第9章 霍耳傳感器

1、第9章 霍耳傳感器本章主要內(nèi)容9.1 霍爾傳感器結(jié)構(gòu)及工作原理 9.2 霍爾傳感器的測量及補償電路 9.3 霍爾傳感器的應(yīng)用教學(xué)目標(biāo)及重點、難點教學(xué)目標(biāo)：1、了解霍爾元件的工作原理及結(jié)構(gòu)、霍爾元件的基本參數(shù)與溫度誤差的補償；2、熟悉集成霍爾元件和霍爾式傳感器的應(yīng)用；重點、難點：重點：集成霍爾元件和霍爾式傳感器的應(yīng)用難點 霍爾傳感器工作原理及應(yīng)用一.霍爾效應(yīng) 霍爾效應(yīng): 金屬或半導(dǎo)體薄片置于磁場中，當(dāng)有電流流過時，在垂直于電流和磁場的方向上將產(chǎn)生電動勢，這種物理現(xiàn)象稱為霍爾效應(yīng)。 二.霍耳元件 霍爾元件: 基于霍爾效應(yīng)工作的半導(dǎo)體器件稱為霍爾元件，霍爾元件多采用N型半導(dǎo)體材料。 霍爾元件由霍爾片

2、、四根引線和殼體組成，如圖所示。霍爾片是一塊半導(dǎo)體單晶薄片(一般為4mm2mm0.1mm)，在它的長度方向兩端面上焊有a、b兩根引線，稱為控制電流端引線，通常用紅色導(dǎo)線，其焊接處稱為控制電極；在它的另兩側(cè)端面的中間以點的形式對稱地焊有c、d兩根霍爾輸出引線，通常用綠色導(dǎo)線，其焊接處稱為霍爾電極。 9.1 霍爾傳感器結(jié)構(gòu)及工作原理一. 霍爾傳感器（元件）工作原理 1. 霍耳效應(yīng)金屬或半導(dǎo)體薄片置于磁場中，當(dāng)有電流流過時，在垂直于電流和磁場的方向上將產(chǎn)生電動勢，這種物理現(xiàn)象稱為霍爾效應(yīng)。該電動勢稱為霍耳電勢UH。置于磁場中的靜止載流導(dǎo)體，當(dāng)它的電流方向與磁場方向不一致時，載流導(dǎo)體上平行于電流和磁場

3、方向上的兩個面之間產(chǎn)生電動勢，這種現(xiàn)象稱為霍耳效應(yīng)。該電動勢稱為霍耳電勢。如圖4.59 所示，在垂直于外磁場B的方向上放置一導(dǎo)電板，導(dǎo)電板通以電流I，方向如圖所示。導(dǎo)電板中的電流使金屬中自由電子在電場作用下做定向運動。此時，每個電子受洛倫茲力fL作用，fL的大小為: fL=e v B式中: e電子電荷；v電子運動平均速度；B磁場的磁感應(yīng)強度。在圖4.59中，fL的方向是向內(nèi)的，此時電子除了沿電流反方向作定向運動外，還在fL的作用下向?qū)w一個側(cè)面偏轉(zhuǎn)，結(jié)果使金屬導(dǎo)電板內(nèi)側(cè)面積累電子，而外側(cè)面積累正電荷，從而形成了附加內(nèi)電場EH，稱為霍耳電場，該電場強度為：EH=UH /b式中：UH霍耳電位差；b

4、霍耳片的寬度。由于霍耳電場的存在，使作定向運動的電子除了受到洛倫茲力的作用外，還要受到霍耳效應(yīng)產(chǎn)生的電場力的作用，其力的大小為fH=e EH，此力阻止電荷繼續(xù)積累。隨著內(nèi)、外側(cè)面積累電荷的增加，霍耳電場增大，電子受到的霍耳電場力也增大，因為電子所受洛倫茲力與霍耳電場作用力方向相反，當(dāng)二者大小相等時有：e EH=e B v (4-97)即 EH=v B，達(dá)到動態(tài)平衡狀態(tài)，此時電荷將不再向兩側(cè)面積累。2 霍耳電動勢當(dāng)電子運動方向與外磁場的方向相互垂直時，UH = EH b= b v B (9-1)假設(shè)金屬導(dǎo)電板單位體積內(nèi)的電子數(shù)為n，電子定向運動平均速度為v，由電流密度Q=n e v，則載流體的激

