第7章霍爾傳感器原理及其應(yīng)用課件

第7章霍爾傳感器原理及其應(yīng)用7.1概述7.2霍爾傳感器的測(cè)量電路和誤差分析7.3霍爾傳感器的應(yīng)用電路第7章霍爾傳感器原理及其應(yīng)用7.1概述1

7.1概述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)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(méi)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?；魻杺鞲衅魇腔诨魻栃?yīng)將被測(cè)量（如電流、磁場(chǎng)、位移、壓力、壓差、轉(zhuǎn)速等）轉(zhuǎn)換成電動(dòng)勢(shì)輸出的一種傳感器。雖然它的轉(zhuǎn)換率較低、溫度影響大、要求轉(zhuǎn)換精度較高時(shí)必須進(jìn)行溫度補(bǔ)償，但霍爾式傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、堅(jiān)固、頻率響應(yīng)寬（從直流到微波）、動(dòng)態(tài)范圍（輸出電動(dòng)勢(shì)的變化）大、非接觸、使用壽命長(zhǎng)、可靠性高、易于微型化和集成化。因此在測(cè)量技術(shù)、自動(dòng)化技術(shù)和信息處理得到了廣泛的應(yīng)用。7.1概述霍爾傳感器是基于霍爾效應(yīng)的一種傳感器。187927.1.1霍爾元件的結(jié)構(gòu)霍爾元件的外形如圖7-1（a）所示，它是由霍爾片、4根引線和殼體組成?；魻柶且粔K矩形半導(dǎo)體單晶薄片（一般為），在它的長(zhǎng)度方向兩端面上焊有a、b兩根引線，稱為控制電流端引線，通常用紅色導(dǎo)線。其焊接處稱為控制電流極（或稱激勵(lì)電流），要求焊接處接觸電阻很小，并呈純電阻，即歐姆接觸（無(wú)PN結(jié)特性）。在薄片的另兩側(cè)端面的中間以點(diǎn)的形式對(duì)稱地焊有c、d兩根霍爾輸出引線，通常用綠色導(dǎo)線。其焊接處稱為霍爾電極，要求歐姆接觸，且電極寬度與基片長(zhǎng)度之比小于0.1，否則影響輸出?；魻栐臍んw上是用非導(dǎo)磁金屬、陶瓷或環(huán)氧樹脂封裝。

7.1.1霍爾元件的結(jié)構(gòu)37.1.1霍爾元件的結(jié)構(gòu)霍爾元件的外形如圖7-1（a）所示，圖7-1（b）為霍爾元件結(jié)構(gòu)示意圖，圖7-1（c）是霍爾元件符號(hào)。目前，最常用的霍爾元件材料是鍺（Ge）、硅（Si）、銻化銦（InSb）、砷化銦（InAs）和不同比例亞砷酸銦和磷酸銦組成的In型固熔體等半導(dǎo)體材料。20世紀(jì)80年代末出現(xiàn)了一種新型霍爾元件——超晶格結(jié)構(gòu)（砷化鋁/砷化稼）的霍爾器件，它可以用來(lái)測(cè)的微磁場(chǎng)?？梢哉f(shuō)，超晶格霍爾元件是霍爾元件的一個(gè)質(zhì)的飛躍。圖7-1霍爾元件7.1.1霍爾元件的結(jié)構(gòu)圖7-1霍爾元件47.1.2霍爾傳感器的命名方法

國(guó)產(chǎn)霍爾元件型號(hào)命名的方法，如圖7-2所示。

7.1.2霍爾傳感器的命名方法57.1.3霍爾傳感器的工作原理

半導(dǎo)體薄片置于磁場(chǎng)中，當(dāng)它的電流方向與磁場(chǎng)方向不一致時(shí)，半導(dǎo)體薄片上平行于電流和磁場(chǎng)方向的兩個(gè)面之間產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)，這種現(xiàn)象稱為霍爾效應(yīng)，該電動(dòng)勢(shì)稱霍爾電勢(shì)，半導(dǎo)體薄片稱霍爾元件。如圖7-3所示，在垂直于外磁場(chǎng)B的方向上放置半導(dǎo)體薄片，當(dāng)有電流I流過(guò)薄片時(shí)，在垂直于電流和磁場(chǎng)方向上將產(chǎn)生霍爾電勢(shì)。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。

