第7章 霍爾傳感器

1、 2022-3-262一、教學(xué)目標(biāo)一、教學(xué)目標(biāo) 知識目標(biāo)知識目標(biāo)（1 1）了解霍爾元件的結(jié)構(gòu)和不同參數(shù)。了解霍爾元件的結(jié)構(gòu)和不同參數(shù)。 （2 2）掌握霍爾傳感器的工作原理及測量轉(zhuǎn)換電路。）掌握霍爾傳感器的工作原理及測量轉(zhuǎn)換電路。（3 3）熟悉霍爾傳感器在工程上的應(yīng)用。）熟悉霍爾傳感器在工程上的應(yīng)用。二、教學(xué)重點和難點二、教學(xué)重點和難點(1)(1)重點：霍爾傳感器的工作原理和應(yīng)用。重點：霍爾傳感器的工作原理和應(yīng)用。(2)(2)難點：難點：霍爾傳感器的測量電路?；魻杺鞲衅鞯臏y量電路。三、教學(xué)學(xué)時三、教學(xué)學(xué)時 4 4學(xué)時學(xué)時 霍爾元件是一種半導(dǎo)體四端薄皮，1、1端稱為激勵電流端，2、2端稱為霍爾電動

2、勢的輸出端，其中2、2端一般應(yīng)處于霍爾元件側(cè)面的中點 7.1.1 7.1.1 霍爾效應(yīng)霍爾效應(yīng)（a a）外形結(jié)構(gòu)）外形結(jié)構(gòu) （b b）圖形符號）圖形符號圖圖7-1 7-1 霍爾元件霍爾元件 當(dāng)把霍爾元件置于磁感應(yīng)強度為B的磁場中時，磁場方向垂直于霍爾元件，當(dāng)有電流I流過霍爾元件時，在垂直于電流和磁場的方向上將產(chǎn)生感應(yīng)電動勢EH，這種現(xiàn)象稱為霍爾效應(yīng)。 當(dāng)磁場垂直于元件時，電子受到洛侖茲力的作用，向內(nèi)側(cè)偏移，在霍爾元件c、d方向的端面之間建立起霍爾電勢。2022-3-262022-3-265 5c cd da ab b 流入霍爾元件激勵電流端的輸入電流I越大，作用在霍爾元件上的磁感應(yīng)強度B就越強

3、，霍爾電動勢EH也就越高?；魻栯妱軪H可用下式表示： EH=KH IB2022-3-262022-3-266 6I I 控制電流（控制電流（A A）B B 磁感應(yīng)強度（磁感應(yīng)強度（T T）K KH H 霍爾元件的靈敏霍爾元件的靈敏HHRkd （7-27-2）HR 為霍爾常數(shù)；為霍爾常數(shù)；d d為霍爾元件的厚度（為霍爾元件的厚度（m m）。）?；魻栐`敏度的表達式為霍爾元件靈敏度的表達式為1.額定激勵電流和最大允許激勵電流2022-3-262022-3-268 8 當(dāng)霍爾元件自身的溫度升高當(dāng)霍爾元件自身的溫度升高10 10 時，流時，流過自身的激勵電流稱為額定激勵電流，用符號過自身的激勵電流稱

4、為額定激勵電流，用符號I Ic c表示。表示。 由于霍爾電勢隨激勵電流增大而增大，故由于霍爾電勢隨激勵電流增大而增大，故在應(yīng)用中總希望選用較大的激勵電流。但激勵在應(yīng)用中總希望選用較大的激勵電流。但激勵電流增大，霍爾元件的功耗增大，元件的溫度電流增大，霍爾元件的功耗增大，元件的溫度升高，從而引起霍爾電勢的溫漂增大，因此每升高，從而引起霍爾電勢的溫漂增大，因此每種型號的元件均規(guī)定了相應(yīng)的最大激勵電流種型號的元件均規(guī)定了相應(yīng)的最大激勵電流I Im m ，它的數(shù)值從幾毫安至十幾毫安。，它的數(shù)值從幾毫安至十幾毫安。 2022-3-262022-3-269 92.2.輸入電阻和輸出電阻輸入電阻和輸出電阻

