磁电式传感器霍尔传感器专题教学课件ppt

第六章 磁敏传感器,霍尔传感器 Hall Sensor,霍尔式传感器,霍尔传感器是基于霍尔效应的一种传感器。1879年美国物理学家霍尔首先在金属材料中发现了霍尔效应, 但由于金属材料的霍尔效应太弱而没有得到应用。随着半导体技术的发展, 开始用半导体材料制成霍尔元件, 由于它的霍尔效应显著而得到应用和发展。霍尔传感器广泛用于电磁测量、压力、加速度、振动等方面的测量。 ,霍尔元件是一种四端元件,霍尔式传感器是基于霍尔效应而将被测量转换成电动势输出的一种传感器。霍尔器件是一种磁敏传感器，利用半导体元件对磁场敏感的特性来实现磁电转换，它们可以检测磁场及其变化，可在各种与磁场有关的场合中使用。 按照霍尔器件的功能可将它们分为：霍尔线性器件和霍尔开关器件，前者输出模拟量，后者输出数字量。 霍尔器件具有许多优点，它们的结构牢固，体积小，重量轻，寿命长，安装方便，功耗小，频率高(可达1MHz)，耐振动，不怕灰尘、油污、水汽及盐雾等的污染或腐蚀。 霍尔线性器件的精度高、线性度好；霍尔开关器件无触点、无磨损、输出波形清晰、无抖动、无回跳、位置重复精度高。采用了各种补偿和保护措施的霍尔器件的工作温度范围宽，可达-55+150。,霍尔传感器的工作原理,1霍尔效应,半导体薄片置于磁感应强度为B 的磁场中，磁场方向垂直于薄片，当有电流I 流过薄片时，在垂直于电流和磁场的方向上将产生电动势EH，这种现象称为霍尔效应。,当有图示方向磁场B作用时,作用在半导体薄片上的磁场强度B越强，霍尔电势也就越高。霍尔电势UH可用下式表示： UH=KH IB,霍尔效应演示,当磁场垂直于薄片时，电子受到洛仑兹力的作用，向内侧偏移，在半导体薄片A、B方向的端面之间建立起霍尔电势。,A,B,C,D,一、 霍尔效应,图 霍尔效应,所以，霍尔电压UH可表示为 UH = EH b = vBb,设霍尔元件为N型半导体，当它通电流I时 FL = qvB,当电场力与洛仑兹力相等时，达到动态平衡，这时有 qEH=qvB,故霍尔电场的强度为 EH=vB,流过霍尔元件的电流为 I = dQ / dt =-bdvnq得： v = -I / nqbd,所以： UH = -BI / nqd,若取 RH = -1 / nq 则,RH被定义为霍尔元件的霍尔系数。显然，霍尔系数由半导体材料的性质决定，它反映材料霍尔效应的强弱。,n为半导体中的电子浓度，即单位体积中的电子数，负号表示电子运动方向与电流方向相反。,设,KH即为霍尔元件的灵敏度，它表示一个霍尔元件在单位控制电流和单位磁感应强度时产生的霍尔电压的大小. 单位是mV/（mAT）,材料中电子在电场作用下运动速度的大小常用载流子迁移率来表征，即在单位电场强度作用下，载流子的平均速度值。即,所以,而,比较得出电阻率与霍尔系数RH和载流子迁移率之间的关系：,或,结论： 如果是P型半导体，其载流子是空穴，若空穴浓度为p，同理可得, 霍尔电压UH与材料的性质有关。,由上式可知、大，霍尔系数就大。金属虽然很大，但很小，不宜做成霍尔元件；绝缘材料的 很高，但很小，也不能做霍尔元件。故霍尔传感器中的霍尔元件都是半导体材料制成的。, 霍尔电压UH与控制电流及磁场强度有关。, 霍尔电压UH与元件的尺寸有关。,根据上式，d愈小，KH愈大，霍尔灵敏度愈高.所以霍尔元件的厚度都比较薄，薄膜霍尔元件的厚度只有1m左右。但d过小，会使元件的输入、输出电阻增加。,可以推出，霍尔电动势UH的大小为：,式中：kH为灵敏度系数，kH= RH/d，表示在单位磁感应强度和单位控制电流时的霍尔电动势的大小,与材料的物理特性（霍尔系数）和几何尺寸d有关； 霍尔系数RH1/(nq)，由材料物理性质所决定，q为电子电荷量 ；n为材料中的电子浓度。 