第7章霍爾傳感器課件剖析

2023/7/21第五章電動(dòng)勢(shì)傳感器1第7章霍爾傳感器

7.1霍爾元件工作原理7.2霍爾元件的基本結(jié)構(gòu)和主要特性參數(shù)

7.3霍爾元件的測(cè)量電路及補(bǔ)償7.4應(yīng)用第七章霍爾傳感器2023/7/21第五章電動(dòng)勢(shì)傳感器

霍爾傳感器也是一種磁電式傳感器。它是利用霍爾元件基于霍爾效應(yīng)原理而將被測(cè)量轉(zhuǎn)換成電動(dòng)勢(shì)輸出的一種傳感器。由于霍爾元件在靜止?fàn)顟B(tài)下，具有感受磁場(chǎng)的獨(dú)特能力，并且具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、噪聲小、頻率范圍寬(從直流到微波)、動(dòng)態(tài)范圍大(輸出電勢(shì)變化范圍可達(dá)1000:1)、壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)，因此獲得了廣泛應(yīng)用。例如，在測(cè)量技術(shù)中用于將位移、力、加速度等量轉(zhuǎn)換為電量的傳感器；在計(jì)算技術(shù)中用于作加、減、乘、除、開方、乘方以及微積分等運(yùn)算的運(yùn)算器等。第七章霍爾傳感器2023/7/21第五章電動(dòng)勢(shì)傳感器3霍爾傳感器是基于霍爾效應(yīng)的一種傳感器。1879年美國(guó)物理學(xué)家霍爾首先在金屬材料中發(fā)現(xiàn)了霍爾效應(yīng),但由于金屬材料的霍爾效應(yīng)太弱而沒有得到應(yīng)用。隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展,開始用半導(dǎo)體材料制成霍爾元件,由于它的霍爾效應(yīng)顯著而得到應(yīng)用和發(fā)展。霍爾傳感器廣泛用于電磁測(cè)量、壓力、加速度、振動(dòng)等方面的測(cè)量?；魻栐且环N四端元件7.1霍爾元件的結(jié)構(gòu)及工作原理第七章霍爾傳感器2023/7/21第五章電動(dòng)勢(shì)傳感器4

半導(dǎo)體薄片置于磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的磁場(chǎng)中，磁場(chǎng)方向垂直于薄片，當(dāng)有電流I流過薄片時(shí)，在垂直于電流和磁場(chǎng)的方向上將產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)EH，這種現(xiàn)象稱為霍爾效應(yīng)。磁感應(yīng)強(qiáng)度B為零時(shí)的情況cdab第七章霍爾傳感器2023/7/21第五章電動(dòng)勢(shì)傳感器5磁感應(yīng)強(qiáng)度B較大時(shí)的情況作用在半導(dǎo)體薄片上的磁場(chǎng)強(qiáng)度B越強(qiáng)，霍爾電勢(shì)也就越高?；魻栯妱?shì)EH可用下式表示：EH=KHIB/d第七章霍爾傳感器2023/7/21第五章電動(dòng)勢(shì)傳感器霍爾效應(yīng)演示當(dāng)磁場(chǎng)垂直于薄片時(shí)，電子受到洛侖茲力的作用，向內(nèi)側(cè)偏移，在半導(dǎo)體薄片c、d方向的端面之間建立起霍爾電勢(shì)。cdab第七章霍爾傳感器2023/7/21第五章電動(dòng)勢(shì)傳感器一、工作原理及結(jié)構(gòu)

