測量集成霍爾傳感器的靈敏度

1、測量集成霍爾傳感器的靈敏度第1頁，共35頁，2022年，5月20日，12點(diǎn)27分，星期四8.1 霍爾效應(yīng)及霍爾元件8.1 霍爾效應(yīng)及霍爾元件8.1.1 霍爾效應(yīng) 位于磁場中的靜止載流導(dǎo)體，當(dāng)其電流I的方向與磁場強(qiáng)度H的方向之間有夾角時(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，這一物理現(xiàn)象稱為霍爾效應(yīng)。 第2頁，共35頁，2022年，5月20日，12點(diǎn)27分，星期四如圖8-1所示， 圖8-1 霍爾效應(yīng)原理 第3頁，共35頁，2022年，5月20日，12點(diǎn)27分，星期四其洛侖茲力大小可表示為 FL= q0vB 靜電場對(duì)電子的作用力 上式連立:第4頁，共35頁，2022年，5月20日，1

2、2點(diǎn)27分，星期四式中:霍爾系數(shù)（m3/C） 霍爾器件的靈敏系數(shù) 霍爾元件和測量電路霍爾元件 霍爾元件的結(jié)構(gòu)如圖8-2所示。第5頁，共35頁，2022年，5月20日，12點(diǎn)27分，星期四 圖中的矩形薄片狀的立方晶體稱為基片，在它的兩垂側(cè)面上各裝有一對(duì)電極，電極1-1用以加激勵(lì)電壓或流過激勵(lì)電流，故稱為激勵(lì)電極，電極2-2作為霍爾電勢UH的輸出，故稱為霍爾電極，基片的尺寸要求厚度d越薄越好，d越薄，霍爾元件的靈敏系數(shù) 越大，在基片外面用金屬或陶瓷、環(huán)氧樹脂封裝作為外殼。圖8-3是霍爾元件的通用圖形符號(hào)。第6頁，共35頁，2022年，5月20日，12點(diǎn)27分，星期四圖8-2 外形結(jié)構(gòu)示意圖 圖8-

3、3 圖形符號(hào)第7頁，共35頁，2022年，5月20日，12點(diǎn)27分，星期四2霍爾元件的測量電路(1)基本測量電路 霍爾元件的基本測量電路如圖8-5所示。激勵(lì)電流由電壓源E供給，其大小由可變電阻來調(diào)節(jié)。 8-5基本測量電路 第8頁，共35頁，2022年，5月20日，12點(diǎn)27分，星期四(2)霍爾元件的輸出電路 在實(shí)際應(yīng)用中，要根據(jù)不同的使用要求采用不同的連接電路方式。如在直流激勵(lì)電流情況下，位了獲得較大的霍爾電壓，可將幾塊霍爾元件的輸出電壓串聯(lián)，如圖8-6（a）所示。在交流激勵(lì)電流情況下，幾塊霍爾元件的輸出可通過變壓器接成如圖8-6（b）的形式，以增加霍爾電壓或輸出功率。 (a) 直流激勵(lì) (b

4、) 交流激勵(lì) 圖8-6 霍爾元件的輸出電路 第9頁，共35頁，2022年，5月20日，12點(diǎn)27分，星期四8.1.3 霍爾元件的主要特性參數(shù)1輸入電阻Ri和輸出電阻Ro 定義霍爾元件激勵(lì)電極之間的電阻稱為輸入電阻Ri?；魻栯姌O之間的電阻稱為輸出電阻Ro 2額定激勵(lì)電流IN和最大允許激勵(lì)電流Imax 霍爾元件在空氣中產(chǎn)生的溫升為10時(shí)，所對(duì)應(yīng)的激勵(lì)電流稱為額定激勵(lì)電流IN。以元件允許的最大溫升為限制，所對(duì)應(yīng)的激勵(lì)電流稱為最大允許激勵(lì)電流Imax。 第10頁，共35頁，2022年，5月20日，12點(diǎn)27分，星期四3不等位電勢和不等位電阻 當(dāng)霍爾元件的激勵(lì)電流為額定值IN時(shí)，若元件所處位置的磁感應(yīng)強(qiáng)