圖7-3霍爾效應(yīng)原理圖7.1.3霍爾傳感器的工作原理圖7-3霍爾效應(yīng)原理圖67.1.3霍爾傳感器的工作原理霍爾電勢(shì)可用下式表示：——霍爾器件的靈敏度，它表示霍爾器件在單位磁感應(yīng)強(qiáng)度和單位激勵(lì)電流作用下霍爾電勢(shì)的大小。

7.1.3霍爾傳感器的工作原理77.1.4霍爾傳感器的特性參數(shù)

由式（7-1）看出，當(dāng)磁場(chǎng)和環(huán)境溫度一定時(shí)，霍爾元件輸出的霍爾電勢(shì)與控制電流I成正比。同樣，當(dāng)控制電流和環(huán)境溫度一定時(shí)，霍爾元件的輸出電勢(shì)與磁感應(yīng)強(qiáng)度B的乘積成正比。用上述的一些線性關(guān)系可以制作多種類型的傳感器。但是，只有磁感應(yīng)強(qiáng)度小于0.5T時(shí)，上述的線性關(guān)系才較好。

霍爾元件的主要特性參數(shù)如下

1．額定控制電流與最大控制電流2．輸入電阻和輸出電阻3.乘積靈敏度4.不等位電勢(shì)和不等位電阻7.1.4霍爾傳感器的特性參數(shù)87.2霍爾傳感器的測(cè)量電路和誤差分析7.2.1霍爾傳感器的測(cè)量電路霍爾元件的基本測(cè)量電路如圖7-4所示?？刂齐娏鱅由電壓源E供給，R是調(diào)節(jié)電阻，用以根據(jù)要求改變I的大小。所施加的外電場(chǎng)B一般與霍爾元件的平面垂直?？刂齐娏饕部梢允墙涣麟姟?/p>

圖7-4霍爾元件的基本測(cè)量電路7.2霍爾傳感器的測(cè)量電路和誤差分析7.2.1霍爾傳感器的97.2.2霍爾傳感器的誤差分析霍爾元件對(duì)溫度的變化很敏感，因此，霍爾元件的輸入電阻、輸出電阻、乘積靈敏度等將受到溫度變化的影響，從而給測(cè)量帶來(lái)較大的誤差。為了減少測(cè)量中的溫度誤差，除了選用溫度系數(shù)小的霍爾元件或采取一些恒溫措施外，也可使用以下的溫度補(bǔ)償方法。（1）恒流源供電恒流源溫度補(bǔ)償電路，如圖7-5所示。圖7-5恒流源溫度補(bǔ)償電路7.2.2霍爾傳感器的誤差分析圖7-5恒流源溫度補(bǔ)償電路10（2）采用熱敏元件對(duì)于由溫度系數(shù)較大的半導(dǎo)體材料制成的霍爾元件，采用圖7-6所示的溫度補(bǔ)償電路，圖中是熱敏元件（熱電阻或熱敏電阻）。圖7-6（a）是在輸入回路進(jìn)行溫度補(bǔ)償?shù)碾娐?；圖7-6（b）則是在輸出回路進(jìn)行溫度補(bǔ)償?shù)碾娐贰Ｔ诎惭b測(cè)量電路時(shí)，熱敏元件最好和霍爾元件封裝在一起或盡量靠近，以使二者的溫度變化一致。(a)在輸入回路進(jìn)行補(bǔ)償；(b)在輸出回路進(jìn)行補(bǔ)償圖7-6采用熱敏元件的溫度補(bǔ)償電路（2）采用熱敏元件(a)在輸入回路進(jìn)行補(bǔ)償；11（3）不等位電勢(shì)的補(bǔ)償

不等位電勢(shì)與霍爾電勢(shì)具有相同的數(shù)量級(jí)，有時(shí)甚至超過(guò)霍爾電勢(shì)。實(shí)用中，若想消除不等位電勢(shì)是極其困難的，因而只有采用補(bǔ)償?shù)姆椒āＳ蓤D7-7看出，不等位電勢(shì)由不等位電阻產(chǎn)生，因此可以用分析電阻的方法找到一個(gè)不等位電勢(shì)的補(bǔ)償方法。圖7-7霍爾元件的等效電路（3）不等位電勢(shì)的補(bǔ)償圖7-7霍爾元件的等效電路12（3）不等位電勢(shì)的補(bǔ)償

