有负温度这是一种常用的温度误差补偿方法。由于热敏电阻具有负温度系数，电阻丝具有正温度系数，可采用输入回路串接热敏电阻，系数，电阻丝具有正温度系数，可采用输入回路串接热敏电阻，输入回路并接电阻丝，或输出端串接热敏电阻对具有负温度系数输入回路并接电阻丝，或输出端串接热敏电阻对具有负温度系数的锑化铟材料霍尔元件进行温度补偿。可采用输入端并接热敏电的锑化铟材料霍尔元件进行温度补偿。可采
22、用输入端并接热敏电阻方式对输出具有正温度系数的霍尔元件进行温度补偿。一般来阻方式对输出具有正温度系数的霍尔元件进行温度补偿。一般来说，温度补偿电路、霍尔元件和放大电路应集成在一起制成集成说，温度补偿电路、霍尔元件和放大电路应集成在一起制成集成霍尔传感器。霍尔传感器。5 5 霍尔传感器的应用霍尔传感器的应用霍尔元件具有结构牢固、工艺成熟、体积小、寿命长、线性度霍尔元件具有结构牢固、工艺成熟、体积小、寿命长、线性度好、频率高、耐振动、不怕灰尘、油污、水汽及盐雾等的污染好、频率高、耐振动、不怕灰尘、油污、水汽及盐雾等的污染或腐蚀的优点，目前，霍尔传感器是全球使用量排名第三的传或腐蚀的优点，目前，霍尔
23、传感器是全球使用量排名第三的传感器产品，它被广泛应用到工业、汽车业、计算机、手机以及感器产品，它被广泛应用到工业、汽车业、计算机、手机以及新兴消费电子领域中。新兴消费电子领域中。第19页/共27页5霍尔传感器的应用1 1 霍尔转速传感器霍尔转速传感器 在被测转速的转轴上安装一个齿盘，也可选取机械系统中的在被测转速的转轴上安装一个齿盘，也可选取机械系统中的一个齿轮，将线性型霍尔器件及磁路系统靠近齿盘。齿盘的转动一个齿轮，将线性型霍尔器件及磁路系统靠近齿盘。齿盘的转动使磁路的磁阻随气隙的改变而周期性地变化，霍尔器件输出的微使磁路的磁阻随气隙的改变而周期性地变化，霍尔器件输出的微小脉冲信号经隔直、放
24、大、整形后可以确定被测物的转速。小脉冲信号经隔直、放大、整形后可以确定被测物的转速。S SN N霍尔器件霍尔器件磁铁磁铁第20页/共27页霍尔转速表原理霍尔转速表原理 当齿对准霍尔元件时，磁力线集中穿过霍尔元件，可产当齿对准霍尔元件时，磁力线集中穿过霍尔元件，可产生较大的霍尔电动势，放大、整形后输出高电平；反之，生较大的霍尔电动势，放大、整形后输出高电平；反之，当齿轮的空挡对准霍尔元件时，输出为低电平。当齿轮的空挡对准霍尔元件时，输出为低电平。第21页/共27页霍尔转速表的其他安装方法霍尔转速表的其他安装方法 只要金属旋转体的表面存在缺口或突起，就可产生磁场强只要金属旋转体的表面存在缺口或突起，就可产生磁场强度的脉动，从而引起霍尔电势的变化，产生转速信号。度的脉动，从而引起霍尔电势的变化，产生转速信号。霍尔元件霍尔元件磁铁磁铁第22页/共27页2 2位移测量位移测量B B第23页/共27页2 2位移测量位移测量第24页/共27页3 3霍尔机械振动传感器霍尔机械振动传感器1霍尔元件；2平板（非磁性材料）；3顶杆；4触点；5外壳；6磁系统触点4与被测对象接触，整个组件随被测体做机械振动。霍尔元件输出的霍尔电动势可反映出被测振动的频率和幅度。第25页/共27页3 3电流测量电流测量霍尔钳形电流表霍尔钳形电流表 测量原理测量原理 第26页/共27页感谢您的观看！第27页/共27页