《傳感器技術及應用》課件第6章 霍爾式傳感器

第6章霍爾式傳感器本章內容

6.1霍爾效應及霍爾元件

6.2應用舉例

學習目標

了解霍爾效應、霍爾元件電路符號、基本特性和基本結構。掌握霍爾元件的典型應用。6.1霍爾效應及霍爾元件

6.1.1霍爾效應

霍爾式傳感器是利用半導體在磁場中的霍爾效應制成的一種傳感器。1879年美國物理學家霍爾首先在金屬材料中發(fā)現了霍爾效應，但由于金屬材料的霍爾效應太弱而沒有得到應用。隨著半導體技術的發(fā)展，開始用半導體材料制成霍爾元件，由于它的霍爾效應顯著而得到應用和發(fā)展。

金屬或半導體薄片在磁場中，當有電流流過時，在垂直于電流和磁場的方向上將產生電動勢，這種物理現象稱為霍爾效應。該電勢稱為霍爾電勢?；魻栃脑韴D如圖6-1所示。圖中為N型半導體薄片，在半導體左右兩端通以電流I（稱為控制電流）。當沒有外加磁場作用時，半導體中電子沿直線運動。當在半導體正面垂直方向加上磁場B時，電子在洛侖茲力FL的作用下向內側偏移，這樣在半導體內側方向積聚大量的電子，而外側則積聚大量的正電荷，上下兩個側面間形成電場，這一電場就是霍爾電場。圖3-1變磁阻式傳感器1—線圈；2—鐵芯（定鐵芯）；3—銜鐵（動鐵芯）該電場強度為

（6-1）式中：UH——電勢差。圖6-1霍爾效應原理圖洛侖茲力FL的大小為

FL=eBv （6-2）

該電場的電場力又阻礙電子的偏移，當電場力FE與洛侖茲力相等時，即

eEH=eBv（6-3）則EH=Bv（6-4）

此時電荷不在向兩側面積累，達到平衡狀態(tài)。若金屬導電板單位體積內電子數為n，電子定向運動平均速度為v，則激勵電流I=nevbd，則（6-5）

將式（6-5）代入式（6-4），得

（6-6）將式（6-6）代入式（6-1），得

（6-7）式中：令RH=1/ne，稱之為霍爾常數，其大小取決于導體載流子密度。則

（6-8）式中：KH=RH/d稱為霍爾片的靈敏度。從上面的公式可以看出，霍爾電勢正比于電流強度和磁場強度，且與霍爾元件的形狀有關。在電流強度恒定，元件形狀確定的情況下，霍爾電勢正比于磁場強度。當所加磁場方向改變時，霍爾電勢的符號也隨著改變，因此，利用霍爾元件可以測量磁場的大小和方向。

6.1.2霍爾元件的基本結構

霍爾元件是根據霍爾效應原理制成的磁電轉換元件，常用鍺、硅、砷化鎵、砷化銦及銻化銦等半導體材料制成。用銻化銦制成的霍爾元件靈敏度最高，但受溫度的影響較大。用鍺制成的霍爾元件雖然靈敏度低，但它的溫度特性及線性度好。目前使用銻化銦霍爾元件的場合較多。如圖6-2（a）所示是霍爾元件的外形結構圖，它由霍爾片、四根引線和殼體組成，激勵電極通常用紅色線，而霍爾電極通常用綠色或黃色線表示。

（a）（b）圖6-2霍爾元件（a）外形示意圖；（b）圖形符號

1、1′—激勵電極；2、2′—霍爾電極

6.1.3霍爾元件的基本特性1、輸入電阻和輸出電阻

霍爾元件激勵電極之間電阻為輸入電阻，霍爾電極輸出電勢對于電路外部來說相當于一個電壓源，其電源內阻即為輸出電阻。當壓力進入膜盒時，膜盒的頂端在壓力P的作用下產生與壓力P大小成正比的位移。于是銜鐵也發(fā)生移動，從而使氣隙發(fā)生變化，流過線圈的電流也發(fā)生相應的變化，電流表指示值就反映了被測壓力的大小。

2、額定激勵電流當霍爾元件自身溫升10℃時所流過的激勵電流稱為額定激勵電流。3、不等位電勢U0和不等位電阻r0

霍爾元件在額定激勵電流作用下，若元件不加外磁場，輸出的霍爾電勢的理想值應為零，但實際不等于零，此時的空載霍爾電勢稱為不等位電勢。原因有以下幾方面。（1）存在電極的安裝位置不對稱；（2）半導體材料電阻率不均衡或幾何尺寸不均勻；（3）激勵電極接觸不良造成激勵電流不均勻分布等。不等位電勢也可以用不等位電阻ro表示，其值為不等位電勢與激勵電流I的比值，如圖6-3所示。

圖6-3不等位電阻4、寄生直流電勢（霍爾元件零位誤差的一部分）當沒有外加磁場，霍爾元件用交流控制電流，霍爾電極的輸出有一個直流電勢，稱為寄生直流電勢。其產生的原因有：（1）控制電極和霍爾電極與基片的連接是非完全歐姆接觸時，會產生整流效應。（2）兩個霍爾電極焊點的不一致，引起兩電極溫度不同產生溫差電勢。

5、霍爾電勢的溫度系數α

在一定的磁感應強度和控制電流下，溫度每變化1℃時，霍爾電勢的相對變化率稱為霍爾電勢溫度系數，用α表示。α有正負之分，α為負值表示器件的UH隨溫度升高而下降。α越小越好。6、霍爾靈敏度KH由式6-9可知，KH是指I為單位電流，B為單位磁感應強度，霍爾電極為開路（R=∞）時的霍爾電勢。（6-9）

