中南大學傳感與檢測pptch9-ch10-磁電和霍爾傳感器

第9章磁電式傳感器第10章霍爾式傳感器2/6/20231概述磁電式傳感器是利用電磁感應原理將被測量（如振動、位移、速度等）轉換成電信號的一種傳感器，也稱電磁感應傳感器。原理：根據電磁感應定律，當N匝線圈在恒定磁場內運動時，設穿過線圈的磁通為，則線圈內會產生感應電動勢:e=-Nd/dt

可見，線圈中感應電勢的大小與線圈匝數和穿過線圈的磁通變化率有關。一般情況下，匝數固定，磁通變化率與磁場強度B、磁路磁阻Rm、線圈的運動速度v有關；改變其中任一參數，都會改變線圈中的感應電勢。分類：按結構方式不同，分為動圈式和磁阻式兩大類。9.磁電式傳感器2/6/202329.磁電式傳感器9.1動圈式磁電傳感器

動圈式磁電傳感器又可分為線速度型與角速度型。1）線速度型傳感器工作原理如圖所示，在永久磁鐵產生的磁感應強度為B的直流磁場內，放置一可動線圈，當線圈沿垂直磁場的方向以相對磁場的速度v直線運動時，它產生的感應電動勢為：

e=-NBlv式中，N—線圈匝數；

l—單匝線圈的有效長度。上式表明，當B,N和l恒定不變時，可根據感應電動勢e的大小計算出被測線速度v的大小。2/6/202339.1動圈式磁電傳感器2）角速度型傳感器工作原理如圖所示，線圈在磁場中以角速度旋轉時產生的感應電動勢為：

e=-kNBS式中,S—單匝線圈的截面積；

k—與結構有關的系數，k<1。上式表明，當傳感器結構確定后，N、B、S和k皆恒定不變，可根據感應電勢大小確定被測量。故這種傳感器常用于轉速測量。需注意的是在上兩式中的v、指的是線圈與磁鐵的相對速度，不是磁鐵的絕對速度。9.磁電式傳感器2/6/202349.2磁阻式磁電傳感器1）基本原理與動圈式磁電傳感器不同，磁阻式磁電傳感器工作時，其線圈與磁鐵部分是相對靜止的，由與被測量連結的物體（導磁材料）的運動來改變磁路的磁阻，因而改變貫穿線圈的磁通量，在線圈中產生感應電勢。2）應用

磁阻式磁電傳感器一般常用于測量轉速、偏心、振動等，產生感應電動勢的頻率作為輸出，而電勢的頻率取決于磁通變化的頻率。下圖a、b、c可測旋轉物體的角頻率，在圓輪旋轉時，圓輪上的凸處的位置發(fā)生變化，引起磁路中磁阻變化，從而引起貫穿線圈的磁通量發(fā)生變化，產生交變電勢。9.磁電式傳感器2/6/202359.2磁阻式磁電傳感器2）應用

被測體轉動時線圈產生的交變電勢頻率：f=n/60=/(2)式中，f—感應電勢頻率（周/秒）；

—圓輪的角速度；

n

—圓輪的轉速（轉/分）。測量線圈產生的電勢頻率，可得其轉速。9.磁電式傳感器2/6/202369.3磁電式傳感器的測量電路磁電式傳感器直接輸出感應電勢，且傳感器通常有較高的靈敏度，所以一般不需高增益放大器。但磁電式傳感器是速度傳感器，若要獲取被測位移或加速度，需要配積分或微分電路。下圖為一般測量電路方框圖。其中虛線框內整形及微分部分電路僅用于以頻率作為輸出時。9.磁電式傳感器2/6/2023710.霍爾式傳感器概述霍耳效應于1870年代發(fā)現。但因其十分微弱，以致其很長一段時間都沒進入實用。1950年代末，隨著三、五價化合物半導體材料的開發(fā)，才找到了電子遷移率非常大的新材料[如：銻化銦（InSb）、砷化銦（InAs）、砷化鎵（GaAs）等]，成為霍耳器件制造所必需的材料，使霍耳器件得以廣泛應用。隨著導體工藝的飛速發(fā)展，霍耳器件的水平也大大提高，已發(fā)展到單晶、多晶薄膜化和硅霍耳集成化階段?；魻杺鞲衅魇腔诨魻栃囊环N磁敏傳感器。目前磁敏器件種類較多，不同材料制作的磁敏器件，其工作原理與特性也不相同。隨著新的磁特性或磁現象的發(fā)現，以及功能材料和IC技術的發(fā)展，除了集成霍爾器件和集成磁阻器件外，還出現了基于巨磁阻效應、巨磁阻抗效應的巨磁電阻器件等新型器件。2/6/2023810.1霍爾效應與器件1）霍爾效應

