霍尔传感器的设计与应用研究

邯郸学院本科毕业论文题 目 霍尔传感器的设计与应用研究学 生 姜涛指导教师 谷云高 副教授年 级 2007 级本科专 业 物理学二级学院 物理与电气工程系（系、部）邯郸学院物理与电气工程系2011 年 6 月郑重声明本人的毕业论文是在指导教师谷云高的指导下独立撰写完成的。如有剽窃、抄袭、造假等违反学术道德、学术规范和侵权的行为，本人愿意承担由此产生的各种后果，直至法律责任，并愿意通过网络接受公众的监督。特此郑重声明。毕业论文作者（签名）：年 月 日 1摘 要 霍尔传感器是一种磁传感器。用它可以检测磁场及其变化，可在各种与磁场有关的场合中使用。霍尔传感器以霍尔效应为其工作基础，是由霍尔元件和它的附属电路组成的集成传感器。在霍尔传感器设计方面根据霍尔器件，霍尔直流检测原理，霍尔磁补偿原理，磁补偿式电压传感器，霍尔传感器输出等原理去设计。相对于传统传感器霍尔传感器有很明显的优势，但同时它也有自身的负效应（厄廷豪森效应，能斯特效应，里纪勒杜克效应，不等电势效应引起的电势差） ，通过对称测量法可消除这些负效应。因此霍尔传感器在工业生产、交通运输和日常生活中有着非常广泛的应用。随着这些终端应用产品的不断发展，人们对于霍尔传感器的重视，使得霍尔传感器的发展前景更为广阔。关键词 霍尔传感器 霍尔效应 负效应2The design and application of sensor hall JiangTao Driected by ProfGuYunGaoAbstract Hall sensor is a magnetic sensor. We can Use it to detect changes in magnetic field and relevant occasions with magnetic field of use. Hall sensor based on hall effect is based, for its work by hall element and its affiliated circuit of integrated sensor. In the hall sensor design according to the hall, the hall dc detection principle device, the hall magnetic compensation principle, magnetic compensating voltage sensor, hall sensor output etc principle to design. Compared with the traditional sensor hall sensors have obvious advantages, but at the same time it also has its own negative (eritrea tings effect, can Howard sandhust effect, discipline - le duke effect in the range of potential effect, DianShiCha) caused by asymmetric measuring method can eliminate the negative effects. Therefore hall sensors in industrial production, transportation and daily life has a very wide range of applications. As these end-system applications the continued development of products, people for the attention of hall sensor-based, make the hall sensor-based broader development prospect.Keywords Hall sensor-based Hall effect Negative3目 录摘 要 1外文页 21.