第7章 磁传感器

1、第第7 7章章 磁传感器磁传感器（一）霍尔效应（一）霍尔效应金属或半导体薄片置于磁感应强度为金属或半导体薄片置于磁感应强度为B的磁场（的磁场（磁场方向垂磁场方向垂直于薄片直于薄片）中，当有电流）中，当有电流I流过时，在垂直于电流和磁场的流过时，在垂直于电流和磁场的方向上将产生方向上将产生电动势电动势UH。这种物理现象称为。这种物理现象称为霍尔效应霍尔效应。当通以电流当通以电流 I 时，半导体中的时，半导体中的电子受到磁场中洛仑兹力洛电子受到磁场中洛仑兹力洛仑兹力仑兹力FL的作用，其大小为的作用，其大小为在在 FL 的作用下，电子发生偏移，的作用下，电子发生偏移，在半导体的后端积聚负电荷，在半导

2、体的后端积聚负电荷，前端则为正电荷，形成电场前端则为正电荷，形成电场。一、霍尔传感器的工作原理及特性一、霍尔传感器的工作原理及特性静电场对电子的作用力为静电场对电子的作用力为FE与洛仑兹力方向相反，将阻与洛仑兹力方向相反，将阻止电子继续偏转，其大小为止电子继续偏转，其大小为当当FL FE0时，电子的积累达到动平衡，即时，电子的积累达到动平衡，即所以所以设流过霍尔元件的电流为设流过霍尔元件的电流为 I 时，时，式中式中bd为与电流方向垂直的截面积，为与电流方向垂直的截面积，n 为单位体积内自由电为单位体积内自由电子数子数(载流子浓度载流子浓度)。RH则被定义为霍尔传感器的则被定义为霍尔传感器的霍

3、尔系数霍尔系数；kH为霍尔元件的为霍尔元件的灵敏度灵敏度。由上述讨论可知，霍尔元件的由上述讨论可知，霍尔元件的灵敏度灵敏度不仅与元件材料的不仅与元件材料的霍尔系霍尔系数数有关，还与霍尔元件的有关，还与霍尔元件的几何尺寸几何尺寸有关。有关。一般要求霍尔元件灵敏度越大越好，霍尔元件灵敏度的公式可一般要求霍尔元件灵敏度越大越好，霍尔元件灵敏度的公式可知，霍尔元件的知，霍尔元件的厚度厚度d与与kH成反比成反比。式中式中所以所以因为因为如果磁场和薄片法线有如果磁场和薄片法线有角，那么角，那么霍尔元件霍尔元件 基于霍尔效应工作的半导体器件称为基于霍尔效应工作的半导体器件称为霍尔元件霍尔元件 在薄片的在薄片

4、的长度方向长度方向两端面上焊有两根引线（图中两端面上焊有两根引线（图中a，b线），称线），称为控制电流端引线，通常用为控制电流端引线，通常用红色红色导线；导线； 在薄片的另两侧端面的在薄片的另两侧端面的中间中间以点的形式以点的形式对称地对称地焊有两根霍尔输焊有两根霍尔输出端引线（图中出端引线（图中c，d线），通常用线），通常用绿色绿色导线。导线。（二）霍尔元件的电磁特性（二）霍尔元件的电磁特性 UH I 特性特性在磁场和环境温度一定时，霍尔输出电势在磁场和环境温度一定时，霍尔输出电势UH与控制电流与控制电流 I 之之间呈间呈线性关系线性关系，如图所示，直线的斜率称为控制电流灵敏度，如图所示，直

5、线的斜率称为控制电流灵敏度，用用k1表示表示 k1 =(UH /I )B恒定恒定 代入可以得到代入可以得到 k1 =kHB 因此，霍尔元件的灵敏度系数因此，霍尔元件的灵敏度系数kH越大，其越大，其k1也越大。也越大。 UH -B 特性特性当控制电流一定时，霍尔元件的开路输出随磁当控制电流一定时，霍尔元件的开路输出随磁感应强度的增加感应强度的增加并不是完全成线性关系并不是完全成线性关系，只有，只有当当B小于小于 0.5T 时，时， UH B 的线性度才比较好的线性度才比较好。 R -B 特性特性R -B特性是指霍尔元件的输入（或特性是指霍尔元件的输入（或输出）电阻与磁场之间的关系，霍输出）电阻与

6、磁场之间的关系，霍尔元件的尔元件的内阻内阻随磁场的绝对值随磁场的绝对值增加增加而增大而增大，这种现象称，这种现象称磁阻效应磁阻效应。 对某种速度运动的电子，若霍尔对某种速度运动的电子，若霍尔电场作用力电场作用力恰好抵消恰好抵消洛伦兹力，洛伦兹力，电子沿直线运动电子沿直线运动；小于此速度小于此速度的的电子将电子将沿霍尔电场作用方向沿霍尔电场作用方向偏转；偏转；而而大于此速度大于此速度的电子将的电子将沿洛伦兹沿洛伦兹力方向力方向偏转。偏转。这种偏转将沿控制电流电场方向这种偏转将沿控制电流电场方向的的电流密度减小电流密度减小，也就是由于磁，也就是由于磁场的存在场的存在增加了元件的内阻增加了元件的内阻