如圖所示，在金屬或半導體薄片相對兩側面ab通以控制電流I，在薄片垂直方向上施加磁場B，則在垂直于電流和磁場的方向上，即另兩側面cd會產生一個大小與控制電流I和磁場B乘積成正比的電動勢UH，這一現象稱為霍爾效應。10.霍爾式傳感器2/6/2023910.1霍爾效應2）產生機理如上左圖所示，垂直于外磁場B的導體通電流I時，定向運動的載流子受磁場的洛倫茲力FL作用，除了做平行于電流方向的定向運動外，還在FL作用下漂移，使薄板內一側累積電子，另一側累積正電荷，形成一個內電場，即霍爾電場?；魻栯妶鯡H的產生使定向運動的電荷除受FL作用外，還因電場力FE=eUH/(cd)的作用漸漸增強而被阻止繼續(xù)積累。隨著內、外側面累積的電荷增加，霍爾電場增大，當電荷所受FL與霍爾電場力大小相等方向相反，即FE=FL時，電荷不再向兩側面累積而達到平衡狀態(tài)，形成穩(wěn)定的霍爾電勢。10.霍爾式傳感器2/6/20231010.1霍爾效應3）霍耳電勢與材料

設導電體長l，寬w，厚d。若導電體單位體積內的電子數(電子濃度)為n，電子定向運動平均速度為v，則激勵電流(控制電流)I=-nevwd。在垂直方向的磁感應強度B作用下，電子所受洛侖茲力為：

FL=evB，其中e為電子電量(1.62×10-19C)。同時，作用于電子的電場力為：

FE=eEH=eUH/w。

當電荷累計達到動態(tài)平衡時，FE=FL，因此：UH=wvB

由I=-nevwd

得：wv=-I/(ned)

所以：UH=wvB=-IB/(ned)

10.霍爾式傳感器2/6/20231110.1霍爾效應3）霍耳電勢與材料令RH=-1/(ne)，稱之為霍爾系數(其大小由材料性質決定)，則有：UH=RHIB/d

若載流子為空穴(如P型半導體)，設其濃度為p，則：

RH=1/(qp)=

其中，為材料電阻率；為載流子遷移率。對于金屬：很高但很??；對于絕緣材料：很高但很小。因此，為獲大的霍爾效應也即大霍爾系數，宜選半導體。設KH=RH/d

，則：UH＝KHIB其中KH—霍耳器件靈敏度，與載流材料的物理性質和幾何尺寸有關，表示在單位磁感應強度和單位控制電流時的霍耳電勢大小。KH與厚度成反比，故霍爾器件一般為薄片。10.霍爾式傳感器2/6/20231210.1霍爾效應3）霍耳電勢與材料需注意：d并非越薄越好。越薄將會增加霍耳器件的輸入和輸出阻抗從而增加功耗，對電子遷移率不大的Ge材料來說不適當。若磁感應強度B的方向與霍耳器件的平面法線夾角為，則霍耳電勢為：

UH＝KHIBcos。顯然，控制電流或磁場的方向改變，霍耳電勢的方向也改變。但磁場與電流同時變方向時，霍耳電勢不改變方向。10.霍爾式傳感器2/6/202313霍耳器件a)實際結構(mm)；(b)簡化結構；(c)等效電路外形尺寸:6.4×3.1×0.2;有效尺寸：5.4×2.7×0.210.2霍爾器件1）霍耳元件結構d（b）0.5（a）slw電流極2.15.42.7AB0.20.3CD霍耳電極R4ABCDR1R2R3R4（c）構成：霍爾片+引線+殼體。其中，霍爾片是一矩形半導體薄片，在其四端引四根線，分別為激勵電流引線(稱激勵電極),輸出引線(稱霍爾電極)?；魻栐牡刃щ娐啡鐖Dc所示。10.霍爾式傳感器2/6/202314輸入電阻Ri：電流電極間的電阻；輸出電阻Ro：霍耳端子間內部的電阻；靈敏度KH：乘積靈敏度。不等位電勢：額定I下外磁場為零時霍爾輸出端的開路電壓；由4個電極的幾何不對稱所致，需要補償?；魻栯妱轀囟认禂担阂欢ǖ腂和I下，溫度變化的霍爾電勢變化的百分數。最大激勵電流IM：最大磁感應強度BM：常用霍爾元件及技術參數霍爾元件型號命名方法如右圖所示，技術參數見教材表3-11。10.2霍爾器件2）霍耳元件主要技術參數及影響因素10.霍爾式傳感器2/6/20231510.2霍爾器件3）霍爾元件的溫度補償和不等位電勢補償(1)溫度補償下左圖所示為各種不同材料的霍爾器件內阻與溫度的關系；可知，內阻都受溫度影響，但趨勢特點不同；右下圖所示為不同材料的霍爾輸出電勢隨溫度變化的情況；可見，霍爾輸出電勢隨溫度變化的特征取決于材料和溫度。10.霍爾式傳感器2/6/20231610.2霍爾器件3）霍爾元件的溫度補償和不等位電勢補償(1)溫度補償

