第7章磁傳感器11級

1、第第7 7章章 磁傳感器磁傳感器（一）霍爾效應(yīng)（一）霍爾效應(yīng)金屬或半導(dǎo)體薄片置于磁感應(yīng)強(qiáng)度為金屬或半導(dǎo)體薄片置于磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的磁場（的磁場（磁場方向垂磁場方向垂直于薄片直于薄片）中，當(dāng)有電流）中，當(dāng)有電流I流過時，在垂直于電流和磁場的流過時，在垂直于電流和磁場的方向上將產(chǎn)生方向上將產(chǎn)生電動勢電動勢UH。這種物理現(xiàn)象稱為。這種物理現(xiàn)象稱為霍爾效應(yīng)霍爾效應(yīng)。當(dāng)通以電流當(dāng)通以電流 I 時，半導(dǎo)體中的時，半導(dǎo)體中的電子受到磁場中洛侖茲力洛電子受到磁場中洛侖茲力洛侖茲力侖茲力FL的作用，其大小為的作用，其大小為在在 FL 的作用下，電子發(fā)生偏移，的作用下，電子發(fā)生偏移，在半導(dǎo)體的后端積聚負(fù)電荷，在半導(dǎo)

2、體的后端積聚負(fù)電荷，前端則為正電荷，形成電場前端則為正電荷，形成電場。一、霍爾傳感器的工作原理及特性一、霍爾傳感器的工作原理及特性靜電場對電子的作用力為靜電場對電子的作用力為FE與洛侖茲力方向相反，將阻與洛侖茲力方向相反，將阻止電子繼續(xù)偏轉(zhuǎn)，其大小為止電子繼續(xù)偏轉(zhuǎn)，其大小為當(dāng)當(dāng)FL FE0時，電子的積累達(dá)到動平衡，即時，電子的積累達(dá)到動平衡，即所以所以設(shè)流過霍爾元件的電流為設(shè)流過霍爾元件的電流為 I 時，時，式中式中bd為與電流方向垂直的截面積，為與電流方向垂直的截面積，n 為單位體積內(nèi)自由電為單位體積內(nèi)自由電子數(shù)子數(shù)(載流子濃度載流子濃度)。RH則被定義為霍爾傳感器的則被定義為霍爾傳感器的霍

3、爾系數(shù)霍爾系數(shù)；kH為霍爾元件的為霍爾元件的靈敏度靈敏度。由上述討論可知，霍爾元件的由上述討論可知，霍爾元件的靈敏度靈敏度不僅與元件材料的不僅與元件材料的霍爾系霍爾系數(shù)數(shù)有關(guān)，還與霍爾元件的有關(guān)，還與霍爾元件的幾何尺寸幾何尺寸有關(guān)。有關(guān)。一般要求霍爾元件靈敏度越大越好，霍爾元件靈敏度的公式可一般要求霍爾元件靈敏度越大越好，霍爾元件靈敏度的公式可知，霍爾元件的知，霍爾元件的厚度厚度d與與kH成反比成反比。式中式中所以所以因為因為如果磁場和薄片法線有如果磁場和薄片法線有角，那么角，那么霍爾元件霍爾元件 基于霍爾效應(yīng)工作的半導(dǎo)體器件稱為基于霍爾效應(yīng)工作的半導(dǎo)體器件稱為霍爾元件霍爾元件 在薄片的在薄片

4、的長度方向長度方向兩端面上焊有兩根引線（圖中兩端面上焊有兩根引線（圖中a，b線），稱線），稱為控制電流端引線，通常用為控制電流端引線，通常用紅色紅色導(dǎo)線；導(dǎo)線； 在薄片的另兩側(cè)端面的在薄片的另兩側(cè)端面的中間中間以點的形式以點的形式對稱地對稱地焊有兩根霍爾輸焊有兩根霍爾輸出端引線（圖中出端引線（圖中c，d線），通常用線），通常用綠色綠色導(dǎo)線。導(dǎo)線。（二）霍爾元件的電磁特性（二）霍爾元件的電磁特性 UH I 特性特性在磁場和環(huán)境溫度一定時，霍爾輸出電勢在磁場和環(huán)境溫度一定時，霍爾輸出電勢UH與控制電流與控制電流 I 之之間呈間呈線性關(guān)系線性關(guān)系，如圖所示，直線的斜率稱為控制電流靈敏度，如圖所示，直

