磁电式传感器霍尔传感器学习教案

1、会计学1磁电式传感器霍尔传感器磁电式传感器霍尔传感器第一页，共28页。霍尔传感器的工作霍尔传感器的工作(gngzu)(gngzu)原理原理1 1霍尔效应霍尔效应(xioyng)(xioyng) 半导体薄片半导体薄片(bo pin)(bo pin)置于磁感应强度为置于磁感应强度为B B 的磁场中，磁场方的磁场中，磁场方向垂直于薄片向垂直于薄片(bo pin)(bo pin)，当有电流，当有电流I I 流过薄片流过薄片(bo pin)(bo pin)时时，在垂直于电流和磁场的方向上将产生电动势，在垂直于电流和磁场的方向上将产生电动势EHEH，这种现象称为霍，这种现象称为霍尔效应。尔效应。 磁感应强

2、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页第二页，共28页。当有图示方向磁场当有图示方向磁场(cchng)B(cchng)B作用时作用时 作用在半导体薄片作用在半导体薄片(bo pin)(bo pin)上的磁场强度上的磁场强度B B越强，霍尔电越强，霍尔电势也就越高。霍尔电势势也就越高。霍尔电势UHUH可用下式表示：可用下式表示： UH=KH IB UH=KH IB第2页/共27页第三页，共28页。霍尔效应霍尔效应(xioyng)演示演示 当磁场垂直于薄片时，电子受到洛仑兹力的作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，在半导体薄片用，向内

3、侧偏移，在半导体薄片A A、B B方向的端方向的端面之间建立面之间建立(jinl)(jinl)起霍尔电势。起霍尔电势。A AB BC CD D第3页/共27页第四页，共28页。可以可以(ky)(ky)推出，霍尔电动势推出，霍尔电动势UHUH的大小为：的大小为： HHcosUk IB式中：式中：kHkH为灵敏度系数，为灵敏度系数，kH= RH/dkH= RH/d，表示在单位磁感应强度和单位控制电，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流时的霍尔电动势的大小, ,与材料与材料(cilio)(cilio)的物理特性（霍尔系数）和的物理特性（霍尔系数）和几何尺寸几何尺寸d d有关；有关

4、； 霍尔系数霍尔系数RHRH1/(nq)1/(nq)，由材料，由材料(cilio)(cilio)物理性质所决定，物理性质所决定，q q为电子电荷为电子电荷量量 ；n n为材料为材料(cilio)(cilio)中的电子浓度。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。 第4页/共27页第五页，共28页。 结论：霍尔电势与输入电流结论：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，且当成正比，且当B B的方向改变时，霍尔电势的方向也随之改变。如果所施加的的方向改变时，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为交变(jio bin)(jio bin)磁场，

5、则霍尔电势为同频率的交变磁场，则霍尔电势为同频率的交变(jio bin)(jio bin)电势。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 n很高，因此很高，因此RHRH很小，不宜作很小，不宜作霍尔元件。霍尔元件多用载流子迁移率大的霍尔元件。霍尔元件多用载流子迁移率大的N N型半导体材型半导体材料制作。另外，霍尔元件越薄料制作。另外，霍尔元件越薄(d(d越小越小) )，kHkH就越大，所以就越大，所以通常霍尔元件都较薄。薄膜霍尔元件的厚度通常霍尔元件都较薄。薄膜霍尔元件的厚度(hud)(hud)只只有有1 1 左右。左右。mm第5页/共27页第六页，共28页。2 2霍尔元件霍尔

6、元件(yunjin)(yunjin)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 4mmmm2 2mmmm0.10.1mm)mm)，经研磨抛，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。而薄膜霍尔元件则是在一片极薄的基片上用蒸发或外延的方法做成霍装。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。一般控制端引线采尔片，然后再制作欧姆接触电极，焊上引线最后封装。一般控制端引线采用红色引线，而霍尔输出用红色引