一個(gè)矩形霍爾片有兩對(duì)電極，各個(gè)相鄰電極之間有4個(gè)電阻，因而可以把霍爾元件視為一個(gè)4臂電阻電橋，如圖7-8所示

，這樣不等位電勢(shì)就相當(dāng)于電橋的初始不平衡輸出電壓。理想情況下，不等位電勢(shì)為零，即電橋平衡，相當(dāng)于，則所有能夠使電橋達(dá)到平衡的方法均可用于補(bǔ)償不等位電勢(shì)，使不等位電勢(shì)為零。圖7-8電勢(shì)的補(bǔ)償電路（3）不等位電勢(shì)的補(bǔ)償圖7-8電勢(shì)的補(bǔ)償電路13（1）基本補(bǔ)償電路霍爾元件的不等位電勢(shì)補(bǔ)償電路有很多形式，圖7-9為兩種常見電路，圖7-9（a）是在造成電橋不平衡的電阻值較大的一個(gè)橋臂上并聯(lián)，通過(guò)調(diào)節(jié)使電橋達(dá)到平衡狀態(tài)，稱為不對(duì)稱補(bǔ)償電路；圖7-9（b）則相當(dāng)于在兩個(gè)電橋臂上并聯(lián)調(diào)用電阻，稱為對(duì)稱補(bǔ)償電路。(a)不對(duì)稱補(bǔ)償；(b)對(duì)稱電路圖7-9不對(duì)稱電勢(shì)的基本補(bǔ)償電路（1）基本補(bǔ)償電路(a)不對(duì)稱補(bǔ)償；14（2）具有溫度補(bǔ)償?shù)难a(bǔ)償電路圖7-10是一種常見的具有溫度補(bǔ)償?shù)牟坏任浑妱?shì)補(bǔ)償電路。其中一個(gè)橋?yàn)闊崦綦娮?，并且與霍爾元件的等效電路的溫度特性相同。在磁感應(yīng)強(qiáng)度B為零時(shí)調(diào)節(jié)和，使補(bǔ)償電壓抵消霍爾元件，此時(shí)輸出不等位電勢(shì)，從而使B=0時(shí)的總輸出電壓為零。圖7-10不等位電勢(shì)的橋式補(bǔ)償電路（2）具有溫度補(bǔ)償?shù)难a(bǔ)償電路圖7-10不等位電勢(shì)的橋式補(bǔ)償15

7.3霍爾傳感器的應(yīng)用電路霍爾元件具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、重量輕、頻帶寬、動(dòng)態(tài)性能好和壽命長(zhǎng)等許多優(yōu)點(diǎn)，因而得到廣泛應(yīng)用。在電磁測(cè)量中，用它測(cè)量恒定的或交變的磁感應(yīng)強(qiáng)度、有功功率、無(wú)功功率、相位、電能等參數(shù)；在自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)中，多用于位移、壓力的測(cè)量。7.3霍爾傳感器的應(yīng)用電路霍爾元件具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、重16

7.3霍爾傳感器的應(yīng)用電路1.霍爾接近開關(guān)霍爾接近開關(guān)電路如圖7-11所示。它是一個(gè)無(wú)接觸磁控開關(guān)，當(dāng)磁鐵靠近時(shí)，開關(guān)接通；當(dāng)磁鐵離開后，開關(guān)斷開。圖7-12為常見霍爾接近開關(guān)的實(shí)物圖。圖7-11霍爾接近開關(guān)

