霍尔传感器工程实践课件

1、磁敏传感器 磁敏传感器是对磁场参量(B,H,)敏感的元器件或装置 ,具有把磁学物理量转换为电信号的功能。霍尔磁敏传感器霍尔磁敏传感器 半导体磁敏传感器半导体磁敏传感器霍尔磁敏传感器霍尔磁敏传感器 （一）霍尔效应（一）霍尔效应 通电的导体或半导体，在垂直于电流和磁通电的导体或半导体，在垂直于电流和磁场的方向上将产生电动势的现象。场的方向上将产生电动势的现象。+I+ +lwd霍尔效应原理图VH（二）霍尔磁敏传感器工作原理（二）霍尔磁敏传感器工作原理 设霍尔片的长度为l，宽度为w，厚度为d。又设电子以均匀的速度v运动，则在垂直方向施加的磁感应强度B的作用下，它受到洛仑兹力q电子电量(1.6210-1

2、9C)； v电于运动速度。同时，作用于电子的电场力 qvBfLwqVqEfHHE/wqVqvBH/当达到动态平衡时dnqvwdjwIdnqwIv/pqdIBVH/霍尔电势VH与 I、B的乘积成正比，而与d成反比。于是可改写成： dIBRVHHHR电流密度j=nqvnN型半导体中的电子浓度N型半导体P型半导体 霍尔系数，由载流材料物理性质决定。材料电阻率pP型半导体中的孔穴浓度型）（型）（PqpRNqnRHH11载流子迁移率,=v/E,即单位电场强度作用下载流子的平均速度。金属材料，电子金属材料，电子很高但很高但很小，绝缘材料，很小，绝缘材料，很高但很高但很小。很小。故为获得较强霍尔效应，霍尔片

3、全部采用半导体材料制成。故为获得较强霍尔效应，霍尔片全部采用半导体材料制成。设 KH=RH / d KH霍尔器件的乘积灵敏度。它与载流材料的物理性质和几何尺寸有关，表示在单位磁感应强度和单位控制电流时霍尔电势的大小。 若磁感应强度B的方向与霍尔器件的平面法线夹角为时，霍尔电势应为： VH KH I B VH KH I B cos 注意：当控制电流的方向或磁场方向改变时，输出注意：当控制电流的方向或磁场方向改变时，输出霍霍尔电尔电势的方向也改变。但当磁场与电流同时改变方势的方向也改变。但当磁场与电流同时改变方向时，向时，霍尔电霍尔电势并不改变方向。势并不改变方向。霍尔器件片(a)实际结构(mm)

4、；(b)简化结构；(c)等效电路外形尺寸:6.43.10.2;有效尺寸：5.42.70.2（三）霍尔磁敏传感器（霍尔器件）（三）霍尔磁敏传感器（霍尔器件）dsl（b）2.15.42.7AB0.20.50.3CD（a）w电流极霍尔电极R4ABCDR1R2R3R4（c）霍尔输出端的端子C、D相应地称为霍尔端或输出端。若霍尔端子间连接负载,称为霍尔负载电阻或霍尔负载。电流电极间的电阻，称为输入电阻，或者控制内阻。霍尔端子间的电阻，称为输出电阻或霍尔侧内部电阻。 器件电流(控制电流或输入电流):流入到器件内的电流。电流端子A、B相应地称为器件电流端、控制电流端或输入电流端。H霍耳器件符号AAABBBC

5、CCDDD关于霍尔器件符号，名称及型号，国内外尚无统一规定，为叙述方便起见，暂规定下列名称的符号。 控制电流I；霍尔电势VH；控制电压V；输出电阻R2；输入电阻R1；霍尔负载电阻R3；霍尔电流IH。 图中控制电流I由电源E供给,R为调节电阻,保证器件内所需控制电流I。霍尔输出端接负载R3,R3可是一般电阻或放大器的输入电阻、或表头内阻等。磁场B垂直通过霍尔器件,在磁场与控制电流作用下，由负载上获得电压。VHR3VBIEIH霍尔器件的基本电路R实际使用时,器件输入信号可以是I或B，或者IB,而输出可以正比于I或B, 或者正比于其乘积IB。IKBIdRVIHHVKVRKBVdRRVVHH1111上