為減少由溫度變化所引起的溫差電勢對霍爾元件輸出的影響，可根據不同情況，采取一些不同的補償方法。恒流源補償：如下圖a所示，R=Ri(-)/。利用輸出回路的負載進行補償：如下右圖所示，RL=R0/。abc等效電路10.霍爾式傳感器2/6/20231710.2霍爾器件3）霍爾元件的溫度補償和不等位電勢補償(2)不等位電勢補償不等位電勢的產生，會使霍爾元件或傳感器在使用中產生零位誤差。所以在高精度測量中，都采用不等位電勢補償的方法來盡量排除它對霍爾輸出的影響。當兩電極不在同一等位面上時（如r1>r2），則電橋失去平衡，U0=0，此時就需進行補償，其補償電路如圖c所示10.霍爾式傳感器2/6/20231810.2霍爾器件3）霍爾元件的溫度補償和不等位電勢補償(2)不等位電勢補償電橋補償方法即初始平衡的電橋因溫度變化而產生不平衡輸出，使這個不平衡輸出正好抵消霍爾器件因溫度變化產生的輸出變化。w1w2E1w3R2R3R4R1E2RtUHt10.霍爾式傳感器2/6/20231910.2霍爾器件4）霍爾元件的基本測量電路右圖示出了霍爾元件的基本測量電路。為獲得較大的霍爾輸出，可采用輸出疊加的連接方式（如下圖所示）。圖a為直流供電情況，圖b為交流供電情況。10.霍爾式傳感器2/6/20232010.2霍爾器件5）霍爾元件使用注意事項(1)驅動方式

霍爾元件驅動方式有恒壓和恒流兩種，電路如圖下所示。(2)散熱(3)安裝

①安裝應堅實牢固；②不可有扭曲現象。

10.霍爾式傳感器2/6/20232110.3霍爾集成傳感器

由霍爾元件及有關電路組成的傳感器稱為霍爾傳感器。隨著微電子技術的發(fā)展，目前霍爾傳感器都已集成化，即把霍爾元件、放大器、溫度補償電路及穩(wěn)壓電源或恒流電源等集成在一個芯片上，由于其外形與集成電路相同，故又稱霍爾集成電路。

1）霍爾集成傳感器分類霍爾傳感器的霍爾材料仍以半導體硅作為主要材料，按其輸出信號的形式可分為線性型和開關型兩種。2）組成與結構組成：穩(wěn)壓電路、霍耳元件、放大與整形電路、開路輸出穩(wěn)壓電路：使傳感器在較寬電源電壓范圍內工作；開路輸出：方便傳感器與各種邏輯電路接口。10.霍爾式傳感器2/6/20232210.3霍爾集成傳感器3）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和恒流源，線性放大器等做在同一芯片上，輸出電壓較高，使用非常方便。例如：UGN3501M是具有雙端差動輸出特性的線性霍爾器件，UGN3501M的外形、內部電路框圖如圖。10.霍爾式傳感器2/6/20232310.3霍爾集成傳感器4）開關型霍爾集成傳感器開關型霍爾集成傳感器是將霍爾元件、穩(wěn)壓電路、放大器、施密特觸發(fā)器、OC門等電路做在同一芯片上。例：開關型霍爾集成電路UGN3019，其外型與內部電路框圖如圖所示。10.霍爾式傳感器2/6/202324

10.4霍爾傳感器的應用1）應用概述

霍爾元件及霍爾傳感器的應用十分廣泛。在測量領域，可用于磁場、電流、位移、壓力、振動、轉速等的測量；在通信領域，可用于放大器、振蕩器、相敏檢波、混頻、分頻以及微波功率測量等；在自動化技術領域，可用于無刷直流電機、速度傳感、位置傳感、自動記數、接近開關、霍爾自整角機構成的伺服系統(tǒng)和自動電力拖動系統(tǒng)等。利用霍耳電勢與外加磁通密度成比例的特性，可借助于固定元件的控制電流，對磁量以及其他可轉換成磁量的電量、機械量和