霍爾傳感器分析PPT課件

1、2021-11-201概述： 霍爾元件是一種基于霍爾效應(yīng)的磁電傳感器，得到廣泛的應(yīng)用?？梢詸z測磁場及其變化，可在各種與磁場有關(guān)的場合中使用。霍爾器件以霍爾效應(yīng)為其工作基礎(chǔ)。特點(diǎn)： 霍爾器件具有許多優(yōu)點(diǎn)，它們的結(jié)構(gòu)牢固，體積小，重量輕，壽命長，安裝方便，功耗小，頻率高，耐震動(dòng)，不怕灰塵、油污、水汽及鹽霧等的污染或腐蝕。 一、霍爾元件的基本工作原理第1頁/共41頁2021-11-202霍爾效應(yīng)原理圖霍爾效應(yīng)第2頁/共41頁2021-11-203霍爾元件 金屬或半導(dǎo)體薄片置于磁場中，當(dāng)有電流流過時(shí)，在垂直于電流和磁場的方向上將產(chǎn)生電動(dòng)勢，這種物理現(xiàn)象稱為霍爾效應(yīng)。第3頁/共41頁2021-11-20

2、4 設(shè)圖中的材料是型半導(dǎo)體，導(dǎo)電的載流子是電子。在軸方向的磁場作用下，電子將受到一個(gè)沿軸負(fù)方向力的作用，這個(gè)力就是洛侖茲力。它的大小為：zxyIADBCBlLdUHA、B-霍爾電極 C、D-控制電極FHBqFH0第4頁/共41頁2021-11-205 電荷的聚積必將產(chǎn)生靜電場，即為霍爾電場，該靜電場對電子的作用力為FE與洛侖茲力方向相反，將阻止電子繼續(xù)偏轉(zhuǎn)，其大小為vBqFH0q0電子電量(1.6210 C)； v載流子運(yùn)動(dòng)速度。 根據(jù)左手螺旋定則，電子運(yùn)動(dòng)方向向y的反方向偏移，則在上端產(chǎn)生電子積聚，另外一端失去電子產(chǎn)生正電荷積聚。從而形成電場。 電場作用于電子的電場力為bUqEqFHHE/0

3、0電場力與洛侖茲力方向相反，阻止電子繼續(xù)偏轉(zhuǎn)，當(dāng)達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡時(shí)vBbUbUqvBqHH/00-19第5頁/共41頁2021-11-206dvbnqdjbjsIC0dnqBIvbBUdnqIvbCHC00/dpqBIUCH0/霍耳電勢UH與 IC、B的乘積成正比，而與d成反比?？筛膶懗桑?dBIRUCHHHR電流密度j=nq0vnN型半導(dǎo)體中的電子濃度P型半導(dǎo)體 霍耳系數(shù)，由材料物理性質(zhì)決定。pP型半導(dǎo)體中的空穴濃度型）（型）（PqpRNqnRHH11材料電阻率載流子遷移率霍耳片全部采用半導(dǎo)體材料制成。而電子的遷移率比空穴大，所以以N型半導(dǎo)體居多。HR第6頁/共41頁2021-11-207設(shè) K

4、H=RH / d KH霍爾元件靈敏度。它與材料的物理性質(zhì)和幾何尺寸有關(guān)，它決定霍爾電勢的強(qiáng)弱。 若磁感應(yīng)強(qiáng)度B的方向與霍爾元件的平面法線夾角為時(shí)，霍耳電勢應(yīng)為： UH KH IC B UH KH IC B cos 注意：當(dāng)控制電流的方向或磁場方向改變時(shí)，輸出霍耳電勢的方向也改變。但當(dāng)磁場與電流同時(shí)改變方向時(shí)，霍耳電勢并不改變方向。第7頁/共41頁2021-11-208通過以上分析可知：1）霍爾電壓UH與材料的性質(zhì)有關(guān) n 愈大，KH 愈小，霍爾靈敏度愈低； n 愈小，KH 愈大，但n太小，需施加極高的電壓才能產(chǎn)生很小的電流。因此霍爾元件一般采用N型半導(dǎo)體材料2）霍爾電壓UH與元件的尺寸有關(guān)。