6、两式是霍尔器件中的基本公式。即：输入电流或输入电压和霍尔输出电势完全呈线性关系。如果输入电流或电压中任一项固定时，磁感应强度和输出电势之间也完全呈线性关系。同样，若给出控制电压V，由于V=R1I，可得控制电压和霍尔电势的关系式设霍尔片厚度d均匀，电流I和霍尔电场的方向分别平行于长、短边界，则控制电流I和霍尔电势VH的关系式（四）基本特性（四）基本特性 1、直线性：指霍尔器件的输出电势VH分别和基本参数I、V、B之间呈线性关系。VH=KHBI 2、灵敏度：可以用乘积灵敏度或磁场灵敏度以及电流灵敏度、电势灵敏度表示：KH乘积灵敏度，表示霍尔电势VH与磁感应强度B和控制电流I乘积之间的比值，通常以m

7、V/(mA0.1T)。因为霍尔元件的输出电压要由两个输入量的乘积来确定,故称为乘积灵敏度乘积灵敏度。KB磁场灵敏度，通常以额定电流为标准。磁场灵敏度等于霍尔元件通以额定电流时每单位磁感应强度对应的霍尔电势值。常用于磁场测量等情况。 KI电流灵敏度，电流灵敏度等于霍尔元件在单位磁感应强度下电流对应的霍尔电势值。若控制电流值固定，则：VHKBB若磁场值固定，则：VHKI I3、额定电流：霍尔元件的允许温升规定着一个最大控制电流。4、最大输出功率 在霍尔电极间接入负载后，元件的功率输出与负载的大小有关，当霍尔电极间的内阻R2等于霍尔负载电阻R3时，霍尔输出功率为最大。 22max4/ RVPHO5、

8、最大效率 霍尔器件的输出与输入功率之比，称为效率，和最大输出对应的效率，称为最大效率，即：1222maxmax4/RIRVPPHinO6、负载特性 当霍尔电极间串接有负载时，因为流过霍尔电流，在其内阻上将产生压降，故实际霍尔电势比理论值小。由于霍尔电极间内阻和磁阻效应的影响，霍尔电势和磁感应强度之间便失去了线性关系。如图所示。 8060402000.20.40.60.81.0VH/mV=7.0=1.5=3.0B/T理论值理论值实际值实际值VHR3I霍尔电势的负载特性=R3/R2 霍尔电势随负载电阻值而改变的情况7、温度特性：指霍尔电势或灵敏度的温度特性，以及输入阻抗和输出阻抗的温度特性。它们可

9、归结为霍尔系数和电阻率（或电导率）与温度的关系。霍尔材料的温度特征霍尔材料的温度特征（a）RH与温度的关系；（与温度的关系；（b）与温度的关系与温度的关系RH/cm2/A-1-1250200150100504080120160200LnSbLnAsT/0246/710-3cmLnAs20015010050LnSbT/0双重影响双重影响：元件电阻，采用恒流供电；载流子迁移率，影响灵敏度。二者相反。8、频率特性u磁场恒定，而通过传感器的电流是交变的。磁场恒定，而通过传感器的电流是交变的。器件的频率特性很好，到10kHz时交流输出还与直流情况相同。因此,霍尔器件可用于微波范围,其输出不受频率影响。

10、u磁场交变。磁场交变。霍尔输出不仅与频率有关，而且还与器件的电导率、周围介质的磁导率及磁路参数(特别是气隙宽度)等有关。这是由于在交变磁场作用下，元件与导体一样会在其内部产生涡流的缘故。 总之，在交变磁场下，当频率为数十kHz时，可以不考虑频率对器件输出的影响，即使在数MHz时，如果能仔细设计气隙宽度，选用合适的元件和导磁材料，仍然可以保证器件有良好的频率特性的。 霍尔开关集成传感器是利用霍尔效应与集成电路技术结合而制成的一种磁敏传感器，它能感知一切与磁信息有关的物理量，并以开关信号形式输出。霍尔开关集成传感器具有使用寿命长、无触点磨损、无火花干扰、无转换抖动、工作频率高、温度特性好、能适应恶