5、勵電流I=Qbd=nevbd，則有 v=I/nebd (9-2)令RH=1/ne，稱為霍耳常數(shù)，其大小取決于導(dǎo)體載流子密度，則UH =RH I B/d=KH I B式中，KH=RH/d，稱為霍耳片的靈敏度。由此可見，霍耳電勢正比于激勵電流I及磁感應(yīng)強度B，其霍耳片的靈敏度與霍耳系數(shù)RH成正比而與霍耳片的厚度d成反比。因此，為了提高靈敏度，霍耳元件常制成薄片形狀。方向上，當(dāng)B或I中任意一個量發(fā)生方向上變化時，霍耳電動勢的方向發(fā)生變化，當(dāng)B和I同時發(fā)生方向變化時，則霍耳電動勢的方向保持不變。二. 霍耳元件的結(jié)構(gòu) 霍耳元件的結(jié)構(gòu)很簡單，它是由霍耳片、四根引線和殼體組成，結(jié)構(gòu)如圖4.60(a)所示。在

6、電路中，霍耳元件一般可用兩種符號表示，如圖4.60(b)所示。國產(chǎn)霍耳元件型號的命名方法如圖4.60(c)： 常見的國產(chǎn)霍耳元件型號有：HZ-1、HZ-2、HZ-3、HT-1、HT-2、HS-1等。1) 霍耳片是一塊矩形半導(dǎo)體單晶薄片，引出四根引線：1、1兩根引線加激勵電壓或電流，稱為激勵電極(或控制電極)；2、2引線為霍耳輸出引線，稱為霍耳電極。2) 霍耳元件的殼體是用非導(dǎo)磁金屬、陶瓷或環(huán)氧樹脂封裝。三. 霍耳元件的主要技術(shù)參數(shù)1 額定激勵電流使霍耳元件溫升10時所施加的激勵電流稱為額定激勵電流。以元件允許最大溫升為限制所對應(yīng)的激勵電流稱為最大允許激勵電流。因霍耳電勢隨激勵電流增加而線性增加

7、，所以使用中希望選用盡可能大的激勵電流以獲得較高的霍耳電勢輸出，但是由于受到最大允許溫升的限制，可以通過改善霍耳元件的散熱條件，使激勵電流增加。2 靈敏度KH霍耳元件在單位磁感應(yīng)強度和單位激勵電流作用下的空載霍耳電勢值，稱為霍耳元件的靈敏度。3 輸入電阻和輸出電阻霍耳元件激勵電極間的電阻值稱為輸入電阻?；舳姌O輸出電勢對電路外部來說相當(dāng)于一個電壓源，其電源內(nèi)阻即為輸出電阻。以上電阻值是在磁感應(yīng)強度為零，且環(huán)境溫度在205時所確定的。4 不等位電勢和不等位電阻當(dāng)磁感應(yīng)強度為零，霍耳元件的激勵電流為額定值時，則其輸出的霍耳電勢應(yīng)該為零，但實際不為零，用直流電位差計可以測得空載霍耳電勢，這時測得的空