5、d 愈小，KH 愈大，霍爾靈敏度愈高，所以霍爾元件的厚度都比較薄，但d太小，會(huì)使元件的輸入、輸出電阻增加。 霍爾電壓UH與控制電流及磁場強(qiáng)度成正比，當(dāng)磁場改變方向時(shí)，也改變方向。3）P型半導(dǎo)體，其多數(shù)載流子是空穴，也存在霍爾效應(yīng)，但極性和N型半導(dǎo)體的相反。4）霍爾電壓UH與磁場B和電流I成正比，只要測出UH ，那么B或I的未知量均可利用霍爾元件進(jìn)行測量。 UH KH IC BKH=RH / ddnqBIUCH0/0/1 nqRH第8頁/共41頁2021-11-2091、霍爾元件的基本結(jié)構(gòu)組成由霍爾片、四根引線和殼體組成，如下圖示。二、霍爾元件的結(jié)構(gòu)、符號圖312 霍爾元件(a)霍爾效應(yīng)原理；(

6、b)霍爾元件結(jié)構(gòu)示意圖；(c)外形第9頁/共41頁2021-11-2010 國產(chǎn)霍爾元件型號的命名方法第10頁/共41頁2021-11-20112. 霍爾片的基本電路霍爾元件的符號 第11頁/共41頁2021-11-2012三、霍爾元件的特征參數(shù)1、輸入電阻Ri和輸出電阻R0 Ri是指流過控制電流的電極（簡稱控制電極）間的電阻值，R0是指霍爾元件的霍爾電勢輸出電極（簡稱霍爾電極）間的電阻，單位為?？梢栽跓o磁場即B0和室溫（20 5）時(shí)，用歐姆表等測量。第12頁/共41頁2021-11-20132、額定控制電流IC和最大控制電流ICmv霍爾元件在空氣中產(chǎn)生10的溫升時(shí)所施加的控制電流稱為額定控制

7、電流IC。在相同的磁感應(yīng)強(qiáng)度下，IC值較大則可獲得較大的霍爾輸出。v霍爾元件限制IC的主要因素是散熱條件。v一般鍺元件的最大允許溫升Tm80，硅元件的Tm175。當(dāng)霍爾元件的溫升達(dá)到Tm時(shí)的IC就是最大控制電流ICm 。3、最大磁感應(yīng)強(qiáng)度 磁感應(yīng)強(qiáng)度超過 時(shí)，霍爾電勢的非線性誤差將明顯增大，數(shù)值一般小于零點(diǎn)幾特斯拉。 MBMB4、靈敏度KH 其定義IBUKHH5、磁靈敏系數(shù) 霍爾器件輸出端開路電壓與磁感應(yīng)強(qiáng)度之比，單位V/T。0BK第13頁/共41頁2021-11-2014 在額定控制電流 Ic 之下，不加磁B0時(shí)，霍爾電極間的空載霍爾電勢UH0，稱為不平衡(不等位)電勢，單位為mV。一般要求

8、霍爾元件的UH1mV，好的霍爾元件的UH可以小于0.1mV。 不等位電勢和額定控制電流Ic之比為不等位電阻RM，即 6、不等位電勢UM和不等位電阻RMCMMIUR 不平衡電勢UH是主要的零位誤差。因?yàn)樵诠に嚿想y以保證霍爾元件兩側(cè)的電極焊接在同一等電位面上。如下圖(a)所示。當(dāng)控制電流I流過時(shí)，即使末加外磁場，A、B兩電極此時(shí)仍存在電位差，此電位差被稱為不等位電勢（不平衡電勢）UH。第14頁/共41頁2021-11-2015 在一定的磁感應(yīng)強(qiáng)度和控制電流下，溫度變化1時(shí)，霍爾電勢變化的百分率稱為霍爾電勢溫度系數(shù) ，單位為1。7、霍爾電勢溫度系數(shù)0H0H第15頁/共41頁2021-11-2016