11、劣环境等优点。（五）（五） 霍尔开关集成传感器霍尔开关集成传感器由稳压电路、霍尔元件、放大器、整形电路、开路输出五部分组成。 稳压电路稳压电路可使传感器在较宽的电源电压范围内工作；开路输出开路输出可使传感器方便地与各种逻辑电路接口。 1 1霍尔开关集成传感器的结构及工作原理霍尔开关集成传感器的结构及工作原理霍尔开关集成传感器内部结构框图23输出+稳压VCC1霍尔元件放大BT整形地H 3020T输出输出VoutR=2k+12V123（b）应用电路）应用电路 （a）外型）外型 霍尔开关集成传感器的外型及应用电路霍尔开关集成传感器的外型及应用电路1232 2霍尔开关集成传感器的工作特性曲线霍尔开关集

12、成传感器的工作特性曲线 从工作特性曲线上可以看出，工作特性有一定的磁滞BH，这对开关动作的可靠性非常有利。 图中的BOP为工作点“开”的磁感应强度，BRP为释放点“关”的磁感应强度。霍尔开关集成传感器的工作特性曲线霍尔开关集成传感器的工作特性曲线VOUT/V12ONOFFBRPBOPBHB霍尔开关集成传感器的技术参数： 工作电压 、磁感应强度、输出截止电压、 输出导通电流、工作温度、工作点。0 该曲线反映了外加磁场与传感器输出电平的关系。当外加磁感强度高于BOP时，输出电平由高变低，传感器处于开状态。当外加磁感强度低于BRP时，输出电平由低变高，传感器处于关状态。 3 3霍尔开关集成传感器的应

13、用霍尔开关集成传感器的应用 （1）霍尔开关集成传感器的接口电路RLVACVccVccVACVccVACKVccKVccVACVccMOSVOUTVAC霍尔开关集成传感器的一般接口电路霍尔开关集成传感器的一般接口电路VACRL磁铁轴心接近式 在磁铁的轴心方向垂直于传感器并同传感器轴心重合的条件下，霍尔开关集成传感器的L1-B关系曲线NSAlNiCo 磁铁6.4320.100.080.060.040.0202.557.51012.51517.520距离L1/mmB/TL1随磁铁与传感器的间隔距离的增加,作用在传感器表面的磁感强度衰减很快。当磁铁向传感器接近到一定位置时,传感器开关接通,而磁铁移开到

14、一定距离时开关关断。应用时,如果磁铁已选定,则应按具体的应用场合,对作用距离作合适的选择。 （2）给传感器施加磁场的方式 磁铁侧向滑近式磁铁侧向滑近式 要求磁铁平面与传感器平面的距离不变，而磁铁的轴线与传感器的平面垂直。磁铁以滑近移动滑近移动的方式在传感器前方通过。霍尔开关集成传感器的霍尔开关集成传感器的L2-B关系曲线关系曲线0.100.080.060.040.0202.557.51012.51517.520B/TNS空隙空隙2.05AlNiCo 磁铁磁铁6.432L2距离距离L2/mm采用磁力集中器增加传感器的磁感应强度在霍尔开关应用时，提高激励传感器的磁感应强度是一个重要方面。除选用磁感

15、应强度大的磁铁或减少磁铁与传感器的间隔距离外，还可采用下列方法增强传感器的磁感应强度。SN磁力集中器传感器磁铁磁力集中器安装示意图磁力集中器安装示意图SN磁力集中器传感器磁铁铁底盘在磁铁上安装铁底盘示意图在磁铁上安装铁底盘示意图SN磁铁磁力集中器传感器带有磁力集中器的移动激励方式示意图带有磁力集中器的移动激励方式示意图磁感应强度B/T0.100.080.060.040.0202.557.510磁铁与中心线的距离L2/mmB-L2曲线的对比图曲线的对比图 (a)加磁力集中器的移动激励方式 激励磁场应用实例(b)推拉式 两个磁铁的S极都面对传感器，这样可以得到如图所示的较为线性的特性。N SS N