1.工作原理電子在磁場(chǎng)中受洛倫茲力作用（左手定則）：e:電子電荷;v:電子運(yùn)動(dòng)平均速度;B:磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度電子除了沿電流反方向作定向運(yùn)動(dòng)外,還在Fl的作用下向上漂移,結(jié)果使金屬導(dǎo)電板上底面積累電子,而下底面積累正電荷,從而形成了附加內(nèi)電場(chǎng)EH,稱霍爾電場(chǎng)。第七章霍爾傳感器2023/7/21第五章電動(dòng)勢(shì)傳感器8霍爾電場(chǎng)的出現(xiàn),使定向運(yùn)動(dòng)的電子除了受洛侖磁力作用外,還受到霍爾電場(chǎng)的作用力，此力阻止電荷繼續(xù)積累：EH為電場(chǎng)強(qiáng)度；UH為電位差;l為元件寬度隨著上、下底面積累電荷的增加,霍爾電場(chǎng)增加,電子受到的電場(chǎng)力也增加,當(dāng)電子所受洛侖磁力與霍爾電場(chǎng)作用力大小相等、方向相反時(shí),即第七章霍爾傳感器2023/7/21第五章電動(dòng)勢(shì)傳感器9霍爾電勢(shì)正比于激勵(lì)電流及磁感應(yīng)強(qiáng)度，與載流材料的物理性質(zhì)和幾何尺寸有關(guān)；式中kH=1/ned稱為霍爾片的靈敏度。表示在單位磁感應(yīng)強(qiáng)度和單位控制電流時(shí)的霍爾電勢(shì)的大小；d－薄片厚度n－電子濃度第七章霍爾傳感器2023/7/21第五章電動(dòng)勢(shì)傳感器10?霍爾元件的材料選擇kH與n、e、d成反比，若要霍爾效應(yīng)強(qiáng),則kH值大。靈敏度kH與霍爾片厚度d成反比。為了提高靈敏度,霍爾元件常制成薄片形狀。薄膜霍爾元件厚度只有1μm左右。一般金屬材料載流子遷移率很高；而絕緣材料載流子遷移率極低。故只有半導(dǎo)體材料適于制造霍爾片。目前常用的霍爾元件材料有：鍺、硅、砷化銦、銻化銦等半導(dǎo)體材料。kH=1/ned第七章霍爾傳感器2023/7/21第五章電動(dòng)勢(shì)傳感器117.2霍爾元件基本結(jié)構(gòu)和主要特性參數(shù)

由霍爾片、引線和殼體組成,如圖所示。霍爾片是一塊矩形半導(dǎo)體單晶薄片，引出四個(gè)引線。1、1′兩根引線加激勵(lì)電壓或電流，稱為激勵(lì)電極；2、2′引線為霍爾輸出引線，稱為霍爾電極?；魻栐んw由非導(dǎo)磁金屬、陶瓷或環(huán)氧樹脂封裝而成。在電路中霍爾元件可用兩種符號(hào)表示。7.2.1霍爾元件基本結(jié)構(gòu)第七章霍爾傳感器2023/7/21第五章電動(dòng)勢(shì)傳感器127.2.2主要特性參數(shù)

1．輸入電阻Ri和輸出電阻Ro

霍爾元件兩激勵(lì)電流端的直流電阻稱為輸入電阻Ri，兩個(gè)霍爾電勢(shì)輸出端之間的電阻稱為輸出電阻Ro。

Ri，Ro是純電阻，可用直流電橋或歐姆表直接測(cè)量；并隨溫度改變而改變，一般為幾歐姆到幾百歐姆。

2．額定激勵(lì)電流I和最大激勵(lì)電流IM

霍爾元件在空氣中產(chǎn)生10℃的溫升時(shí)所施加的激勵(lì)電流值稱為額定電流I。每種型號(hào)的元件均規(guī)定了相應(yīng)的最大激勵(lì)電流，它的數(shù)值從幾毫安到幾十毫安。

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3．乘積靈敏度KH

KH=UH/I.B，mV/mA.T，反映了霍爾元件本身所具有的磁電轉(zhuǎn)換能力，一般希望它越大越好。表示在單位磁感應(yīng)強(qiáng)度和單位控制電流時(shí)的霍爾電動(dòng)勢(shì)的大小。