8、載霍耳電勢稱為不等位電勢(一般)。產(chǎn)生不等位電勢的主要原因有：霍耳電極安裝位置不對稱或不在同一等電位面上；半導(dǎo)體材料不均勻造成了電阻率不均勻或是幾何尺寸不均勻；激勵電極接觸不良造成激勵電流不均勻分布等。不等位電勢也可用不等位電阻(零位電阻)表示，即式中U0不等位電勢；R0不等位電阻；I額定激勵電流。由式(4-105)可以看出，不等位電勢就是激勵電流流經(jīng)不等位電阻所產(chǎn)生的電壓，如圖4.64 所示。5 寄生直流電勢在外加磁場為零、霍耳元件用交流激勵時，霍耳電極輸出除了交流不等位電勢外，還有一直流電勢，稱為寄生直流電勢。產(chǎn)生寄生直流電勢的原因有：激勵電極與霍耳電極接觸不良，形成非歐姆接觸，造成整流效

9、果；兩個霍耳電極大小不對稱，則兩個電極點的熱容不同，散熱狀態(tài)不同而形成極間溫差電勢。寄生直流電勢一般在1mV以下，它是影響霍耳片溫漂的原因之一。6 霍耳電勢溫度系數(shù)在一定磁感應(yīng)強度和激勵電流下，溫度每變化1時，霍耳電勢變化的百分率稱為霍耳電勢溫度系數(shù)。它同時也是霍耳系數(shù)的溫度系數(shù)。它與霍耳元件的材料有關(guān)，一般約為0.1左右。9.2 霍爾傳感器的測量及補償電路一. 霍耳元件測量電路圖4.61所示的是霍耳元件的基本檢測電路。Rp用來調(diào)節(jié)激勵電流的大小，電源E用以提供激勵電流I，霍耳元件輸出端接負(fù)載電阻RL(也可以是測量儀表的內(nèi)阻或放大器的輸入電阻等)霍耳效應(yīng)建立的時間很短，所以也可以用頻率很高的交

10、流激勵電流(如109Hz以上)，由于霍耳電勢正比于激勵電流I或磁感應(yīng)強度B，或者二者的乘積，因此在實際應(yīng)用中，可以把激勵電流I 或磁感應(yīng)強度B，或者二者的乘積作為輸入信號進(jìn)行檢測。通常，霍耳電勢的轉(zhuǎn)換效率比較低，為了獲得更大的霍耳電勢輸出，可以將若干個霍耳元件串聯(lián)起來使用。圖4.62所示的是兩個霍耳元件串聯(lián)的接線圖。而在霍耳元件輸出信號不夠大的情況下，可以采用運算放大器對霍耳電勢進(jìn)行放大，如圖4.63所示。當(dāng)然，最好還是采用集成霍耳傳感器。二. 測量誤差及誤差補償1. 不等位電勢的產(chǎn)生誤差及補償不等位電動勢是一個主要的零位誤差，不等位電勢與霍耳電勢具有相同的數(shù)量級，有時甚至超過霍耳電勢，而實用

11、中要消除不等位電勢是極其困難的，因而必須采用補償?shù)姆椒ā７治霾坏任浑妱輹r，可以把霍耳元件等效為一個電橋，用分析電橋平衡來補償不等位電勢。圖4.65 所示為霍耳元件的等效電路，其中A、B為霍耳電極，C、D為激勵電極，電極分布電阻分別用r1、r2、r3、r4表示，把它們看作電橋的四個橋臂。理想情況下，電極A、B 處于同一等位面上，r1= r2= r3= r4，電橋平衡，不等位電勢Uo為0。實際上，由于A、B電極不在同一等位面上，此四個電阻阻值不相等，電橋不平衡，不等位電勢不等于零。此時可根據(jù)A、B兩點電位的高低，判斷應(yīng)在某一橋臂上并聯(lián)一定的電阻，使電橋達(dá)到平衡，從而使不等位電勢為零。幾種補償線路如