引言 42. 相关背景介绍 42.1 霍尔传感器的理论基础 52.2 研究的理论意义及学术价值 53. 霍尔传感器设计的物理原理 53.1 霍尔器件 53.2霍尔直流检测原理 63.3霍尔磁补偿原理 63.4磁补偿式电压传感器 73.5霍尔传感器的输出 74. 霍尔传感器的分析 84.1 霍尔传感器的优点 84.2 霍尔传感器的负效应 84.2.1 厄廷豪森（Eting hausen）效应 94.2.2 能斯特（Nernst）效应 94.2.3 里纪 勒杜克（Righi Leduc）效应 94.2.4 不等电势效应引起的电势差 94.2.5 对称测量法 95. 霍尔传感器的应用 105.1 霍尔传感器的分类 105.2 霍尔传感器的不同应用 106. 霍尔传感器的发展前景 1247. 总结和展望 12参考文献 13致 谢 145霍尔器传感的设计与应用研究1 引言霍尔传感器是全球排名第三的传感器产品，它被广泛应用到工业、汽车业、电脑、手机以及新兴消费电子领域。未来几年，随着越来越多的汽车电子和工业设计企业转移到中国，霍尔传感器在中国市场的年销售额将保持 20%到 30%的高速增长。与此同时，霍尔传感器的相关技术仍在不断完善中，可编程霍尔传感器、智能化霍尔传感器以及微型霍尔传感器将有更好的市场前景。隨着霍尔传感器越来越广泛地应用在汽车电子等领域，关心它的人也越来越多。2 相关背景介绍2.1 霍尔传感器的理论基础霍尔传感器的设计并且实际应用的理论基础来源于霍尔效应的发现。1879 年霍尔在研究载流导体在磁场中受力的性质时发现，当工作电流（额定控制电流）垂直于外磁场方向通过导电体时，在垂直于电流和磁场的方向的物体两侧产生电位差，称为霍尔电势差。这一效应称为霍尔效应。霍尔效应在 1879 年被 E.H. 霍尔发现，它定义了磁场和感应电压之间的关系，这种效应和传统的感应效果完全不同。在导体上外加与电流方向垂直的磁场，会使得导导线中的电子受到不同方向的洛伦兹力而往不同方向上聚集，在聚集起来的电子之间会产生电场，此一电场将会使后来的电子受到电力作用而平衡掉磁场造成的洛伦兹力，使得后来的电子能顺利通过而不会偏移，此称为霍尔效应。而产生的内建电压称为霍尔电压。方便起见做一个图来解释下见图 2-Error! No text of specified style in document.1，假设导体为一个长方体，长宽高分别为 a,b,d，磁场垂直 ab 平面。电流经过ad，电流 I = nqv(ad)，n 为电荷密度。设霍尔电压为 VH，导体沿霍尔电压方向的电场强度为 VH / a。设磁场强度为 B。 图 2-1K=1/(nqd)式中 K 为霍尔系数。众所周知，当电流通过一根长的直导线时，在导线周围产生磁场，磁场的大小与流过导线的电流成正比，这一磁场可以通过软磁材料来聚集，然后用霍尔器件进行检测，由于磁场与霍尔器件的输出有良好的线性关系，因此可利用霍尔器件测得的讯号大小，直接反应出电流的大小，即： IBV H，其中 I 为通过导线的电流，B 为导线通电流后产生的磁场，V H为霍尔器件在磁场 B 中产生的霍尔电压、当选用适当比例系数时，可以表示为等式。霍尔传感器就是根据这种工作原理制成的。现在人们用的霍尔器件一般都是由半导体材料制成的，这是因为在霍尔效应发现约一百年后，德国物理学家克利青(Klaus von Klitzing, 1943-)等在研究极低温度和强磁场中的半导体时发现了量子霍耳效应。而半导体的霍尔效应比金属强得多，故一般霍尔器件是采用半导体材料制作的。2.2 研究的理论意义及学术价值根据霍尔效应，人们用半导体材料制成的元件叫霍尔元件。由于霍尔元件产生的电势差很小，故通常将霍尔元件与放大器电路、温度补偿电路及稳压电源电路等集成在一个芯片上，称之为霍尔传感6器。它具有对磁场敏感、结构简单、体积小、频率响应宽、输出电压变化大和使用寿命长等优点，因此，在测量、自动化、计算机和信息技术等领域得到广泛的应用。