9、四、霍爾元件的連接方式和輸出電路1、連接方式 為了獲得較大的霍爾輸出電勢，可以采用幾片疊加的連接方式。下圖(a)為直流供電，控制電流端并聯(lián)輸出串聯(lián)。下圖(b)為交流供電，控制電流端串聯(lián)變壓器疊加輸出。第16頁/共41頁2021-11-20172、輸出電路 霍爾傳感器有分立型和集成型兩類。分立型又有單晶和薄膜兩種；集成型有線性霍爾電路和開關(guān)霍爾電路。本節(jié)主要介紹集成型霍爾傳感器的測量電路?；魻柶骷且环N四端器件，本身不帶放大器?；魻栯妱菀话闶呛练考?，實(shí)際使用中必須加差分放大器。 （1）線性霍爾集成傳感器 線性霍爾集成傳感器是將霍爾傳感器、放大器、電壓調(diào)整、電流放大輸出級、失調(diào)調(diào)整和線性度調(diào)整等

10、部分集成在一塊芯片上，其特點(diǎn)是輸出電壓隨外磁場感應(yīng)強(qiáng)度 呈線性變化?；魻柤蓚鞲衅鞣謫味溯敵龊碗p端輸出。B第17頁/共41頁2021-11-2018線性霍爾集成傳感器電路結(jié)構(gòu)圖第18頁/共41頁2021-11-2019（2）霍爾開關(guān)集成傳感器1）工作原理霍爾開關(guān)集成傳感器原理框圖第19頁/共41頁2021-11-2020 霍爾元件：在0.1T磁場作用下，霍爾元件開路時(shí)可輸出20mV左右的 霍爾電壓，當(dāng)有負(fù)載時(shí)輸出10mV左右的霍爾電壓。 差分放大器：放大器將霍爾電壓放大，以便驅(qū)動(dòng)后一級整形電路整形電路：一般采用施密特觸發(fā)器，它把經(jīng)差分放大的電壓整形為矩形脈沖，實(shí)現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換。輸出管：由一個(gè)或兩

11、個(gè)三極管組成，采用單管或雙管集電極開路輸出，集電極輸出的優(yōu)點(diǎn)是可以跟很多類型的電路直接連接，使用方便。 電源電路：包括穩(wěn)壓電路和恒流電路，設(shè)置穩(wěn)壓和恒流電路的目的，一方面是為了改善霍爾傳感器的溫度性能，另一方面可以大大提高集成霍爾傳感器工作電源電壓的適用范圍。第20頁/共41頁2021-11-2021 2）霍爾開關(guān)集成傳感器的特性 磁特性 霍爾開關(guān)集成傳感器的磁特性是指由高電平翻轉(zhuǎn)為低電平的導(dǎo)通磁感應(yīng)強(qiáng)度B（HL）、由低電平翻轉(zhuǎn)為高電平的截止磁感應(yīng)強(qiáng)度B（LH）和磁感應(yīng)強(qiáng)度的滯環(huán)寬度 . 滯環(huán)寬度對霍爾開關(guān)集成傳感器是必需的，因?yàn)樵趯?dǎo)通磁感應(yīng)強(qiáng)度B（HL）附近，如果沒有滯環(huán)效應(yīng)或滯環(huán)效應(yīng)很小，