为磁场和薄片法线夹角。,2霍尔元件,霍尔片是一块矩形半导体单晶薄片(一般为4mm2mm0.1mm)，经研磨抛光，然后用蒸发合金法或其他方法制作欧姆接触电极，最后焊上引线并封装。而薄膜霍尔元件则是在一片极薄的基片上用蒸发或外延的方法做成霍尔片，然后再制作欧姆接触电极，焊上引线最后封装。一般控制端引线采用红色引线，而霍尔输出端引线则采用绿色引线。霍尔元件的壳体用非导磁金属、陶瓷或环氧树脂封装。,(a) 霍尔元件外形 (b)电路符号 (c) 基本应用电路,二、霍尔元件材料,电阻率、载流子迁移率、霍尔系数1锗(Ge)，N型及P型均可。 2硅(Si)N型及P型均可。3砷化铟(InAs)和锑化铟(InSb)，这两种材料的特性很相似。,霍尔元件的构造及测量电路,基于霍尔效应工作的半导体器件称为霍尔元件，霍尔元件多采用N型半导体材料。霍尔元件越薄(d 越小)，kH 就越大。霍尔元件由霍尔片、四根引线和壳体组成，如图所示。,一、构 造,霍尔片是一块半导体单晶薄片(一般为4mm2mm0.1mm)，它的长度方向两端面上焊有a、b两根引线，通常用红色导线，其焊接处称为控制电极；在它的另两侧端面的中间以点的形式对称地焊有c、d两根霍尔输出引线，通常用绿色导线，其焊接处称为霍尔电极。,2) 霍尔元件的材料锗(Ge)、硅(Si)、锑化铟(InSb)、砷化铟(InAs)和砷化镓(GaAs)是常见的制作霍尔元件的几种半导体材料。表6-2所列为制作霍尔元件的几种半导体材料主要参数。,电阻率,电子迁移率,6.2.3 霍尔元件的技术参数,1.额定激励电流IH使霍尔元件温升10C所施加的控制电流值。当霍尔元件做好后，限制额定电流的主要因素是散热条件。,2.输入电阻Ri和输出电阻RORi 是指控制电流极之间的电阻值。R0 指霍尔电极间的电阻值。Ri 、R0可以在无磁场时用欧姆表等测量。,3.不等位电势U0及零位电阻r0 在额定控制电流I下，不加磁场时霍尔电极间的空载霍尔电势。 当霍尔元件的激励电流为I时, 若元件所处位置磁感应强度为零, 则它的霍尔电势应该为零, 但实际不为零。 这时测得的空载霍尔电势称不等位电势。,产生的原因有: 霍尔电极安装位置不对称或不在同一等电位面上; 半导体材料不均匀造成了电阻率不均匀或是几何尺寸不均匀（如片厚薄不均匀等）; 激励电极接触不良造成激励电流不均匀分布等。 这些工艺上问题都将使等位面歪斜，致使两霍尔电极不在同一等位面上而产生不等位电势。,不等位电阻 不等位电势也可用不等位电阻表示:,式中: U0不等位电势; r0不等位电阻; IH激励电流。 由上式可以看出, 不等位电势就是激励电流流经不等位电阻r0所产生的电压。,4、寄生直流电势 当不加外磁场，控制电流改用额定交流电流时，霍尔电极间的空载电势为直流与交流电势之和。其中的交流霍尔电势与前述零位电势相对应，而直流霍尔电势是个寄生量，称为寄生直流电势V。5、热阻RQ 它表示在霍尔电极开路情况下，在霍尔元件上输入lmW的电功率时产生的温升，单位为0CmW。所以称它为热阻是因为这个温升的大小在一定条件下与电阻有关.,6.灵敏度,减小d;选好的半导体材料,霍尔元件的主要技术参数,霍尔片基本测量电路图如下所示。,（1）霍尔器件为四端口元件，其中1-3为（ ）电极；2-4为（ ）电极；（2）霍尔元件的输入电阻是指（ ）电极间的电阻值，输出电阻是指（ ）电极间的电阻值。（3）霍尔片的不等位电势U0由不等位电阻r0引起，发生在（ ）电极上.,二、测量电路,霍尔元件的基本测量电路如图5-22所示。 