12、圖4.66所示。圖(a)、(b)為常見的補償電路，圖(b)、(c)相當(dāng)于在等效電橋的兩個橋臂上同時并聯(lián)電阻，圖(d)用于交流供電的情況。2. 溫度補償（溫度誤差及其補償）霍耳元件是采用半導(dǎo)體材料制成的，因此它們的許多參數(shù)都具有較大的溫度系數(shù)。當(dāng)溫度變化時，霍耳元件的載流子濃度、遷移率、電阻率及霍耳系數(shù)都將發(fā)生變化，從而使霍耳元件產(chǎn)生溫度誤差。為了減小霍耳元件的溫度誤差，除選用溫度系數(shù)小的元件或采用恒溫措施外，由UH=KH I B可看出：采用恒流源供電是個有效措施，可以使霍耳電勢穩(wěn)定。但也只能是減小由于輸入電阻隨溫度變化所引起的激勵電流I的變化的影響?；舳撵`敏度KH也是溫度的函數(shù)，它隨溫度

13、變化將引起霍耳電勢的變化?；舳撵`敏度系數(shù)與溫度的關(guān)系可寫成：KH=KH0(1+aT)式中 KH0溫度為T0時的KH值；T=T-T0溫度變化量；a霍耳電勢溫度系數(shù)。大多數(shù)霍耳元件的溫度系數(shù)a是正值，它們的霍耳電勢隨溫度升高而增加aT倍。但如果同時讓激勵電流Is相應(yīng)地減小，并能保持KHIs乘積不變，也就抵消了靈敏度KH增加的影響。圖4.67就是按此思路設(shè)計的一個既簡單，補償效果又較好的補償電路。電路中Is為恒流源，分流電阻Rp與霍耳元件的激勵電極相并聯(lián)。當(dāng)霍耳元件的輸入電阻隨溫度升高而增加時，旁路分流電阻Rp自動地增大分流，減小了霍耳元件的激勵電流IH，從而達(dá)到補償?shù)哪康??；魻栐臏囟日`差

14、可以采用多種方法進(jìn)行補償，而采用溫度補償元件是一種最常見的補償方法。見P63圖312三、集成霍爾元件集成霍爾元件可分為線性型和開關(guān)型兩大類，前者是將霍爾元件和恒流源、線性放大器等做在一個芯片上；后者是將霍爾元件、穩(wěn)壓電路、放大器、施密特觸發(fā)器、OC門等電路做在同一個芯片上。1. 線性型集成霍爾元件（線性型霍爾集成傳感器）線性型霍爾集成傳感器是將霍爾元件、恒流源和線性放大器等集成在一塊芯片上，輸出電壓為伏級，比直接使用霍爾元件要方便得多，比較典型的線性霍爾器件有UGN3501等。圖9-21所示為UGN3501T的外形及內(nèi)部電路框圖，其輸出特性曲線圖如圖9-22所示。UGN3501M為具有雙端差動

15、輸出的線性霍爾器件，其外形及內(nèi)部電路如圖9-23所示。其輸出特性曲線如圖9-24所示。當(dāng)感受的磁場為零時，輸出電壓為零；當(dāng)感受的磁場為正時（磁鋼的S極對準(zhǔn)3501M的正面），輸出為正；當(dāng)磁場反向時，輸出為負(fù)。因此，它使用起來更加方便。它的第5、6、7腳外接一只微調(diào)電位器后，就可以微調(diào)并消除不等位電動勢引起的差動輸出零點漂移。2. 開關(guān)型集成霍爾元件（開關(guān)型霍爾集成傳感器） 開關(guān)型霍爾集成傳感器由霍爾元件、穩(wěn)壓器、差分放大器、施密特觸發(fā)器、OC門（集電極開路輸出門）等電路做在同一芯片上組成。當(dāng)外加磁場強度達(dá)到或超過規(guī)定的工作點時，OC門由高阻態(tài)變?yōu)閷?dǎo)通狀態(tài)，輸出為低電平；當(dāng)外加磁場低于釋放點時，