12、那么由于磁噪聲或磁鋼振動(dòng)等原因，會(huì)使電路的輸出反復(fù)開啟和關(guān)閉，形成類似于自激振蕩現(xiàn)象。為防止這種現(xiàn)象的產(chǎn)生，必須具有一定寬度的滯環(huán)。但如果這種滯環(huán)寬度過大，對開關(guān)動(dòng)作也是不利的，因?yàn)橐蟠艌鲎兓群艽螅锌赡懿话l(fā)生動(dòng)作而出現(xiàn)漏計(jì)現(xiàn)象。 第21頁/共41頁2021-11-2022 我國CSCS型開關(guān)集成霍爾傳感器的滯環(huán)寬度典型值為6 61010-3-3T T 右圖給出了霍爾開關(guān)集成傳感器磁電轉(zhuǎn)換特 性曲線，橫坐標(biāo)表示作用于霍爾元件上的正向磁感應(yīng)強(qiáng)度。 霍爾開關(guān)集成傳 感器輸出特性 第22頁/共41頁2021-11-2023溫度特性 霍爾開關(guān)集成傳感器參數(shù)也隨溫度的變化而變化，在此主要討論它的導(dǎo)

13、通磁感應(yīng)強(qiáng)度B（HL）、截止磁感應(yīng)強(qiáng)度B（LH）和滯環(huán)寬度的溫度特性由圖（a）可以看出，導(dǎo)通磁感應(yīng)強(qiáng)度的溫度系數(shù)約為（1.52）10-4T/，是正溫度系數(shù)。從B（HL）與B（LH）特性曲線的差值中算出滯環(huán)寬度的溫度系數(shù)約為 0.2%0.3%，是負(fù)溫度系數(shù)。 圖（b）給出了CS型霍爾開關(guān)集成傳感器兩個(gè)磁特性參數(shù)隨電源電壓E的變化曲線。從圖中可以看出，B（HL）和B（LH）參數(shù)在電源電壓E6V時(shí)，隨電源電壓減少而增加，但滯環(huán)寬度隨電源電壓減小而減?。辉陔娫措妷篍8V時(shí)，這三個(gè)參數(shù)基本變化不大。第23頁/共41頁2021-11-2024五、霍爾傳感器應(yīng)用 由于霍爾傳感器具有在靜態(tài)狀態(tài)下感受磁場的獨(dú)特

14、能力，而且它具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小、重量輕、頻帶寬（從直流到微波）、動(dòng)態(tài)特性好和壽命長、無觸點(diǎn)等許多優(yōu)點(diǎn)，因此在測量技術(shù)，自動(dòng)化技術(shù)和信息處理等方面有著廣泛應(yīng)用。 歸納起來，霍爾傳感器有三個(gè)方面的用途：（1）當(dāng)控制電流不變時(shí)，使傳感器處于非均勻磁場中，則傳感器的霍爾電勢正比于磁感應(yīng)強(qiáng)度，利用這一關(guān)系可反映位置、角度或勵(lì)磁電流的變化。 （2）當(dāng)控制電流與磁感應(yīng)強(qiáng)度皆為變量時(shí)，傳感器的輸出與這兩者乘積成正比。在這方面的應(yīng)用有乘法器、功率計(jì)以及除法、倒數(shù)、開方等運(yùn)算器，此外，也可用于混頻、調(diào)制、解調(diào)等環(huán)節(jié)中，但由于霍爾元件變換頻率低，溫度影響較顯著等缺點(diǎn)，在這方面的應(yīng)用受到一定的限制，這有待于元件的材

15、料、工藝等方面的改進(jìn)或電路上的補(bǔ)償措施。（3）若保持磁感應(yīng)強(qiáng)度恒定不變，則利用霍爾電壓與控制電流成正比的關(guān)系，可以組成回轉(zhuǎn)器、隔離器和環(huán)行器等控制裝置。 第24頁/共41頁2021-11-2025第25頁/共41頁2021-11-20261. 角位移測量儀角位移測量儀結(jié)構(gòu)示意圖1-極靴；2-霍爾器件；3-勵(lì)磁線圈 第26頁/共41頁2021-11-2027 2. 霍爾式轉(zhuǎn)速傳感器 下圖是幾種不同結(jié)構(gòu)的霍爾式轉(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(dòng)時(shí)，轉(zhuǎn)盤隨之轉(zhuǎn)動(dòng)，固定在轉(zhuǎn)盤附近的霍爾傳感器便可在每一個(gè)小磁鐵通過時(shí)產(chǎn)生一個(gè)相應(yīng)的脈沖，檢測出單位時(shí)間的脈沖數(shù)，便可知被測轉(zhuǎn)速。根據(jù)磁性