5、線的斜率稱為控制電流靈敏度，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，霍爾元件的靈敏度系數(shù)因此，霍爾元件的靈敏度系數(shù)kH越大，其越大，其k1也越大。也越大。 UH -B 特性特性當(dāng)控制電流一定時，霍爾元件的開路輸出隨磁當(dāng)控制電流一定時，霍爾元件的開路輸出隨磁感應(yīng)強(qiáng)度的增加感應(yīng)強(qiáng)度的增加并不是完全成線性關(guān)系并不是完全成線性關(guān)系，只有，只有當(dāng)當(dāng)B小于小于 0.5T 時，時， UH B 的線性度才比較好的線性度才比較好。 R -B 特性特性R -B特性是指霍爾元件的輸入（或特性是指霍爾元件的輸入（或輸出）電阻與磁場之間的關(guān)系，霍輸出）電阻與

6、磁場之間的關(guān)系，霍爾元件的爾元件的內(nèi)阻內(nèi)阻隨磁場的絕對值隨磁場的絕對值增加增加而增大而增大，這種現(xiàn)象稱，這種現(xiàn)象稱磁阻效應(yīng)磁阻效應(yīng)。 對某種速度運動的電子，若霍爾對某種速度運動的電子，若霍爾電場作用力電場作用力恰好抵消恰好抵消洛倫茲力，洛倫茲力，電子沿直線運動電子沿直線運動；小于此速度小于此速度的的電子將電子將沿霍爾電場作用方向沿霍爾電場作用方向偏轉(zhuǎn)；偏轉(zhuǎn)；而而大于此速度大于此速度的電子將的電子將沿洛倫茲沿洛倫茲力方向力方向偏轉(zhuǎn)。偏轉(zhuǎn)。這種偏轉(zhuǎn)將沿控制電流電場方向這種偏轉(zhuǎn)將沿控制電流電場方向的的電流密度減小電流密度減小，也就是由于磁，也就是由于磁場的存在場的存在增加了元件的內(nèi)阻增加了元件的內(nèi)阻

7、。這。這就是磁阻效應(yīng)的物理本質(zhì)。就是磁阻效應(yīng)的物理本質(zhì)。 (二二)霍爾元件的誤差和補(bǔ)償霍爾元件的誤差和補(bǔ)償 1.不等電勢不等電勢U0及補(bǔ)償及補(bǔ)償 零位誤差零位誤差是霍爾元件在不加磁場或不加控制電流時是霍爾元件在不加磁場或不加控制電流時產(chǎn)生的霍爾電壓，而產(chǎn)生的霍爾電壓，而不等位電勢不等位電勢U0是主要的零位誤是主要的零位誤差。不等位電勢是由于元件輸出極差。不等位電勢是由于元件輸出極焊接不對稱焊接不對稱、厚厚薄不均勻薄不均勻以及以及兩個輸出電極接觸不良兩個輸出電極接觸不良等原因造成的。等原因造成的。如下圖如下圖(a)所示。所示。 除工藝上盡量使除工藝上盡量使霍爾電極對稱霍爾電極對稱來降低來降低U0

8、，還需采用，還需采用補(bǔ)償補(bǔ)償電路電路加以補(bǔ)償。下圖給出幾種常用的補(bǔ)償方法。通常在加以補(bǔ)償。下圖給出幾種常用的補(bǔ)償方法。通常在某一橋臂上并上一定電阻而將某一橋臂上并上一定電阻而將U0降到最小，甚至為零。降到最小，甚至為零。2、寄生直流電勢、寄生直流電勢 當(dāng)霍爾元件通以當(dāng)霍爾元件通以交流控制電流交流控制電流而不加外磁場時，霍爾輸出而不加外磁場時，霍爾輸出除了交流不等位電勢外，還有除了交流不等位電勢外，還有一直流電勢分量一直流電勢分量，稱寄生直，稱寄生直流電勢。流電勢。3、感應(yīng)零電勢、感應(yīng)零電勢 霍爾元件在交流或脈動磁場中工作時，即使霍爾元件在交流或脈動磁場中工作時，即使不加控制電流不加控制電流，霍