激励电流由电源E供给，可变电阻RP用来调节激励电流I的大小。RL为输出霍尔电势UH的负载电阻。通常它是显示仪表、记录装置或放大器的输入阻抗。,图5-22 霍尔元件的基本测量电路,（a）基本测量电路,霍尔元件的转换效率较低，实际应用中，可将几个霍尔元件的输出串联或采用运算放大器放大，以获得较大的UH。,霍尔元件的连接电路,不等位电动势产生的原因是由于制造工艺不可能保证将两个霍尔电极对称地焊在霍尔片的两侧，致使两电极点不能完全位于同一等位面上。,霍尔元件的误差及补偿,1霍尔元件的零位误差与补偿霍尔元件的零位误差是指在无外加磁场或无控制电流的情况下，霍尔元件产生输出电压并由此而产生的误差。它主要表现为以下几种具体形式。,1) 不等位电动势不等位电动势是零位误差中最主要的一种，它是当霍尔元件在额定控制电流(元件在空气中温升10所对应的电流)作用下，不加外磁场时，霍尔输出端之间的空载电动势。,此外,霍尔片电阻率不均匀，或片厚薄不均匀，或控制电流极接触不良都将使等位面歪斜，如图所示，致使两霍尔电极不在同一等位面上而产生不等位电动势。,2) 寄生直流电势在无磁场的情况下，元件通入交流电流，输出端除交流不等位电压以外的直流分量称为寄生直流电势。产生寄生直流电势的原因有两个方面：(1)由于控制电极焊接处接触不良而造成一种整流效应，使控制电流因正、反向电流大小不等而具有一定的直流分量。(2)输出电极焊点热容量不相等产生温差电动势。对于锗霍尔元件，当交流控制电流为20mA时，输出电极的寄生直流电压小于100 。,3) 感应零电动势感应零电动势是在未通电流的情况下，由于脉动或交变磁场的作用，在输出端产生的电动势。根据电磁感应定律，感应电动势的大小与霍尔元件输出电极引线构成的感应面积成正比，如图所示。,4) 自激场零电动势霍尔元件控制电流产生自激场，如图所示。由于元件的左右两半场相等，故产生的电动势方向相反而抵消。实际应用时由于控制电流引线也产生磁场，使元件左右两半场强不等，因而有霍尔电动势输出，这一输出电动势即是自激场零电动势。,在上述的4种零位误差中，寄生直流电动势、感应零电动势以及自激场零电动势，是由于制作工艺上的原因而造成的误差，可以通过工艺水平的提高加以解决。而不等位电动势所造成的零位误差，则必须通过补偿电路给予克服。,在理想情况下R1=R2=R3=R4，即可取得零位电动势为零(或零位电阻为零)，从而消除不等位电动势。实际上，若存在零位电动势，则说明此4个电阻不完全相等，即电桥不平衡。为使其达到平衡，可在阻值较大的桥臂上并联可调电阻RP或在两个臂上同时并联电阻RP和R。,霍尔元件结构及等效电路如图,霍尔元件补偿电路,1. 不等位电势的补偿,不等位电势,霍尔元件的等效电路,图 不等位电势的补偿电路,2霍尔元件的温度误差及补偿与一般半导体一样，由于电阻率、迁移率以及载流子浓度随温度变化，所以霍尔元件的性能参数如输入、输出电阻,霍尔常数等也随温度而变化，致使霍尔电动势变化，产生温度误差。,将温度每变化1时，霍尔元件输入电阻或输出电阻的相对变化率Ri/Ro称为内阻温度系数，用 表示。,将温度每变化1时，霍尔电压的相对变化率UHt/UH0称为霍尔电压温度系数，用 表示。,几种温度误差的补偿方法1) 采用恒压源和输入回路串联电阻,补偿基本电路及等效电路如图,霍尔电压随温度变化的关系式为：,对上式求温度的导数得，要使温度变化时霍尔电压不变，必须使外接电阻：,2) 合理选择负载电阻RL的阻值霍尔元件的输出电阻Ro和霍尔电动势UH都是温度的函数(设为正温度系数)，当霍尔元件接有负载RL时，在RL上的电压为：,3) 采用温度补偿元件(如热敏电阻、电阻丝)这是一种常用的温度误差补偿方法。