16、传感器推拉式激励磁场示意图推拉式推拉式L1-B关系曲线关系曲线距离距离L1/mmB/T0.05-0.050-10-5051015-15注意：磁铁S极作用于传感器背面，会抵消传感器正面磁铁S极的激励作用。(c)双磁铁滑近式 为激励传感器开关的接通，往往把磁铁的S极对着传感器正面，如果在传感器的背面也设置一磁铁，使它的N极对着传感器的背面，就会获得大得多的磁场。传感器滑近S N N S 双磁铁滑近式结构示意图 (d)翼片遮挡式 翼片遮挡方法就是把铁片放到磁铁与传感器之间，使磁力线被分流、傍路，遮挡磁场对传感器激励。当磁铁和传感器之间无遮挡时，传感器被磁铁激励而导通；当翼片转动到磁铁和传感器之间时，

17、传感器被关断。翼片遮挡器的形状片状筒状 霍尔开关集成传感器的应用领域：点火系统、保安系统、转速、里程测定、机械设备的限位开关、按钮开关、电流的测定与控制、位置及角度的检测等等(e) 偏磁式 在传感器背面放置固定的磁铁加入偏磁，就可以改变传感器的工作点或释放点。例如。将磁铁的N极粘附在传感器的背面，则传感器在正常情况下处于导通状态，必须在它的正面施加更强的负磁场，才能使它关断。 4.霍尔开关集成传感器的应用领域 1霍尔线性集成传感器的结构及工作原理 霍尔线性集成传感器的输出电压与外加磁场成线性比例关系。这类传感器一般由霍尔元件和放大器组成，当外加磁场时,霍尔元件产生与磁场成线性比例变化的霍尔电压

18、,经放大器放大后输出。在实际电路设计中，为了提高传感器的性能，往往在电路中设置稳压、电流放大输出级、失调调整和线性度调整等电路。霍尔开关集成传感器的输出有低电平或高电平两种状态，而霍尔线性集成传感器的输出却是对外加磁场的线性感应。因此霍尔线性集成传感器广泛用于位置、力、重量、厚度、速度、磁场、电流等的测量或控制。霍尔线性集成传感器有单端输出和双端输出两种，其电路结构如下图。（六）霍尔线性集成传感器（六）霍尔线性集成传感器单端输出传感器的电路结构框图23输出+稳压VCC1霍尔元件放大地H稳压H3VCC地4输出输出18675 双端输出传感器的电路结构框图 单端输出的传感器是一个三端器件，它的输出电

19、压对外加磁场的微小变化能做出线性响应，通常将输出电压用电容交连到外接放大器，将输出电压放大到较高的电平。其典型产品是SL3501T。 双端输出的传感器是一个8脚双列直插封装的器件，它可提供差动射极跟随输出，还可提供输出失调调零。其典型产品是SL3501M。2 2霍尔线性集成传感器的主要技术特性霍尔线性集成传感器的主要技术特性(1)(1) 传感器的输出特性如下图： 磁感应强度B/T5.64.63.62.61.6- -0.3 -0-0.2-0.1-0.100.10.20.3输输出出电电压压U/VSL3501T传感器的输出特性曲线2 2霍尔线性集成传感器的主要技术特性霍尔线性集成传感器的主要技术特性(2)(2) 传感器的输出特性如下图： 2.52.01.51.00.50 0.040.080.120.16 0.200.24输输出出电电压压U/V磁感应强度磁感应强度B/TSL3501M传感器的输出特性曲线00.28 0.32R=0R=15R=100 （七）霍尔磁敏传感器的应用（七）霍尔磁敏传感器的应用 利用霍尔效应制