5、度為零，則它的霍爾電勢應(yīng)該為零，但實(shí)際不為零，這時(shí)測得的空載霍爾電勢稱為不等位電勢。 產(chǎn)生原因:主要由霍爾電極安裝不對(duì)稱造成的,由于半導(dǎo)體材料的電阻率不均勻、基片的厚度和寬度不一致、霍爾電極與基片的接觸不良（部分接觸）等原因，即使霍爾電極的裝配絕對(duì)對(duì)稱，也會(huì)產(chǎn)生不等位電勢。第11頁，共35頁，2022年，5月20日，12點(diǎn)27分，星期四補(bǔ)償方法: 任意兩相鄰的電極之間可視為一個(gè)等效電阻,則霍爾元件可視為一四臂電橋,要不等位電勢為0,只需電橋輸出為零即可,因此采用加調(diào)零電位器的方法很好.如圖8-7所示.第12頁，共35頁，2022年，5月20日，12點(diǎn)27分，星期四4交流不等位電勢與寄生直流電勢

6、 在不加外磁場的情況下，霍爾元件使用交流激勵(lì)時(shí)，霍爾電極間的開路交流電勢稱為交流不等位電勢。在此情況下輸出的直流電勢稱為寄生直流電勢。產(chǎn)生交流不等位電勢的原因與不等位電勢相同，而寄生直流電勢的產(chǎn)生則是由于：（1）霍爾電極與基片間的非完全歐姆接觸而產(chǎn)生的整流效應(yīng)。（2）霍爾電極與基片間的非完全歐姆接觸而產(chǎn)生的整流效應(yīng)，使激勵(lì)電流中包含有直流分量，通過霍爾元件的不等位電勢的作用反映出來。一般情況下，不等位電勢越小，寄生直流電勢也越小。（3）當(dāng)兩個(gè)霍爾電極的焊點(diǎn)大小不同時(shí)，由于它們的熱容量、熱耗散等情況的不同，引起兩電極溫度不同而產(chǎn)生溫差電勢，也是寄生直流電勢的一部分。第13頁，共35頁，2022年

7、，5月20日，12點(diǎn)27分，星期四 寄生直流電勢可用圖8-8所示電路測量，經(jīng)變壓器降壓后的交流電源供給霍爾元件的激勵(lì)電流，直流電位差計(jì)UJ-30的顯示靈敏度應(yīng)大于10-7V。圖8-8 測量寄生直流電勢的電路圖第14頁，共35頁，2022年，5月20日，12點(diǎn)27分，星期四5霍爾電勢溫度系數(shù) 在一定磁感應(yīng)強(qiáng)度和激勵(lì)電流下，溫度每變化1時(shí)，霍爾電勢變化的百分率，稱為霍爾電勢溫度系數(shù)。6霍爾靈敏系數(shù)KH 在單位控制電流和單位磁感應(yīng)強(qiáng)度作用下，霍爾器件輸出端的開路電壓，稱為霍爾靈敏系數(shù)KH，霍爾靈敏系數(shù)KH的單位為V/（AT）。第15頁，共35頁，2022年，5月20日，12點(diǎn)27分，星期四8.1.4

8、 霍爾器件的材料選擇 以N型半導(dǎo)體材料為好.表中給出常見的材料.表8-1 霍爾器件常用材料的物理性能第16頁，共35頁，2022年，5月20日，12點(diǎn)27分，星期四8.2 霍爾集成傳感器霍爾開關(guān)集成傳感器1工作原理圖8-9 霍爾開關(guān)集成傳感器原理框圖第17頁，共35頁，2022年，5月20日，12點(diǎn)27分，星期四（1）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。（2）差分放大器：放大器將霍爾電壓放大，以便驅(qū)動(dòng)后一級(jí)整形電路。（3）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。（4）輸出

9、管：由一個(gè)或兩個(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。（5）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18頁，共35頁，2022年，5月20日，12點(diǎn)27分，星期四2霍爾開關(guān)集成傳感器的特性（1）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(duì)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