7.3霍爾傳感器的應(yīng)用電路1.霍爾接近開關(guān)圖7-11霍爾171.霍爾接近開關(guān)圖7-12常見霍爾接近開關(guān)實(shí)物圖1.霍爾接近開關(guān)圖7-12常見霍爾接近開關(guān)實(shí)物圖182.霍爾式壓力傳感器霍爾元件組成的壓力傳感器基本包括兩部分：一部分是彈性元件，如彈簧管或膜盒等，用它感受壓力，并把它轉(zhuǎn)換成位移量；另一部分是霍爾元件和磁路系統(tǒng)。圖7-13所示為霍爾式壓力傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖。其中，彈性元件是彈簧管，當(dāng)被測(cè)壓力發(fā)生變化時(shí)，彈簧管端部發(fā)生位移，帶動(dòng)霍爾片在均勻梯度磁場(chǎng)中移動(dòng)，作用在霍爾片的磁場(chǎng)發(fā)生變化，輸出的霍爾電勢(shì)隨之改變。圖7-13霍爾式壓力傳感器結(jié)構(gòu)示意圖2.霍爾式壓力傳感器圖7-13霍爾式壓力傳感器結(jié)構(gòu)示意圖193.霍爾式轉(zhuǎn)速傳感器霍爾元件圖7-14是幾種不同結(jié)構(gòu)的霍爾式轉(zhuǎn)速傳感器。轉(zhuǎn)盤的輸入軸與被測(cè)轉(zhuǎn)軸相連，當(dāng)被測(cè)轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，轉(zhuǎn)盤隨之轉(zhuǎn)動(dòng)，固定在轉(zhuǎn)盤附近的霍爾傳感器便可在每一個(gè)小磁場(chǎng)通過(guò)時(shí)產(chǎn)生一個(gè)相應(yīng)的脈沖，檢測(cè)出單位時(shí)間的脈沖數(shù)，便可知道被測(cè)轉(zhuǎn)速。根據(jù)磁性轉(zhuǎn)盤上小磁鐵數(shù)目就可確定傳感器測(cè)量轉(zhuǎn)速的分辨率。圖7-14霍爾式轉(zhuǎn)速傳感器3.霍爾式轉(zhuǎn)速傳感器圖7-14霍爾式轉(zhuǎn)速傳感器204.電動(dòng)機(jī)停轉(zhuǎn)報(bào)警器

電動(dòng)機(jī)停轉(zhuǎn)報(bào)警電路如圖7-15所示，該電路主要由霍爾檢測(cè)、報(bào)警電路兩個(gè)部分組成。當(dāng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，安裝在電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的磁鐵以一定的頻率經(jīng)過(guò)霍爾傳感器，霍爾傳感器不斷地輸出脈沖信號(hào)，使揚(yáng)聲器發(fā)出聲音。

圖7-15電動(dòng)機(jī)停轉(zhuǎn)報(bào)警電路4.電動(dòng)機(jī)停轉(zhuǎn)報(bào)警器圖7-15電動(dòng)機(jī)停轉(zhuǎn)報(bào)警電路21

5.霍爾式汽車無(wú)觸點(diǎn)點(diǎn)火裝置傳統(tǒng)的機(jī)電汽缸點(diǎn)火裝置使用機(jī)械式的分電器，存在著點(diǎn)火時(shí)間不準(zhǔn)確、觸點(diǎn)易磨損等缺點(diǎn)。采用霍爾開關(guān)無(wú)觸點(diǎn)晶體管點(diǎn)火裝置可以克服上述缺點(diǎn)，提高燃燒效率。四汽缸汽車點(diǎn)火裝置如圖7-16所示，圖中的磁輪鼓代替了傳統(tǒng)的凸輪及白金觸點(diǎn)。圖7-16霍爾點(diǎn)火裝置示意圖5.霍爾式汽車無(wú)觸點(diǎn)點(diǎn)火裝置圖7-16霍爾點(diǎn)火裝置示意圖22

5.霍爾式汽車無(wú)觸點(diǎn)點(diǎn)火裝置傳統(tǒng)的機(jī)電汽缸點(diǎn)火裝置使用機(jī)械式的分電器，存在著點(diǎn)火時(shí)間不準(zhǔn)確、觸點(diǎn)易磨損等缺點(diǎn)。采用霍爾開關(guān)無(wú)觸點(diǎn)晶體管點(diǎn)火裝置可以克服上述缺點(diǎn)，提高燃燒效率。四汽缸汽車點(diǎn)火裝置如圖7-16所示，圖中的磁輪