4．不等位電勢(shì)UM

在額定激勵(lì)電流下，當(dāng)外加磁場(chǎng)為零時(shí)，即當(dāng)而B=0時(shí)，UH=0；但由于4個(gè)電極的幾何尺寸不對(duì)稱，引起了且B=0時(shí)，為此引入U(xiǎn)M來表征霍爾元件輸出端之間的開路電壓，即不等位電勢(shì)。

5．霍爾電勢(shì)溫度系數(shù)a

在一定磁感應(yīng)強(qiáng)度和激勵(lì)電流的作用下，溫度每變化1℃時(shí)霍爾電勢(shì)變化的百分?jǐn)?shù)稱為霍爾電勢(shì)溫度系數(shù)a。它與霍爾元件的材料有關(guān)，一般約為0.1%/℃左右,在要求較高的場(chǎng)合,應(yīng)選擇低溫漂的霍爾元件.

第七章霍爾傳感器2023/7/21第五章電動(dòng)勢(shì)傳感器147.3霍爾元件的測(cè)量電路及補(bǔ)償

7.3.1、基本電路RW調(diào)節(jié)控制電流的大小。RL為負(fù)載電阻，可以是放大器的內(nèi)阻或指示器內(nèi)阻?；魻栃?yīng)建立的時(shí)間極短（10-12～10-14S），I即可以是直流，也可以是交流。若被測(cè)物理量是I、B或者IB乘積的函數(shù)，通過測(cè)量霍爾電勢(shì)UH就可知道被測(cè)量的大小。第七章霍爾傳感器2023/7/21第五章電動(dòng)勢(shì)傳感器7.3.2溫度誤差的補(bǔ)償霍爾元件屬于半導(dǎo)體材料，對(duì)溫度比較敏感，溫度的變化對(duì)霍爾元件的輸入/輸出電阻，以及霍爾電勢(shì)有明顯的影響。

圖7.4內(nèi)阻與溫度關(guān)系曲線銻化銦材料對(duì)溫度最敏感，溫度系數(shù)最大，低溫更明顯，負(fù)溫度系數(shù)。其次是硅材料。再次是鍺材料砷化銦的溫度系數(shù)最小，溫度特性最好。第七章霍爾傳感器2023/7/21第五章電動(dòng)勢(shì)傳感器

圖7.5輸出電勢(shì)與溫度關(guān)系曲線銻化銦輸出電勢(shì)對(duì)溫度變化敏感最顯著，是負(fù)溫度系數(shù)銻化銦材料比鍺材料受溫度變化影響大，但它們都有一個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)，到了轉(zhuǎn)折點(diǎn)從正溫度系數(shù)轉(zhuǎn)變成負(fù)溫度系數(shù)。轉(zhuǎn)折點(diǎn)的溫度就是霍爾元件的上限工作溫度，考慮到元件工作時(shí)的溫升，其上限溫度應(yīng)適當(dāng)降低一些。硅材料的霍爾元件的溫度電勢(shì)特性較好。第七章霍爾傳感器2023/7/21第五章電動(dòng)勢(shì)傳感器17圖7.4內(nèi)阻與溫度關(guān)系曲線

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圖7.5輸出電勢(shì)與溫度關(guān)系曲線第七章霍爾傳感器2023/7/21第五章電動(dòng)勢(shì)傳感器19霍爾元件的溫度補(bǔ)償可以采用如下幾種方法：1．恒流源補(bǔ)償法溫度的變化會(huì)引起內(nèi)阻的變化，而內(nèi)阻的變化又使激勵(lì)電流發(fā)生變化以致影響到霍爾電勢(shì)的輸出，采用恒流源可以補(bǔ)償這種影響，其電路如圖7.6所示。第七章霍爾傳感器2023/7/21第五章電動(dòng)勢(shì)傳感器