7、。这。这就是磁阻效应的物理本质。就是磁阻效应的物理本质。 (二二)霍尔元件的误差和补偿霍尔元件的误差和补偿 1.不等电势不等电势U0及补偿及补偿 零位误差零位误差是霍尔元件在不加磁场或不加控制电流时是霍尔元件在不加磁场或不加控制电流时产生的霍尔电压，而产生的霍尔电压，而不等位电势不等位电势U0是主要的零位误是主要的零位误差。不等位电势是由于元件输出极差。不等位电势是由于元件输出极焊接不对称焊接不对称、厚厚薄不均匀薄不均匀以及以及两个输出电极接触不良两个输出电极接触不良等原因造成的。等原因造成的。如下图如下图(a)所示。所示。 除工艺上尽量使除工艺上尽量使霍尔电极对称霍尔电极对称来降低来降低U0

8、，还需采用，还需采用补偿补偿电路电路加以补偿。下图给出几种常用的补偿方法。通常在加以补偿。下图给出几种常用的补偿方法。通常在某一桥臂上并上一定电阻而将某一桥臂上并上一定电阻而将U0降到最小，甚至为零。降到最小，甚至为零。2、寄生直流电势、寄生直流电势 当霍尔元件通以当霍尔元件通以交流控制电流交流控制电流而不加外磁场时，霍尔输出而不加外磁场时，霍尔输出除了交流不等位电势外，还有除了交流不等位电势外，还有一直流电势分量一直流电势分量，称寄生直，称寄生直流电势。流电势。3、感应零电势、感应零电势 霍尔元件在交流或脉动磁场中工作时，即使霍尔元件在交流或脉动磁场中工作时，即使不加控制电流不加控制电流，霍

9、尔端也会有霍尔端也会有输出输出，这个输出就是感应零电势。它是由于，这个输出就是感应零电势。它是由于霍尔电极的引线布置不合理霍尔电极的引线布置不合理而造成的。而造成的。4、自激场零电势、自激场零电势 当霍尔元件通以控制电流时，此当霍尔元件通以控制电流时，此电流也会产生磁场电流也会产生磁场，该磁，该磁场称为自激场。场称为自激场。(二二)霍尔元件的温度误差及其补偿霍尔元件的温度误差及其补偿 由于由于载流子浓度载流子浓度等随温度变化而变化，因此会导致霍尔元件的等随温度变化而变化，因此会导致霍尔元件的内内阻、霍尔电势阻、霍尔电势等也随温度变化而变化。等也随温度变化而变化。 而且温度高到一定程度，产生的变

10、化相当大。而且温度高到一定程度，产生的变化相当大。 温度误差是霍尔元件测量中不可忽视的误差。针对温度变化导致内温度误差是霍尔元件测量中不可忽视的误差。针对温度变化导致内阻阻(输入、输出电阻输入、输出电阻)的变化，可以采用适当的补偿电路。的变化，可以采用适当的补偿电路。 (1)采用恒流源供电，输入回路并联电阻进行补偿采用恒流源供电，输入回路并联电阻进行补偿为了减小误差，最好采用恒流源提供控制电流，为了减小误差，最好采用恒流源提供控制电流，但仍有温度误差。但仍有温度误差。设温度设温度t0时，元件灵敏度系数为时，元件灵敏度系数为 ，输入电阻，输入电阻为为 ，而温度上升到，而温度上升到t 时时t0 时

11、时t 时时因此因此为了使霍尔电势不随温度而变化，必须保证为了使霍尔电势不随温度而变化，必须保证 t0 和和 t 时的霍时的霍尔电势相等，即尔电势相等，即 。则可得。则可得所以所以选择输入回路并联电阻选择输入回路并联电阻RP，可使，可使温度误差减到极小。温度误差减到极小。(2)利用输出回路的负载进行补偿利用输出回路的负载进行补偿 右图是输出补偿的基本线路。输出电阻及霍尔电压右图是输出补偿的基本线路。输出电阻及霍尔电压与温度之间的关系为与温度之间的关系为 负载负载RL 上的电压上的电压UL 为为补偿电阻补偿电阻RL 上的电压随温度变化最小的极值条件为上的电压随温度变化最小的极值条件为 ，故故 霍尔

12、位移传感器霍尔位移传感器 霍尔位移传感器可制作成如图霍尔位移传感器可制作成如图(a)所示结构。在极性相反、磁场所示结构。在极性相反、磁场强度相同的两个磁钢的气隙间放置一个霍尔元件。当控制电流强度相同的两个磁钢的气隙间放置一个霍尔元件。当控制电流I恒定不变时，霍尔电势恒定不变时，霍尔电势UH与外磁感应强度成正比；若磁场在一与外磁感应强度成正比；若磁场在一定范围内沿定范围内沿x方向的变化梯度方向的变化梯度dB/dx，如图如图(b)所示为一常数时，所示为一常数时，则当霍尔元件沿则当霍尔元件沿x方向移动时，霍尔电势变化也应是一个常数方向移动时，霍尔电势变化也应是一个常数K（位移传感器的输出灵敏度）：（位移传感器的输出灵敏度）：即即UHKx 。这说明霍尔电。这说明霍尔电势与位移量成线性关系。势与位移量成线性关系。磁场梯度越大，灵敏度越高；磁场梯度越大，灵敏度越高；磁场梯度越均匀，输出线性磁场梯度越均匀，输出线性度越好。度越好。)273. 01220BB （一、磁敏电阻式传感器一、磁敏