測量集成霍爾傳感器的靈敏度

測量集成霍爾傳感器的靈敏度第1頁，課件共35頁，創(chuàng)作于2023年2月8.1霍爾效應及霍爾元件8.1霍爾效應及霍爾元件8.1.1霍爾效應位于磁場中的靜止載流導體，當其電流I的方向與磁場強度H的方向之間有夾角α時，則在載流導體中平行與H、I的兩側面之間將產生電動勢，這一物理現象稱為霍爾效應。第2頁，課件共35頁，創(chuàng)作于2023年2月如圖8-1所示，

圖8-1霍爾效應原理第3頁，課件共35頁，創(chuàng)作于2023年2月其洛侖茲力大小可表示為

FL=－q0vB

靜電場對電子的作用力上式連立:第4頁，課件共35頁，創(chuàng)作于2023年2月式中:霍爾系數（m3/C）霍爾器件的靈敏系數8.1.2霍爾元件和測量電路１．霍爾元件霍爾元件的結構如圖8-2所示。第5頁，課件共35頁，創(chuàng)作于2023年2月

圖中的矩形薄片狀的立方晶體稱為基片，在它的兩垂側面上各裝有一對電極，電極1-1用以加激勵電壓或流過激勵電流，故稱為激勵電極，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。第6頁，課件共35頁，創(chuàng)作于2023年2月圖8-2外形結構示意圖圖8-3圖形符號第7頁，課件共35頁，創(chuàng)作于2023年2月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。激勵電流由電壓源E供給，其大小由可變電阻來調節(jié)。8-5基本測量電路第8頁，課件共35頁，創(chuàng)作于2023年2月(2)霍爾元件的輸出電路在實際應用中，要根據不同的使用要求采用不同的連接電路方式。如在直流激勵電流情況下，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，如圖8-6（a）所示。在交流激勵電流情況下，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(b)交流激勵圖8-6霍爾元件的輸出電路第9頁，課件共35頁，創(chuàng)作于2023年2月8.1.3霍爾元件的主要特性參數1．輸入電阻Ri和輸出電阻Ro

定義霍爾元件激勵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．額定激勵電流IN和最大允許激勵電流Imax

霍爾元件在空氣中產生的溫升為10℃時，所對應的激勵電流稱為額定激勵電流IN。以元件允許的最大溫升為限制，所對應的激勵電流稱為最大允許激勵電流Imax。

第10頁，課件共35頁，創(chuàng)作于2023年2月3．不等位電勢和不等位電阻當霍爾元件的激勵電流為額定值IN時，若元件所處位置的磁感應強度為零，則它的霍爾電勢應該為零，但實際不為零，這時測得的空載霍爾電勢稱為不等位電勢。

產生原因:主要由霍爾電極安裝不對稱造成的,由于半導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對稱，也會產生不等位電勢。第11頁，課件共35頁，創(chuàng)作于2023年2月補償方法:

任意兩相鄰的電極之間可視為一個等效電阻,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,因此采用加調零電位器的方法很好.如圖8-7所示.第12頁，課件共35頁，創(chuàng)作于2023年2月4．交流不等位電勢與寄生直流電勢在不加外磁場的情況下，霍爾元件使用交流激勵時，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生則是由于：（1）霍爾電極與基片間的非完全歐姆接觸而產生的整流效應。（2）霍爾電極與基片間的非完全歐姆接觸而產生的整流效應，使激勵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）當兩個霍爾電極的焊點大小不同時，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生溫差電勢，也是寄生直流電勢的一部分。第13頁，課件共35頁，創(chuàng)作于2023年2月

寄生直流電勢可用圖8-8所示電路測量，經變壓器降壓后的交流電源供給霍爾元件的激勵電流，直流電位差計UJ-30的顯示靈敏度應大于10-7V。

圖8-8測量寄生直流電勢的電路圖第14頁，課件共35頁，創(chuàng)作于2023年2月5．霍爾電勢溫度系數α

在一定磁感應強度和激勵電流下，溫度每變化1℃時，霍爾電勢變化的百分率，稱為霍爾電勢溫度系數α。6．霍爾靈敏系數KH

在單位控制電流和單位磁感應強度作用下，霍爾器件輸出端的開路電壓，稱為霍爾靈敏系數KH，霍爾靈敏系數KH的單位為V/（A·T）。第15頁，課件共35頁，創(chuàng)作于2023年2月8.1.4霍爾器件的材料選擇以N型半導體材料為好.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，課件共35頁，創(chuàng)作于2023年2月8.2霍爾集成傳感器8.2.1霍爾開關集成傳感器1．工作原理圖8-9霍爾開關集成傳感器原理框圖第17頁，課件共35頁，創(chuàng)作于2023年2月（1）霍爾元件：在0.1T磁場作用下，霍爾元件開路時可輸出20mV左右的霍爾電壓，當有負載時輸出10mV左右的霍爾電壓。（2）差分放大器：放大器將霍爾電壓放大，以便驅動后一級整形電路。（3）整形電路：一般采用施密特觸發(fā)器，它把經差分放大的電壓整形為矩形脈沖，實現A/D轉換。（4）輸出管：由一個或兩個三極管組成，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，課件共35頁，創(chuàng)作于2023年2月2．霍爾開關集成傳感器的特性（1）磁特性霍爾開關集成傳感器的磁特性是指由高電平翻轉為低電平的導通磁感應強度B（H→L）、由低電平翻轉為高電平的截止磁感應強度B（L→H）和磁感應強度的滯環(huán)寬度.