圖7.6恒流源補(bǔ)償電路第七章霍爾傳感器2023/7/21第五章電動(dòng)勢(shì)傳感器212．選擇合理的負(fù)載電阻進(jìn)行補(bǔ)償圖7.3霍爾元件的基本測(cè)量電路可知:當(dāng)溫度為T時(shí)UL：

UL=UH.RL/(RL+R0)

當(dāng)溫度變化,由T-----T+ΔT時(shí),電壓UL為:UL+ΔUL=UH.(1+α.ΔT).RL/(RL+R0(1+Βδt))當(dāng)UL=UL+ΔUL時(shí):第七章霍爾傳感器2023/7/21第五章電動(dòng)勢(shì)傳感器22

RL=R0（β-

α

）/α

RL為負(fù)載電阻

α為霍爾電勢(shì)的溫度系數(shù)

β為霍爾元件輸出電阻的溫度系數(shù)

Ro為霍爾元件的輸出電阻對(duì)一個(gè)確定的霍爾元件，可查表得到a、b和Ro

值，再求得RL

值，這樣就可在輸出回路實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度誤差的補(bǔ)償了。

第七章霍爾傳感器2023/7/21第五章電動(dòng)勢(shì)傳感器233．利用霍爾元件輸入回路的串聯(lián)電阻或并聯(lián)電阻進(jìn)行補(bǔ)償?shù)姆椒?/p>

圖7.7串聯(lián)輸入電阻補(bǔ)償原理圖7.8并聯(lián)輸入電阻補(bǔ)償原理

第七章霍爾傳感器2023/7/21第五章電動(dòng)勢(shì)傳感器244．熱敏電阻補(bǔ)償法。

第七章霍爾傳感器在使用熱敏電阻進(jìn)行溫度補(bǔ)償時(shí)，要求熱敏電阻和霍爾元件封裝在一起，或者使兩者之間的位置靠得很近，這樣才能使補(bǔ)償效果顯著

圖7.9熱敏電阻溫度補(bǔ)償電路

2023/7/21第五章電動(dòng)勢(shì)傳感器257.3.3不等位電勢(shì)的補(bǔ)償

在無磁場(chǎng)的情況下，當(dāng)霍爾元件通過一定的控制電流I時(shí)，在兩輸出端產(chǎn)生的電壓稱為不等位電勢(shì)，用UM表示。采用橋式補(bǔ)償電路，可以在霍爾元件的整個(gè)工作溫度范圍內(nèi)對(duì)不等位電勢(shì)進(jìn)行良好的補(bǔ)償，并且對(duì)不等位電勢(shì)的恒定部分和變化部分的補(bǔ)償可相互獨(dú)立地進(jìn)行調(diào)節(jié)，所以可達(dá)到相當(dāng)高的補(bǔ)償精度。

第七章霍爾傳感器2023/7/21第五章電動(dòng)勢(shì)傳感器26圖7.10不等位電勢(shì)的橋式補(bǔ)償電路第七章霍爾傳感器2023/7/21第五章電動(dòng)勢(shì)傳感器277.4、霍爾集成電路霍爾集成電路的外形結(jié)構(gòu)與霍爾元件完全不同，其引出線形式由電路功能決定，根據(jù)內(nèi)部測(cè)量電路和霍爾元件工作條件的不同，分為線性和開關(guān)型兩種。1.線性型線性型集成電路是將霍爾元件和恒流源、線性差動(dòng)放大器等做在一個(gè)芯片上，輸出電壓為伏級(jí)，比直接使用霍爾元件方便得多。線性霍爾集成電路的特點(diǎn)是輸出電壓與外加磁感應(yīng)強(qiáng)度B呈線性關(guān)系，較典型的線性型霍爾器件如UGN3501等。線性型三端霍爾集成電路第七章霍爾傳感器2023/7/21第五章電動(dòng)勢(shì)傳感器28圖7.11線性霍爾集成電路P122圖7.12線性霍爾集成電路輸出特性