16、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。 第27頁/共41頁2021-11-2028 幾種霍爾式轉(zhuǎn)速傳感器的結(jié)構(gòu)1243(a)1243(b)12431234(c)(d)NSNSNSNSNSNSNS1輸入軸；2轉(zhuǎn)盤；3小磁鐵；4霍爾傳感器第28頁/共41頁2021-11-2029第29頁/共41頁2021-11-20303. 霍爾式微壓力傳感器圖320 霍爾式微壓力傳感器原理示意圖第30頁/共41頁2021-11-2031第31頁/共41頁2021-11-20324. 鋼絲繩斷絲檢測裝置圖321 霍爾效應(yīng)鋼絲繩斷絲檢測裝置第32頁/共41頁2021-11-20336、非接觸式鍵盤開關(guān)

17、用霍爾開關(guān)集成傳感器構(gòu)成的按鈕 第33頁/共41頁2021-11-20347、 自動(dòng)供水裝置 自動(dòng)供水裝置第34頁/共41頁2021-11-2035自動(dòng)供水裝置的控制電路固態(tài)繼電器第35頁/共41頁2021-11-2036 平時(shí)，SL3020受磁鐵的作用，其輸出端輸出低電平，使VT1處于截止?fàn)顟B(tài)，由IC2組成的單穩(wěn)態(tài)電路處于復(fù)位狀態(tài)，IC2的腳輸出低電平，固態(tài)繼電器SP1110由于無控制電流而處于截止?fàn)顟B(tài)，電磁閥Y因無電而關(guān)閉，水龍頭無水流出。單穩(wěn)態(tài)在復(fù)位狀態(tài)時(shí)，IC2內(nèi)部電路將C2短路。 當(dāng)取水者投入鐵制的取水牌時(shí)，取水牌沿滑槽下滑，在通過霍爾傳感裝置時(shí)，鐵制取水牌將磁鐵的磁力線短路，此時(shí)S

18、L3020輸出高電平脈沖。該脈沖經(jīng)VT1反相后觸發(fā)由IC2組成的單穩(wěn)態(tài)電路翻轉(zhuǎn)進(jìn)入暫穩(wěn)狀態(tài)，此時(shí)IC2的腳輸出高電平，使固態(tài)繼電器SP1110導(dǎo)通，電磁閥Y得電工作，打開閥門放水。單穩(wěn)態(tài)電路翻轉(zhuǎn)后，IC2內(nèi)部電路將C2原短路狀態(tài)釋放，電源通過RP1及R4向C2充電。當(dāng)C2上的電壓充電到IC2的閾值電壓時(shí)，單穩(wěn)態(tài)電路復(fù)位，IC2的腳又回到低電平，固態(tài)繼電器SP1110截止，電磁閥Y斷電關(guān)閉，水龍頭自動(dòng)停止出水，電路又恢復(fù)到平時(shí)狀態(tài)。 第36頁/共41頁2021-11-2037第37頁/共41頁2021-11-2038第38頁/共41頁2021-11-2039第39頁/共41頁2021-11-2040本 章節(jié)小 結(jié) 位于磁場中的靜止載流導(dǎo)體，當(dāng)電流I的方向與磁場強(qiáng)度H的方向垂直時(shí)，則在載流導(dǎo)體中平行與H、I的兩側(cè)面之間將產(chǎn)生電動(dòng)勢，這個(gè)電動(dòng)勢稱為霍爾