由于热敏电阻具有负温度系数，电阻丝具有正温度系数，可采用输入回路串接热敏电阻，输入回路并接电阻丝，或输出端串接热敏电阻对具有负温度系数的锑化铟材料霍尔元件进行温度补偿。可采用输入端并接热敏电阻方式对输出具有正温度系数的霍尔元件进行温度补偿。一般来说，温度补偿电路、霍尔元件和放大电路应集成在一起制成集成霍尔传感器。,2. 温度误差及补偿,温度误差 霍尔元件是采用半导体材料制成的, 因此它们的许多参数都具有较大的温度系数。当温度变化时, 霍尔元件的电阻率及霍尔系数都将发生变化, 从而使霍尔元件产生温度误差。霍尔系数与温度的关系可写成 ： KH = KH0(1+ T)霍尔元件的输入电阻与温度变化的关系可写成 r = r0(1+ T),（1）分流电阻法 为了减小霍尔元件的温度误差, 除选用温度系数小的元件或采用恒温措施外, 由UH=KHIB可看出：采用恒流源供电是个有效措施, 可以使霍尔电势稳定。 但也只能减小由于输入电阻随温度变化而引起的激励电流I变化所带来的影响。 大多数霍尔元件的温度系数是正值, 它们的霍尔电势随温度升高而增加（1+T）倍。如果,与此同时让激励电流I相应地减小, 并能保持 KHI 乘积不变, 也就抵消了灵敏系数KH 增加的影响。图 5-6 就是按此思路设计的一个既简单、 补偿效果又较好的补偿电路。,恒流源的分流电阻温度补偿法常采用分流电阻R0与霍尔元件的激励电极相并联。 当霍尔元件的输入电阻随温度升高而增加时, 旁路分流电阻R0自动地加强分流, 减少了霍尔元件的激励电流I, 从而达到补偿的目的。在图 所示的温度补偿电路中, 设初始温度为T0, 霍尔元件输入电阻为r0, 灵敏系数为KH, 分流电阻为R0, 根据分流概念得,当温度升至T时, 电路中各参数变为 r = r0(1+ T) R = R0(1+T) KH = KH0(1+ T)式中: 霍尔元件输入电阻温度系数; 分流电阻温度系数。则,UH0=UH KH0IH0B=KHIHB则 KH0IH0=KH IH 将前面的式子代入上式, 经整理并略去、 (T)2高次项后得 当霍尔元件选定后, 它的输入电阻r0和温度系数及霍尔电势温度系数是确定值。由上式即可计算出分流电阻R0及所需的温度系数值。为了满足R0及两个条件, 分流电阻可取温度系数不同的两种电阻的串、并联组合, 这样虽然麻烦但效果很好。,虽然温度升高T, 为使霍尔电势不变, 补偿电路必须满足温升前、 后的霍尔电势不变, 即,(2)电桥补偿法,调节电位器W1可以消除不等位电势。电桥由温度系数低的电阻构成，在某一桥臂电阻上并联一热敏电阻。当温度变化时，热敏电阻将随温度变化而变化，使电桥的输出电压相应变化，仔细调节，即可补偿霍尔电势的变化，使其输出电压与温度基本无关。,霍尔式传感器的应用举例,霍尔电势是关于I、B、 三个变量的函数，即 UH=KHIBcos 。利用这个关系可以使其中两个量不变，将第三个量作为变量，或者固定其中一个量，其余两个量都作为变量。这使得霍尔传感器有许多用途。,检测磁场,检测磁场是霍尔式传感器最典型的应用之一。将霍尔器件做成各种形式的探头，放在被测磁场中，使磁力线和器件表面垂直，通电后即可输出与被测磁场的磁感应强度成线性正比的电压。,霍尔位移传感器,霍尔式位移传感器原理示意图,将霍尔元件置于磁场中，左半部磁场方向向上，右半部磁场方向向下，从 a端通入电流I，根据霍尔效应，左半部产生霍尔电势VH1，右半部产生霍尔电势VH2，其方向相反。因此，c、d两端电势为V