第七章霍爾傳感器2023/7/21第五章電動(dòng)勢(shì)傳感器292.開關(guān)型霍爾集成電路開關(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(gè)芯片上。第七章霍爾傳感器2023/7/21第五章電動(dòng)勢(shì)傳感器30OC門施密特觸發(fā)電路雙端輸入、單端輸出運(yùn)放霍爾元件.Vcc當(dāng)外加磁場(chǎng)強(qiáng)度超過規(guī)定的工作點(diǎn)時(shí)，OC門由高阻態(tài)變?yōu)閷?dǎo)通狀態(tài)，輸出變?yōu)榈碗娖?；?dāng)外加磁場(chǎng)強(qiáng)度低于釋放點(diǎn)時(shí)，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。

第七章霍爾傳感器2023/7/21第五章電動(dòng)勢(shì)傳感器317.5、霍爾傳感器的應(yīng)用

霍爾電勢(shì)是關(guān)于I、B、

三個(gè)變量的函數(shù)，即EH=KHIBcos

。利用這個(gè)關(guān)系可以使其中兩個(gè)量不變，將第三個(gè)量作為變量，或者固定其中一個(gè)量，其余兩個(gè)量都作為變量。這使得霍爾傳感器有許多用途。第七章霍爾傳感器2023/7/21第五章電動(dòng)勢(shì)傳感器

1．霍爾轉(zhuǎn)速表圖7.17霍爾轉(zhuǎn)速表

第七章霍爾傳感器2023/7/21第五章電動(dòng)勢(shì)傳感器33霍爾轉(zhuǎn)速表原理

當(dāng)齒對(duì)準(zhǔn)霍爾元件時(shí)，磁力線集中穿過霍爾元件，可產(chǎn)生較大的霍爾電動(dòng)勢(shì)，放大、整形后輸出高電平；反之，當(dāng)齒輪的空擋對(duì)準(zhǔn)霍爾元件時(shí)，輸出為低電平。第七章霍爾傳感器2023/7/21第五章電動(dòng)勢(shì)傳感器34在被測(cè)轉(zhuǎn)速的轉(zhuǎn)軸上安裝一個(gè)齒盤，也可選取機(jī)械系統(tǒng)中的一個(gè)齒輪，將線性型霍爾器件及磁路系統(tǒng)靠近齒盤。齒盤的轉(zhuǎn)動(dòng)使磁路的磁阻隨氣隙的改變而周期性地變化，霍爾器件輸出的微小脈沖信號(hào)經(jīng)隔直、放大、整形后可以確定被測(cè)物的轉(zhuǎn)速。SN線性霍爾磁鐵第七章霍爾傳感器2023/7/21第五章電動(dòng)勢(shì)傳感器35霍爾轉(zhuǎn)速傳感器在汽車防抱死裝置（ABS）中的應(yīng)用若汽車在剎車時(shí)車輪被抱死，將產(chǎn)生危險(xiǎn)。用霍爾轉(zhuǎn)速傳感器來檢測(cè)車輪的轉(zhuǎn)動(dòng)狀態(tài)有助于控制剎車力的大小。帶有微型磁鐵的霍爾傳感器鋼質(zhì)霍爾第七章霍爾傳感器2023/7/21第五章電動(dòng)勢(shì)傳感器36