10、）附近，如果沒有滯環(huán)效應(yīng)或滯環(huán)效應(yīng)很小，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(duì)開關(guān)動(dòng)作也是不利的，因?yàn)橐蟠艌鲎兓群艽?，有可能不發(fā)生動(dòng)作而出現(xiàn)漏計(jì)現(xiàn)象。 第19頁，共35頁，2022年，5月20日，12點(diǎn)27分，星期四 我國CS型開關(guān)集成霍爾傳感器的滯環(huán)寬度典型值為610-3T。 圖8-10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。 8-10 霍爾開關(guān)集成傳 感器輸出特性 第20頁，共35頁，2022年，5月20日，12點(diǎn)27

11、分，星期四（2）電特性 霍爾開關(guān)集成傳感器的電特性是指它的輸出電性能，標(biāo)志它的輸出電性能的主要參數(shù)有輸出高電平UOH、輸出低電平UOL 、負(fù)載電流IOL、輸出漏電流IOH、截止電源電流ICCH和導(dǎo)通電源電流ICCL等參數(shù)。第21頁，共35頁，2022年，5月20日，12點(diǎn)27分，星期四第22頁，共35頁，2022年，5月20日，12點(diǎn)27分，星期四（3）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)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8-11（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（H

12、L）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8-11（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35頁，2022年，5月20日，12點(diǎn)27分，星期四 圖8-11 霍爾開關(guān)集成傳感器溫度特性第24頁，共35頁，2022年，5月20日，12點(diǎn)27分，星期四8.2.2 霍爾線性集成傳感器 線性集成霍爾傳感器是將霍爾器件、放大電路、電壓調(diào)整電路、電流放

13、大輸出級(jí)、失調(diào)調(diào)整和線性度調(diào)整部分集成在一塊芯片上，其特點(diǎn)是輸出電壓隨外加磁感應(yīng)強(qiáng)度B呈線性變化?；魻柧€性集成傳感器分單端輸出和雙端輸出兩種，它們的結(jié)構(gòu)如圖8-12（a）、（b）所示。第25頁，共35頁，2022年，5月20日，12點(diǎn)27分，星期四 （a） SL3501T型結(jié)構(gòu)（單端輸出） (b) SL3501M型結(jié)構(gòu)（雙端輸出） 圖8-12 線性集成霍爾傳感器的電路結(jié)構(gòu)第26頁，共35頁，2022年，5月20日，12點(diǎn)27分，星期四8.3 霍爾傳感器的應(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)

14、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

15、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27頁，共35頁，2022年，5月20日，12點(diǎn)27分，星期四8.3.1 霍爾位移傳感器圖8-13 霍爾位移傳感器第28頁，共35頁，2022年，5月20日，12點(diǎn)27分，星期四8.3.2 霍爾電流變換器 圖8-14 霍爾傳感器電流變換器第29頁，共35頁，2022年，5月20日，12點(diǎn)27分，星期四8.3.3 利用霍爾傳感器實(shí)現(xiàn)無接觸式仿型加工 圖8-15 無接觸式仿型加工原理示意圖第30頁，共35頁，2022年，5月20日，12點(diǎn)27分，星期四8.3.4 自動(dòng)供水裝置圖8-16 自動(dòng)供水裝置第31頁，共35頁，2022年，5月

16、20日，12點(diǎn)27分，星期四8.3.5 霍爾元件在磁性材料研究中的應(yīng)用圖8-17 研究閉合材料試樣磁特性的線路框圖第32頁，共35頁，2022年，5月20日，12點(diǎn)27分，星期四非接觸式鍵盤開關(guān) 圖8-18 用霍爾開關(guān)集成傳感器構(gòu)成的按鈕 第33頁，共35頁，2022年，5月20日，12點(diǎn)27分，星期四本 章 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)勢稱為霍爾電勢，這種物理現(xiàn)象稱為霍爾效應(yīng)。利用霍爾效應(yīng)原理制成的傳感器稱為霍爾傳感器。 霍爾傳感器有分立元件式（簡稱霍爾元件）和集成式（簡稱霍爾集成傳感器）兩種。霍爾元件常用鍺、硅、砷化鎵、砷化銦及銻化銦等半導(dǎo)體材料制作而成?；魻柤蓚鞲衅魇菍⒒魻柶骷?、放大電路、電壓調(diào)整電路、電流放大輸出級(jí)、失調(diào)調(diào)整和線性度調(diào)整部分集成在一塊芯片上組成的。 霍爾傳感器由于具有結(jié)構(gòu)簡單、