5、輸入電阻輸入電阻R Ri i是指霍爾元件兩個激勵電流是指霍爾元件兩個激勵電流端的電阻。輸出電阻端的電阻。輸出電阻R Ro o是兩個霍爾電動勢輸是兩個霍爾電動勢輸出端之間的電阻。出端之間的電阻。 輸入電阻和輸出電阻的阻值從幾十歐姆輸入電阻和輸出電阻的阻值從幾十歐姆到幾百歐姆到幾百歐姆 . .2022-3-262022-3-261010 3.3.不等位電勢和不等位電阻不等位電勢和不等位電阻 不等位電動勢是指當(dāng)霍爾元件在額定激勵電流下，當(dāng)不等位電動勢是指當(dāng)霍爾元件在額定激勵電流下，當(dāng)外加磁場為零時，霍爾元件輸出端之間的開路電壓，用外加磁場為零時，霍爾元件輸出端之間的開路電壓，用符號符號U UM M表

6、示。表示。 產(chǎn)生這一現(xiàn)象的原因有產(chǎn)生這一現(xiàn)象的原因有: : 霍爾電極安裝位置不對稱或不在同一等電位面上霍爾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。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表示不等位電勢也可用不等位電阻表示 4.寄生直流電動勢 當(dāng)沒有外加磁場，霍爾元件用交流控制電流時，霍爾電極的輸出有一個寄生直流電動勢，它主要是由控制電極和基片之間的非完全歐姆接觸所產(chǎn)生的整流效應(yīng)造成的。5.霍爾電動勢的溫度系

7、數(shù) 霍爾電動勢的溫度系數(shù)是指在一定磁感應(yīng)強度和控制電流下，溫度每變化1 ，霍爾電動勢的變化率。 7.2.1 霍爾傳感器的基本電路 通過霍爾傳感器的額定激勵電流為通過霍爾傳感器的額定激勵電流為cABH/()IERRR（a）無外接偏置電阻 （b）有外接偏置電阻（c）電源負極與霍爾元件 之間串聯(lián)電阻圖7-5 霍爾傳感器的偏置電路 霍爾傳感器的集成電路具有體積較小、靈敏度高、輸出幅度較大、溫漂小、對電源的穩(wěn)定性要求較低等優(yōu)點，它可分為線性型霍爾傳感器的集成電路和開關(guān)型霍爾傳感器的集成電路。線性型霍爾傳感器的集成電路的內(nèi)部電路是將霍爾元件、恒流源、線性差動放大器制作在同一個芯片上，輸出電壓的單位為V，比

8、直接使用霍爾元件要方便很多。比較典型的線性型霍爾傳感器有UGN3501。 圖圖7-6 UG35017-6 UG3501線性型霍爾傳感器的外形及其內(nèi)部集成電路線性型霍爾傳感器的外形及其內(nèi)部集成電路 右圖示出了具有雙端差動輸出特性的線性霍爾器件的輸出特性曲線。 當(dāng)磁場為零時，它的輸出電壓等于零；當(dāng)感受的磁場為正向（磁鋼的S極對準(zhǔn)霍爾器件的正面）時， 輸出為正；磁場反向時，輸出為負。 2022-3-262022-3-261616請畫出線性范圍請畫出線性范圍 開關(guān)型霍爾集成電路是將霍爾元件、穩(wěn)壓電路、放大器、施密特觸發(fā)器、OC門（集電極開路輸出門）等電路做在同一個芯片上。當(dāng)外加磁場強度超過規(guī)定的工作點

9、時，NPN型OC門由高阻態(tài)（或高電平）變?yōu)閷?dǎo)通狀態(tài)，輸出變?yōu)榈碗娖?；?dāng)外加磁場強度低于釋放點時，OC門重新變?yōu)楦咦钁B(tài)，輸出高電平。較典型的開關(guān)型霍爾器件如UGN3020等。2022-3-262022-3-261717圖7-10 施密特觸發(fā)電路的輸出特性曲線 回差越大，抗振動干擾能力就越強。2022-3-262022-3-2619191.不等位電動勢誤差的補償 不等位電動勢是霍爾元件誤差中最主要的一種。它產(chǎn)生的原因是（1）制造工藝不可能保證兩個霍爾電極絕對對稱地焊接在霍爾元件的兩側(cè)，致使霍爾元件的兩個電極點不能完全位于同一個等位面上。（2）由于半導(dǎo)體的電阻特性（等勢面傾斜）所造成。 可以把霍爾元