滯環(huán)寬度對霍爾開關集成傳感器是必需的，因為在導通磁感應強度B（H→L）附近，如果沒有滯環(huán)效應或滯環(huán)效應很小，那么由于磁噪聲或磁鋼振動等原因，會使電路的輸出反復開啟和關閉，形成類似于自激振蕩現象。為防止這種現象的產生，必須具有一定寬度的滯環(huán)。但如果這種滯環(huán)寬度過大，對開關動作也是不利的，因為要求磁場變化幅度很大，有可能不發(fā)生動作而出現漏計現象。第19頁，課件共35頁，創(chuàng)作于2023年2月

我國CS型開關集成霍爾傳感器的滯環(huán)寬度典型值為6×10-3T。圖8-10給出了霍爾開關集成傳感器磁電轉換特性曲線，橫坐標表示作用于霍爾元件上的正向磁感應強度。8-10霍爾開關集成傳感器輸出特性第20頁，課件共35頁，創(chuàng)作于2023年2月（2）電特性

霍爾開關集成傳感器的電特性是指它的輸出電性能，標志它的輸出電性能的主要參數有輸出高電平UOH、輸出低電平UOL

、負載電流IOL、輸出漏電流IOH、截止電源電流ICCH和導通電源電流ICCL等參數。第21頁，課件共35頁，創(chuàng)作于2023年2月第22頁，課件共35頁，創(chuàng)作于2023年2月（3）溫度特性

霍爾開關集成傳感器參數也隨溫度的變化而變化，在此主要討論它的導通磁感應強度B（H→L）、截止磁感應強度B（L→H）和滯環(huán)寬度的溫度特性由圖8-11（a）可以看出，導通磁感應強度的溫度系數約為（1.5~2）×10-4T/℃，是正溫度系數。從B（H→L）與B（L→H）特性曲線的差值中算出滯環(huán)寬度的溫度系數約為－0.2%～－0.3%℃，是負溫度系數。圖8-11（b）給出了CS型霍爾開關集成傳感器兩個磁特性參數隨電源電壓E的變化曲線。從圖中可以看出，B（H→L）和B（L→H）參數在電源電壓E＜6V時，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小；在電源電壓E＞8V時，這三個參數基本變化不大。第23頁，課件共35頁，創(chuàng)作于2023年2月

圖8-11霍爾開關集成傳感器溫度特性第24頁，課件共35頁，創(chuàng)作于2023年2月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、電壓調整電路、電流放大輸出級、失調調整和線性度調整部分集成在一塊芯片上，其特點是輸出電壓隨外加磁感應強度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，它們的結構如圖8-12（a）、（b）所示。第25頁，課件共35頁，創(chuàng)作于2023年2月

（a）SL3501T型結構（單端輸出）(b)SL3501M型結構（雙端輸出）

圖8-12線性集成霍爾傳感器的電路結構第26頁，課件共35頁，創(chuàng)作于2023年2月8.3霍爾傳感器的應用

由于霍爾傳感器具有在靜態(tài)狀態(tài)下感受磁場的獨特能力，而且它具有結構簡單、體積小、重量輕、頻帶寬（從直流到微波）、動態(tài)特性好和壽命長、無觸點等許多優(yōu)點，因此在測量技術，自動化技術和信息處理等方面有著廣泛應用。歸納起來，霍爾傳感器有三個方面的用途：（1）當控制電流不變時，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強度，利用這一關系可反映位置、角度或勵磁電流的變化。（2）當控制電流與磁感應強度皆為變量時，傳感器的輸出與這兩者乘積成正比。在這方面的應用有乘法器、功率計以及除法、倒數、開方等運算器，此外，也可用于混頻、調制、解調等環(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，在這方面的應用受到一定的限制，這有待于元件的材料、工藝等方面的改進或電路上的補償措施。（3）若保持磁感應強度恒定不變，則利用霍爾電壓與控制電流成正比的關系，可以組成回轉器、隔離器和環(huán)行器等控制裝置。

第27頁，課件共35頁，創(chuàng)作于2023年2月8.3.1霍爾位移傳感器圖8-13霍爾位移傳感器第28頁，課件共35頁，創(chuàng)作于2023年2月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，課件共35頁，創(chuàng)作于2023年2月8.3.3利用霍爾傳感器實現無接觸式仿型加工

圖8-15無接觸式仿型加工原理示意圖第30頁，課件共35頁，創(chuàng)作于2023年2月8.3.4自動供水裝置圖8-16自動供水裝置第31頁，課件共35頁，創(chuàng)作于2023年2月8.3.5霍爾元件在磁性材料研究中的應用圖8-17研究閉合材料試樣磁特性的線路框圖第32頁，課件共35頁，創(chuàng)作于2023年2月8.3.6非接觸式鍵盤開關

圖8-18用霍爾開關集成傳感器構成的按鈕第33頁，課件共35頁，創(chuàng)作于2023年2月本章小結

位于磁場中的靜止載流導體，當電流I的方向與磁場強度H的方向垂直時，則在載流導體中平行與H、I的兩側面之間將產生電動勢，這個電動勢稱為霍爾電勢，這種物理現象稱為霍爾效應。利用霍爾效應原理制成的傳感器稱為霍爾傳感器?；魻杺鞲衅饔蟹至⒃剑ê喎Q霍爾元件）和集成式（簡稱霍爾集成傳感器）兩種?；魻栐Ｓ面N、硅、砷化鎵、砷化銦及銻化銦等半導體材料制作而成?；魻柤蓚鞲衅魇菍⒒魻柶骷⒎糯箅娐?、電壓調整電路、電流放大輸出級、失調調整和線性度調整部分