7、线，而霍尔输出(shch)(shch)端引线则采用绿色引线。霍尔元件的端引线则采用绿色引线。霍尔元件的壳体用非导磁金属、陶瓷或环氧树脂封装。壳体用非导磁金属、陶瓷或环氧树脂封装。 (a) (a) 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页第七页，共28页。3 3霍尔元件的主要霍尔元件的主要(zhyo)(zhyo)特性及特性及材料材料 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kHkH：表示元件在单位磁感应强度和单位控制：表示元件在单位磁感应强度和单位控制(kngzh)(kngzh)电

8、流电流下所得到的开路（下所得到的开路（RL=RL=）霍尔电动势，单位为）霍尔电动势，单位为V/(AT)V/(AT)。(2) (2) 霍尔输入电阻霍尔输入电阻RiRi：霍尔控制：霍尔控制(kngzh)(kngzh)电流电极间的电电流电极间的电阻值。阻值。(3) (3) 霍尔输出电阻霍尔输出电阻RoRo：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控制：表示在一定的磁感应强度和控制电流的条件下，环境温度每变化电流的条件下，环境温度每变化11时霍尔元件材料的电阻变时霍尔元件材料的电阻变化率，单位为化率，单位为%/%/

9、。第7页/共27页第八页，共28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) 额定控制额定控制(kngzh)(kngzh)电流电流IcmIcm：空气中的霍尔元件产生允许：空气中的霍尔元件产生允许温升温升T=10T=10时的控制时的控制(kngzh)(kngzh)电流，一般为几毫安到几百电流，一般为几毫安到几百毫安。毫安。(7) (7) 不等位电势不等位电势U0U0：外加磁场为：外加磁场为0 0，霍尔元件，霍尔元件(yunjin)(yunjin)在额在额定控制电流下，两霍尔电极之间的开路电动势。定控制电流下，两霍尔电极之间的开路电动势。U0U0越小越好，越小越好，

10、一般地，一般地，U0U0小于小于1mV1mV。（8 8）不等位电阻）不等位电阻r0: r0=U0/Icmr0: r0=U0/Icm。cm2/sIwd T(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制电流的：表示在一定的磁感应强度和控制电流的条件下，环境温度每变化条件下，环境温度每变化(binhu)1(binhu)1时霍尔电势的相对变化时霍尔电势的相对变化(binhu)(binhu)率单位为率单位为%/%/。第8页/共27页第九页，共28页。3 3霍尔元件霍尔元件(yunjin)(yunjin)的主要特性及材的主要特性及材料料 1) 1) 霍尔元件霍尔元件

11、(yunjin)(yunjin)的主要特性参数的主要特性参数(9) (9) 霍尔最大允许激励霍尔最大允许激励(jl)(jl)电流电流ImaxImax：以霍尔元件：以霍尔元件允许最大温升为限制所对应的激励允许最大温升为限制所对应的激励(jl)(jl)电流称为最电流称为最大允许激励大允许激励(jl)(jl)电流。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、霍尔元件：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外用交流激励时，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。，还有一直流电势，称为寄生直流电势

12、。第9页/共27页第十页，共28页。 2) 2) 霍尔元件的材料霍尔元件的材料(cilio)(cilio)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是常见的制作霍尔元件的几种半导体材料(cilio)(cilio)。表。表6-26-2所所列为制作霍尔元件的几种半导体材料列为制作霍尔元件的几种半导体材料(cilio)(cilio)主要参数。主要参数。1 2m/电阻率电阻率电子电子(dinz)迁移率迁移率材料材料(单晶单晶)禁带宽度禁带宽度Eg

13、/(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)1.1071.5150022501840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)0.630.08105008503000m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页第十一页，共28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

14、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 霍尔元件的误差霍尔元件的误差(wch)(wch)及补偿及补偿 1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(j zhn)具体形式。 1) 1) 不等位不等位(dn(dn wi) wi)电动势电动势不等位不等位(dn(dn wi) wi)电动势是零位误差中最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主要的一种，它是当霍尔元件在额定控制电流流(