7、磁非線性度NL

在一定控制電流下，UH與B成線性的關系式具有近似性，再加上結構設計和工藝制備方面的原因，實際上對線性有一定程度的偏離。磁非線性度NL定義為

NL=×100%

（6-10）和

分別為在一定磁場B下，霍爾電勢的測量值和按式6-9的計算值。一般NL為10﹣3數量級。NL越小越好。

8、工作溫度范圍在UH的公式中含有電子濃度n，當器件溫度過高或過低，n將大幅度變大或變小，使器件不能正常工作。銻化銦的正常工作溫度范圍是0℃～+40℃，鍺為-40℃～+75℃，硅為-60℃～+150℃。砷化鎵為-60℃～+200℃。9、內阻溫度系數β器件輸入電流和輸入電阻隨溫度而有所變化的變化率。內阻溫度系數約為10—3℃數量級。β越小越好。

10、磁靈敏度KB

當控制電流為額定控制電流時，單位磁感應強度產生的開路霍爾電勢為KB。典型的砷化鎵霍爾器件主要參數如表6-1所示。表6-1典型的砷化鎵霍爾器件主要參數項目符號測試條件典型值單位額定功耗P0T=25℃25mW開路靈敏度KHIH=1mA，B=1kGs①20mV/（mA·kGs）不等位電動勢U0IH=1mA，B=00.1mV最大工作電流Imt=60℃20mA最大磁感應強度B

mIm=10mA7kGs

表6-1典型的砷化鎵霍爾器件主要參數項目符號測試條件典型值單位輸入電阻R

iIH=0.1mA，B=0500Ω輸出電阻R

o500Ω線性度γLB=0~20kGs，IH=1mA0.2%內阻溫度系數aIH=0，B=0，t=-50℃～70℃0.3%/℃靈敏度溫度系數b1.010-4/℃霍爾電動勢溫度系數cIH=1mA，B=1kGs，t=-50℃～70℃-0.1%/℃工作溫度t-40～+125℃續(xù)表注：①1kGs=0.1T6.2應用舉例

6.2.1霍爾式微量位移的測量由霍爾效應可知，當控制電流恒定時，霍爾電壓U與磁感應強度B成正比，若磁感應強度B是位置x的函數，即

UH=kx （6-11）式中：ｋ——位移傳感器靈敏度。則霍爾電壓的大小就可以用來反映霍爾元件的位置。當霍爾元件在磁場中移動時，輸出霍爾電壓U的變化就反映了霍爾元件的位移量Δx。利用上述原理可對微量位移進行測量。

圖6-4為霍爾式位移傳感器的工作原理圖。圖6-4（a）中磁場強度相同的兩塊永久磁鐵，同極性相對地放置，霍爾元件處于兩塊磁鐵中間。由于磁鐵中間的磁感應強度B=0，由此霍爾元件的輸出電壓U也等于零，這時位移Δx=0。若霍爾元件在兩磁鐵中間產生相對位移，霍爾元件感受到的磁感應強度也隨之改變，這時有輸出U，其量值大小反映出霍爾元件與磁鐵之間相對位置的變化量。這種結構的傳感器，其動態(tài)范圍可達5mm，當位移小于2mm時，輸出霍爾電壓與位移之間有良好的線性關系。圖6-4（b）所示的是一種結構簡單的霍爾位移傳感器，是由一塊永久磁鐵組成磁路的傳感器，在霍爾元件處于初始位置Δx=0時，霍爾電壓不等于零。

圖6-4（c）所示的是一個由兩個結構相同的磁路組成的霍爾式位移傳感器，為了獲得較好的線性分布，在磁極端面裝有極靴，霍爾元件調整好初始位置時，可以使霍爾電壓等于零。這種傳感器靈敏度很高，但它所能檢測的位移量較小，適合于微位移量及振動的測量。圖6-4霍爾式位移傳感器的工作原理圖（a）磁場強度相同的傳感器；（b）簡單的位移傳感器；（c）結構相同的位移傳感器

6.2.2霍爾元件在轉速測量上的應用利用霍爾元件測量轉速的工作原理非常簡單，將永久磁體按適當的方式固定在被測軸上，霍爾元件置于磁鐵的氣隙中，當軸轉動時，霍爾元件輸出的電壓則包含有轉速的信息，該電壓經后續(xù)電路處理，便可得到轉速的數據。如圖6-5（a）、（b）是兩種測量轉速方法的示意圖。

（a）（b）（c）（d）圖6-5幾種霍爾式轉速傳感器的結構1—輸入軸；2—轉盤；3—小磁鐵；4—霍爾傳感器

6.2.3構成金屬計數器

如圖6-6所示是應用于計數的霍爾接近開關原理圖。當帶磁性的物體接近霍爾元件時，霍爾元件就輸出一個脈沖電壓，經過放大整形后驅動光電管工作，計數器便進行計數，并由顯示器進行顯示。

圖6-6霍爾式接近開關應用于計數電原理圖6.2.4霍爾式接近開關的應用

利用霍爾效應可以制成開關型傳感器，廣泛應用于測轉速、制作接近開關等。如圖6-7所示是霍爾式接近開關原理圖及工作特性曲線。它主要由霍爾元件、放大電路、整形電路、輸出驅動及穩(wěn)壓電路5部分組成。

（a）（b）圖6-7霍爾式接近開關原理及開關特性（a）原理圖；（b）工作特性曲線

由工作特性曲線可見，霍爾式接近開關工作時具有一定的磁滯特性，可以使開關更可靠工作。圖中BH為工作點“開”的磁場強度，BL為釋放點“關”的磁場強度。

本章小結霍爾式傳感器是利用半導體在磁場中的霍爾效應制成的一種傳感器。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