1—磁輪鼓；2—開關(guān)型霍爾集成元件；3—晶體管功率開關(guān)；4—點(diǎn)火線圈；5—火花塞7.18霍爾點(diǎn)火裝置示意圖

2．霍爾式無觸點(diǎn)點(diǎn)火裝置

當(dāng)磁輪鼓轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，霍爾元件受到的磁場(chǎng)交替變化，霍爾元件的輸出為脈沖信號(hào)。當(dāng)霍爾IC輸出為高電平時(shí)，晶體管功率開關(guān)處于導(dǎo)通狀態(tài)，點(diǎn)火線圈低壓側(cè)有較大電流通過，并以磁場(chǎng)能量的形式儲(chǔ)存在點(diǎn)火線圈的鐵心中。當(dāng)霍爾IC輸出跳變?yōu)榈碗娖綍r(shí)，晶體管功率開關(guān)處于截止?fàn)顟B(tài)，，切斷點(diǎn)火線圈的低壓側(cè)電流。由于沒有續(xù)流元件，所以存儲(chǔ)在點(diǎn)火線圈鐵心中的磁場(chǎng)能量在高壓側(cè)感應(yīng)出30~50kV的高電壓。第七章霍爾傳感器2023/7/21第五章電動(dòng)勢(shì)傳感器37采用霍爾式無觸點(diǎn)電子點(diǎn)火裝置能較好地克服汽車合金觸點(diǎn)點(diǎn)火時(shí)間不準(zhǔn)確、觸點(diǎn)易燒壞、高速時(shí)動(dòng)力不足等缺點(diǎn)。汽車點(diǎn)火線圈高壓輸出接頭12V低壓電源輸入接頭第七章霍爾傳感器2023/7/21第五章電動(dòng)勢(shì)傳感器2023/7/21第五章電動(dòng)勢(shì)傳感器39桑塔納汽車霍爾式分電器示意圖1-觸發(fā)器葉片2-槽口3-分電器轉(zhuǎn)軸4-永久磁鐵

5-霍爾集成電路（PNP型霍爾IC）a）帶缺口的觸發(fā)器葉片b）觸發(fā)器葉片與永久磁鐵及霍爾集成電路之間的安裝關(guān)系c）葉片位置與點(diǎn)火正時(shí)的關(guān)系第七章霍爾傳感器2023/7/21第五章電動(dòng)勢(shì)傳感器403．霍爾式功率計(jì)

圖7.19霍爾效應(yīng)交流功率計(jì)

第七章霍爾傳感器2023/7/21第五章電動(dòng)勢(shì)傳感器414．霍爾式無刷直流電機(jī)

圖7.20霍爾無刷直流電機(jī)基本原理

第七章霍爾傳感器2023/7/21第五章電動(dòng)勢(shì)傳感器42霍爾式無刷電動(dòng)機(jī)取消了換向器和電刷，而采用霍爾元件來檢測(cè)轉(zhuǎn)子和定子之間的相對(duì)位置，其輸出信號(hào)經(jīng)放大、整形后觸發(fā)電子線路，從而控制電樞電流的換向，維持電動(dòng)機(jī)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。由于無刷電動(dòng)機(jī)不產(chǎn)生電火花及電刷磨損等問題，所以它在錄像機(jī)、CD唱機(jī)、光驅(qū)等家用電器中得到越來越廣泛的應(yīng)用。普通直流電動(dòng)機(jī)使用的電刷和換向器第七章霍爾傳感器2023/7/21第五章電動(dòng)勢(shì)傳感器43無刷電動(dòng)機(jī)在電動(dòng)自行車上的應(yīng)用電動(dòng)自行車可充電電池組無刷電動(dòng)機(jī)無刷直流電動(dòng)機(jī)的外轉(zhuǎn)子采用高性能釹鐵硼稀土永磁材料；三個(gè)霍爾位置傳感器產(chǎn)生六個(gè)狀態(tài)編碼信號(hào)，控制逆變橋各功率管通斷，使三相內(nèi)定子線圈與外轉(zhuǎn)子之間產(chǎn)生連續(xù)轉(zhuǎn)矩，具有效率高、無火花、可靠性強(qiáng)等特點(diǎn)。第七章霍爾傳感器2023/7/21第五章電動(dòng)勢(shì)傳感器44光驅(qū)用的無刷電動(dòng)機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)第七章霍爾傳感器2023/7/21第五章電動(dòng)勢(shì)傳感器