15、 (元件在空气中温升元件在空气中温升1010所对应的电流所对应的电流) )作作用下，不加外磁场时，霍尔输出端之间的空用下，不加外磁场时，霍尔输出端之间的空载电动势。载电动势。 第11页/共27页第十二页，共28页。此外此外(cwi),(cwi),霍尔片电阻率不均匀，或片厚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薄不均匀，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一面歪斜，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。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

16、不等位电压以外在无磁场的情况下，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原因有两个方面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个方面(fngmin)(fngmin)：(1)(1)由于控制电极焊接处接触不良而造成一种整流效应，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直流分量。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。(2)(2)输出电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，当交流控制电流为流为2

17、020mAmA时，输出电极的寄生直流电压小于时，输出电极的寄生直流电压小于100 100 。Vm第12页/共27页第十三页，共28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。根据动势。根据(gnj)(gnj)电磁感应定律，感应电磁感应定律，感应电动势的大小与霍尔元件输出电极引线构成电动势的大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。的感应面积成正比，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

18、，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，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页第十四页，共28页。在上述的在上述的4 4种零位误差种零位误差(wch)(wch)中，寄生直流电动势、感应零电动势中，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

19、原因而造成的误差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(wch)(wch)，可以通过工艺水平的提高加以解决。而不等位电动势所造，可以通过工艺水平的提高加以解决。而不等位电动势所造成的零位误差成的零位误差(wch)(wch)，则必须通过补偿电路给予克服。，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R1=R2=R3=R4R1=R2=R3=R4，即可取得，即可取得(qd)(qd)零位电动势为零零位电动势为零( (或零位电阻为零或零位电阻为零) )，从而消除不等位电动势。实际上，若存在零位，从而消除不等位电动势。实际上，若存在零位电动势，则说明此电动势，则说明此4 4个电阻不

20、完全相等，即电桥不平衡。为使其达个电阻不完全相等，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到平衡，可在阻值较大的桥臂上并联可调电阻RPRP或在两个臂上同或在两个臂上同时并联电阻时并联电阻RPRP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页第十五页，共28页。霍尔元件零位误差补偿霍尔元件零位误差补偿(bchng)(bchng)电路电路 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度变化，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

21、输入所以霍尔元件的性能参数如输入(shr)(shr)、输出电阻、输出电阻, ,霍尔常数等也随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。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页第十六页，共28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。

22、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页第十七页，共28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) 采用恒压源和输入采用恒压源和输入(shr)(shr)回路串联电阻回路串联电阻 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：HtHitREBURRd 对上式求温度的导数得，要使温度变化时霍尔电压不变，必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：须使外接电阻： i0()RR第17页/共27页第十八页，共28页。 2) 2) 合理选择负载电阻合理

23、选择负载电阻RLRL的阻值的阻值霍尔元件的输出电阻霍尔元件的输出电阻RoRo和霍尔电动势和霍尔电动势UHUH都是温度都是温度(wnd)(wnd)的函数的函数( (设为设为正温度正温度(wnd)(wnd)系数系数) )，当霍尔元件接有负载，当霍尔元件接有负载RLRL时，在时，在RLRL上的电压为：上的电压为：LH00LLo001()1()R UttURRtt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Lo0(1)RR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

24、成立来补偿温度误差，但可采用串、并连电阻的方法使上式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页第十九页，共28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系数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，电阻丝具有正温度系数，可采用输入回路(hul)(hul)串接热敏电阻，串接热敏电阻，输入回路输入回路(hul)(hul)并接电阻丝，或输出端串接热敏电阻对具有负温度并接电阻丝，或输出端串

25、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，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霍尔传感温度补偿电路、霍尔元件和放大电路应集成在一起制成集成霍尔传感器。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

26、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页第二十页，共28页。5霍尔传感器的应用霍尔传感器的应用(yngyng)1 1 霍尔转速霍尔转速(zhun s)(zhun s)传感器传感器 在被测转速的转轴上安装一个齿盘，也可选取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。齿盘的转动使磁路的磁阻随气路系统靠近齿盘。齿盘的转动使磁路的磁阻随气隙的改变而周期性地变化隙的改变而周期性地变化(binhu)(binhu)，霍尔器件输，霍尔器件输出的微