16、OC門重新變?yōu)楦呓M態(tài)，輸出變?yōu)楦唠娖剑ㄓ猩侠娮钑r）。 開關(guān)型霍爾集成傳感器有單穩(wěn)態(tài)和雙穩(wěn)態(tài)兩種。UGN(S)3019T及UGN(S)3020T均為單穩(wěn)開關(guān)型霍爾器件。雙穩(wěn)開關(guān)型霍爾器件內(nèi)部包含雙穩(wěn)態(tài)電路，其特點是必須施加相反極性的磁場，電路的輸出才能翻轉(zhuǎn)回到高電平，即具有“鎖鍵”功能，這類器件又稱為鎖鍵型霍爾集成電路，如UGN3075等。圖9-25示出的為UGN3020的外形及電路框圖，圖9-26為其輸出特性曲線。9.3 霍爾傳感器的應(yīng)用霍耳元件具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小、動態(tài)特性好和壽命長的優(yōu)點，它不僅用于磁感應(yīng)強度、有功功率及電能參數(shù)的測量，也在位移測量中得到廣泛應(yīng)用。一 霍耳式微位移傳感器（

17、位移檢測）圖4.68給出了一些霍耳式位移傳感器的工作原理圖。圖4.68(a)是磁場強度相同的兩塊永久磁鐵，同極性相對地放置，霍耳元件處在兩塊磁鐵的中間。由于磁鐵中間的磁感應(yīng)強度B=0，因此霍耳元件輸出的霍耳電勢UH也等于零，此時位移x=0。若霍耳元件在兩磁鐵中產(chǎn)生相對位移，霍耳元件感受到的磁感應(yīng)強度也隨之改變，這時UH不為零，其量值大小反映出霍耳元件與磁鐵之間相對位置的變化量。這種結(jié)構(gòu)的傳感器，其動態(tài)范圍可達(dá)5mm，分辨率為0.001mm。圖4.68(c)將霍爾元件置于磁場中，左半部磁場方向向上，右半部磁場方向向下，從a端通人電流I，根據(jù)霍爾效應(yīng)，左半部產(chǎn)生霍爾電勢VH1，右半部產(chǎn)生露爾電勢V

18、H2，其方向相反。因此c、d兩端電勢為VH1VH2。如果霍爾元件在初始位置時VH1=VH2，則輸出為零；當(dāng)改變磁極系統(tǒng)與霍爾元件的相對位置時，即可得到輸出電壓，其大小正比于位移量。 二. 霍耳式轉(zhuǎn)速傳感器（轉(zhuǎn)速測量）圖4.69所示的是幾種不同結(jié)構(gòu)的霍耳式轉(zhuǎn)速傳感器。轉(zhuǎn)盤的輸入軸與被測轉(zhuǎn)軸相連，當(dāng)被測轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動時，轉(zhuǎn)盤隨之轉(zhuǎn)動，固定在轉(zhuǎn)盤附近的霍耳傳感器便可在每一個小磁鐵通過時產(chǎn)生一個相應(yīng)的脈沖，檢測出單位時間的脈沖數(shù)，便可知被測轉(zhuǎn)速。根據(jù)磁性轉(zhuǎn)盤上小磁鐵數(shù)目多少就可確定傳感器測量轉(zhuǎn)速的分辨率。三. 霍耳計數(shù)裝置霍耳集成元件是將霍耳元件和放大器等集成在一塊芯片上。它由霍耳元件、放大器、電壓調(diào)整電路、電流放大輸出電路、失調(diào)調(diào)整及線性度調(diào)整電路等幾部分組成，有三端T形單端輸出和八腳雙列直插型雙端輸出兩種結(jié)構(gòu)。它的特點是輸出電壓在一定范圍內(nèi)與磁感應(yīng)強度成線性關(guān)系?；舳_關(guān)傳感器SL3501是具有較高靈敏度的集成霍耳元件，能感受到很小的磁場變化，因而可對黑色金屬零件進(jìn)行計數(shù)檢測。圖4.70所示的是對鋼球進(jìn)行計數(shù)的工作示意圖和電路圖。當(dāng)鋼球通過霍耳開關(guān)傳感器時，傳感器可輸出峰值20mV的脈沖電壓，該電壓經(jīng)運算放大器(A741)放大后，驅(qū)動半導(dǎo)體三極管VT(2N5812