9、爾端也會有霍爾端也會有輸出輸出，這個輸出就是感應(yīng)零電勢。它是由于，這個輸出就是感應(yīng)零電勢。它是由于霍爾電極的引線布置不合理霍爾電極的引線布置不合理而造成的。而造成的。4、自激場零電勢、自激場零電勢 當(dāng)霍爾元件通以控制電流時，此當(dāng)霍爾元件通以控制電流時，此電流也會產(chǎn)生磁場電流也會產(chǎn)生磁場，該磁，該磁場稱為自激場。場稱為自激場。(二二)霍爾元件的溫度誤差及其補(bǔ)償霍爾元件的溫度誤差及其補(bǔ)償 由于由于載流子濃度載流子濃度等隨溫度變化而變化，因此會導(dǎo)致霍爾元件的等隨溫度變化而變化，因此會導(dǎo)致霍爾元件的內(nèi)內(nèi)阻、霍爾電勢阻、霍爾電勢等也隨溫度變化而變化。等也隨溫度變化而變化。 而且溫度高到一定程度，產(chǎn)生的變

10、化相當(dāng)大。而且溫度高到一定程度，產(chǎn)生的變化相當(dāng)大。 溫度誤差是霍爾元件測量中不可忽視的誤差。針對溫度變化導(dǎo)致內(nèi)溫度誤差是霍爾元件測量中不可忽視的誤差。針對溫度變化導(dǎo)致內(nèi)阻阻(輸入、輸出電阻輸入、輸出電阻)的變化，可以采用適當(dāng)?shù)难a(bǔ)償電路。的變化，可以采用適當(dāng)?shù)难a(bǔ)償電路。 (1)采用恒流源供電，輸入回路并聯(lián)電阻進(jìn)行補(bǔ)償采用恒流源供電，輸入回路并聯(lián)電阻進(jìn)行補(bǔ)償為了減小誤差，最好采用恒流源提供控制電流，為了減小誤差，最好采用恒流源提供控制電流，但仍有溫度誤差。但仍有溫度誤差。設(shè)溫度設(shè)溫度t0時，元件靈敏度系數(shù)為時，元件靈敏度系數(shù)為 ，輸入電阻，輸入電阻為為 ，而溫度上升到，而溫度上升到t 時時t0 時

11、時t 時時因此因此為了使霍爾電勢不隨溫度而變化，必須保證為了使霍爾電勢不隨溫度而變化，必須保證 t0 和和 t 時的霍時的霍爾電勢相等，即爾電勢相等，即 。則可得。則可得所以所以選擇輸入回路并聯(lián)電阻選擇輸入回路并聯(lián)電阻RP，可使，可使溫度誤差減到極小。溫度誤差減到極小。(2)利用輸出回路的負(fù)載進(jìn)行補(bǔ)償利用輸出回路的負(fù)載進(jìn)行補(bǔ)償 右圖是輸出補(bǔ)償?shù)幕揪€路。輸出電阻及霍爾電壓右圖是輸出補(bǔ)償?shù)幕揪€路。輸出電阻及霍爾電壓與溫度之間的關(guān)系為與溫度之間的關(guān)系為 負(fù)載負(fù)載RL 上的電壓上的電壓UL 為為補(bǔ)償電阻補(bǔ)償電阻RL 上的電壓隨溫度變化最小的極值條件為上的電壓隨溫度變化最小的極值條件為 ，故故 霍爾位移傳感器霍爾位移傳感器 霍爾位移傳感器可制作成如圖霍爾位移傳感器可制作成如圖(a)所示結(jié)構(gòu)。在極性相反、磁場所示結(jié)構(gòu)。在極性相反、磁場強(qiáng)度相同的兩個磁鋼的氣隙間放置一個霍爾元件。當(dāng)控制電流強(qiáng)度相同的兩個磁鋼的氣隙間放置一個霍爾元件。當(dāng)控制電流I恒定不變時，霍爾電勢恒定不變時，霍爾電勢UH與外磁感應(yīng)強(qiáng)度成正比；若磁場在一與外磁感應(yīng)強(qiáng)度成正比；若磁場在一定范圍內(nèi)沿定范圍內(nèi)沿x方向的變化梯度方向的變化梯度dB/dx，如圖如圖(b)所示為一常數(shù)時，所示為一常數(shù)時，則當(dāng)霍爾元件沿則當(dāng)霍爾元件沿x方向移動時，霍爾電勢變化也應(yīng)是一個常數(shù)方向移動時，霍爾電勢變化也應(yīng)是一個常數(shù)K（位移傳感器的輸