10、件視為一個四臂電阻電橋，不等位電勢就相當(dāng)于電橋的初始不平衡輸出電壓。 圖7-12 不等位電動勢的補償電路霍爾元件的溫度特性是指它的內(nèi)阻及輸出電壓（霍爾電動勢）與溫度之間的關(guān)系。 圖圖7-13 7-13 霍爾內(nèi)阻與溫度的關(guān)系霍爾內(nèi)阻與溫度的關(guān)系 圖圖7-14 7-14 霍爾電動勢與溫度的關(guān)系霍爾電動勢與溫度的關(guān)系溫度誤差產(chǎn)生的原因主要包括以下兩種：（1）由于霍爾元件是由半導(dǎo)體材料組成的，因此，它對溫度的變化非常敏感。其中，載流子的濃度、遷移率、電阻率等參數(shù)都是溫度的函數(shù)。（2）當(dāng)溫度發(fā)生變化時，霍爾元件的一些特性參數(shù)，如霍爾電動勢、輸入電阻和輸出電阻等都會發(fā)生變化，從而使霍爾傳感器產(chǎn)生溫度誤差。

11、減小霍爾元件的溫度誤差的方法1.恒溫措施補償2.恒流源溫度補償 （1）恒溫措施補償。包括以下兩種： 將霍爾元件放在恒溫器中。 將霍爾元件放在恒溫的空調(diào)房中。 霍爾元件的靈敏度與溫度的關(guān)系為 （7-5）式中， 為溫度為t0時霍爾元件的靈敏度； 為霍爾電動勢的溫度系數(shù)； 為溫度的變化量（）。HH0(1)kkt H0kt 圖7-15 恒流源溫度補償電路HHEk IB7.3.1 磁阻元件磁阻元件當(dāng)霍爾元件置于與電流方向垂直的磁場當(dāng)霍爾元件置于與電流方向垂直的磁場中時，會出現(xiàn)霍爾效應(yīng)，同時還會出現(xiàn)中時，會出現(xiàn)霍爾效應(yīng)，同時還會出現(xiàn)半導(dǎo)體電阻率增大的現(xiàn)象，這種現(xiàn)象稱半導(dǎo)體電阻率增大的現(xiàn)象，這種現(xiàn)象稱為磁阻

12、效應(yīng)。利用磁阻效應(yīng)做成的元件為磁阻效應(yīng)。利用磁阻效應(yīng)做成的元件被稱為磁阻元件。被稱為磁阻元件。 （a）無磁場作用）無磁場作用 （b）有磁場作用）有磁場作用 圖圖7-14 磁阻元件工作原理示意圖磁阻元件工作原理示意圖7.3.2 7.3.2 磁敏二極管磁敏二極管 圖圖7-15 磁敏二極管的結(jié)磁敏二極管的結(jié)構(gòu)構(gòu) （a）無磁場）無磁場 （b）加正向磁場）加正向磁場 （c）加反向磁場）加反向磁場 圖圖7-16 磁敏二極管工作原理磁敏二極管工作原理 磁敏二極管在正負磁場作用下輸出電阻不磁敏二極管在正負磁場作用下輸出電阻不同，可以利用它來判斷磁場方向。同，可以利用它來判斷磁場方向。7.3.3 磁敏三極管磁敏

13、三極管圖圖7-17 磁敏三極管的結(jié)構(gòu)圖磁敏三極管的結(jié)構(gòu)圖 圖圖7-18 磁敏三極管工作原理示意圖磁敏三極管工作原理示意圖 磁敏三極管和磁敏二極管的工作原理磁敏三極管和磁敏二極管的工作原理基本相同，可以用磁場方向控制集電極電基本相同，可以用磁場方向控制集電極電流的增加或減小，也可以用磁場的強弱控流的增加或減小，也可以用磁場的強弱控制集電極電流增加或減小的變化量。制集電極電流增加或減小的變化量。霍爾電勢是關(guān)于I、B、 三個變量的函數(shù)，即 EH=K HI B cos 。利用這個關(guān)系可以使其中兩個量不變，將第三個量作為變量，或者固定其中一個量，其余兩個量都作為變量。這使得霍爾傳感器有許多用途。圖7-16 霍爾位移傳感器的工作原理圖7-17 霍爾壓力傳感器的工作原理 1彈簧管； 2磁鐵； 3霍爾壓力傳感器 圖7-18 霍爾加速度傳感器的工作原理 圖7-19 霍爾轉(zhuǎn)速傳感器的工作原理 只要黑色金屬旋轉(zhuǎn)體的表面存在缺口或突起，就只要黑色金屬旋轉(zhuǎn)體的表面存在缺口或突起，就可產(chǎn)生磁場強度的脈動，從而引起霍爾電勢的變化，可產(chǎn)生磁場強度的脈動，從而引起霍爾電勢的變化，產(chǎn)生轉(zhuǎn)速信號。產(chǎn)生轉(zhuǎn)速信號。 當(dāng)齒對準(zhǔn)霍爾元件時，磁力線集中穿過霍爾元件，可產(chǎn)