复旦校友、斯坦福教授张首晟与母校合作开展了“量子自旋霍尔效应”的研究。 “量子自旋霍尔效应”最先由张首晟教授预言，之后被实验证实。这一成果是美国科学杂志评出的 2007 年十大科学进展之一。如果这一效应在室温下工作，它可能导致新的低功率的“自旋电子学”计算设备的产生。 目前工业上应用的高精度的电压和电流型传感器有很多就是根据霍尔效应制成的,误差精度能达到 0.1%以下3 霍尔传感器设计的物理原理3.1 霍尔器件霍尔器件是一种采用半导体材料制成的磁电转换器件。如果在输入端通入控制电流 IC，当有一磁场 B 穿过该器件感磁面，则在输出端出现霍尔电势 VH。如图 31 所示。图31霍尔电势 VH 的大小与控制电流 IC 和磁通密度 B 的乘积成正比，即：V HK HICBsin霍尔电流传感器是按照安培定律原理做成，即在载流导体周围产生一正比于该电流的磁场，而霍尔器件则用来测量这一磁场。因此，使电流的非接触测量成为可能。通过测量霍尔电势的大小间接测量载流导体电流的大小。因此，霍尔传感器经过了电磁电的绝缘隔离转换。3.2霍尔直流检测原理如图 32 所示。由于磁路与霍尔器件的输出具有良好的线性关系，因此霍尔器件输出的电压讯号 U0 可以间接反映出被测电流 I1 的大小，即：I 1B 1U 0图 32我们把 U0 定标为当被测电流 I1 为额定值时，U 0 等于 50mV 或 100mV。这就制成霍尔直接检测（无放大）电流传感器。3.3霍尔磁补偿原理原边主回路有一被测电流 I1，将产生磁通 1，被副边补偿线圈通过的电流 I2 所产生的磁通 2进行补偿后保持磁平衡状态，霍尔器件则始终处于检测零磁通的作用。所以称为霍尔磁补偿电流传感器。这种先进的原理模式优于直检原理模式，突出的优点是响应时间快和测量精度高，特别适用于弱7小电流的检测。霍尔磁补偿原理如图 33 所示。图 33从图 33 知道： 1 2I1N1I 2N2I2N I/N2I1当补偿电流 I2 流过测量电阻 RM 时，在 RM 两端转换成电压。做为传感器测量电压 U0 即：U0I 2RM按照霍尔磁补偿原理制成了额定输入从 0.01A500A 系列规格的电流传感器。由于磁补偿式电流传感器必须在磁环上绕成千上万匝的补偿线圈，因而成本增加；其次，工作电流消耗也相应增加；但它却具有直检式不可比拟的较高精度和快速响应等优点。3.4磁补偿式电压传感器为了测量 mA 级的小电流，根据 1I 1N1，增加 N1 的匝数，同样可以获得高磁通 1。采用这种方法制成的小电流传感器不但可以测 mA 级电流，而且可以测电压。与电流传感器所不同的是在测量电压时，电压传感器的原边多匝绕组通过串联一个限流电阻R1，然后并联连接在被测电压 U1 上，得到与被测电压 U1 成比例的电流 I1，如图 34 所示。图 34副边原理同电流传感器一样。当补偿电流 I2 流过测量电阻 RM 时，在 RM 两端转换成电压作为传感器的测量电压 U0，即 U0I 2RM3.5霍尔传感器的输出直接检测式（无放大）电流传感器为高阻抗输出电压，在应用中，负载阻抗要大于 10K，通常都是将其50mV 或100mV 悬浮输出电压用差动输入比例放大器放大到4V 或5V 。图 3-5 是两个实用电路，人们可以根据自身的需要自行选择。8图 3-5a图 3-5b（a）图可满足一般精度要求；（b）图性能较好，适用于精度要求高的场合。直检放大式电流传感器为高阻抗输出电压。在应用中，负载阻抗要大于 2K。磁补偿式电流、电压磁补偿式电流、电压传感器均为电流输出型。从图 33 看出“M”端对电源“O”端为电流 I2 的通路。因此，传感器从 “M”端输出的信号为电流信号。电流信号可以在一定范围远传，并能保证精度，使用中，测量电阻 RM 只需设计在二次仪表输入或终端控制板接口上。上面 5 个事霍尔传感器设计的物理原理中主要的几个原理当然还有其他的，这里就不一一做介绍了。4. 霍尔传感器的分析4.1 霍尔传感器的优点霍尔传感器是一种基于霍尔效应的磁传感器,已发展成一个品种多样的磁传感器产品族，并已得到广泛的应用。霍尔传感器具有许多优点，它们的结构牢固，体积小，重量轻，