ch霍尔式传感器精讲实用PPT课件

1、10/22/20211 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。霍尔传感器第1页/共49页10/22/202121 霍尔元件的工作原理1.1 霍尔效应、霍尔电势、霍尔系数1）霍尔效应 将一块通有电流I的导体薄片放在磁感应强度为B的磁场中，B的方向垂直于I，则在垂直于电流和磁场的薄片两侧，产生一个正比于电流和磁感应强度的电势，这一物理现象称为

2、霍尔效应。第2页/共49页10/22/202131 霍尔元件的工作原理 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c、d方方向的端面之间建立起霍尔电势。向的端面之间建立起霍尔电势。c cd da ab b第3页/共49页10/22/202141 霍尔元件的工作原理2）霍尔电势、霍尔系数洛仑兹力LfeVB即有：霍尔电场作用力/EHHfeEeUb/HeVBeUb故可得：HUbVB第4页/共49页10/22/202151 霍尔元件的工作原理2）霍尔电势、霍尔系数HUbVB因为流过薄片的电流为：dQIbdVn

3、edt则得到N型半导体的霍尔电势为：HIBUned若是P型半导体，则霍尔电势为：HIBUped第5页/共49页10/22/202161 霍尔元件的工作原理2） 霍尔电势、霍尔系数定义霍尔系数为：1HRne定义霍尔系数为：HHIBURd则有： 霍尔系数反映了材料霍尔效应的强弱，其大小取决于载流子密度。金属材料的自由电子浓度n很高，因此霍尔系数很小，相应地霍尔电势极小，故不宜做霍尔元件。第6页/共49页10/22/20217 霍尔效应强，则RH值大，因此要求霍尔片材料有较大的电阻率和载流子迁移率。一般金属材料载流子迁移率很高，但电阻率很小；而绝缘材料电阻率极高，但载流子迁移率极低。故只有半导体材料

4、适于制造霍尔片。1 霍尔元件的工作原理2）霍尔电势、霍尔系数HR第7页/共49页10/22/202181 霍尔元件的工作原理3）霍尔元件的灵敏度系数HHIBURd由霍尔电势：定义灵敏度系数：HHUKIBHHRKd或 灵敏度系数表示单位电流和单位磁场作用下，开路霍尔电势的大小，它与元件的厚度成反比，霍尔片越薄，灵敏度系数就越大。通常薄膜霍尔元件的厚度约为1m左右，但同时要兼顾元件的强度和内阻。第8页/共49页10/22/202191 霍尔元件的工作原理4）霍尔电势的一般表达式cosHHUK IB 若磁感应强度若磁感应强度B不垂直于霍尔元件，而是与其法线成某一角度不垂直于霍尔元件，而是与其法线成某

5、一角度时，实际上作用于霍时，实际上作用于霍尔元件上的有效磁感应强度是其法线方向（与薄片垂直的方向）的分量，即尔元件上的有效磁感应强度是其法线方向（与薄片垂直的方向）的分量，即Bcos，这，这时的霍尔电势为时的霍尔电势为 结论结论：霍尔电势与输入电流霍尔电势与输入电流I I、磁感应强度、磁感应强度B B成正比，成正比，且当且当B B的方向改变时，霍尔电势的方向也随之改变。如果所的方向改变时，霍尔电势的方向也随之改变。如果所施加的磁场为交变磁场，则霍尔电势为同频率的交变电势。施加的磁场为交变磁场，则霍尔电势为同频率的交变电势。 霍尔电势是关于I、B、三个变量的函数。利用这个关系可以使其中两个量不变

6、，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。第9页/共49页10/22/2021101 霍尔元件的工作原理1.2 霍尔元件及基本电路1） 霍尔元件的结构及符号霍尔元件由霍尔片、四根引线和壳体组成。4 42 20.1mm0.1mm3 3第10页/共49页10/22/2021111 霍尔元件的工作原理应用霍尔传感器可以分别检测电流、磁场、电流与磁场的乘积等物理量。建立霍尔效应所需的时间很短，大约只有10-13秒左右，故输入信号的频率可以很高。2） 霍尔元件的基本电路第11页/共49页10/22/2021121 霍尔元件的工作原理 目前常用的霍尔元件材

7、料有:锗、硅、砷化铟、锑化铟等半导体材料。其中N型锗容易加工制造,其霍尔系数、温度性能和线性度都较好。N型硅的线性度最好,其霍尔系数、温度性能同N型锗相近。锑化铟对温度最敏感, 尤其在低温范围内温度系数大，在室温时，其霍尔系数较大。砷化铟的霍尔系数及温度系数较小，输出特性的线性度好。3） 霍尔元件的主要特征参数第12页/共49页10/22/2021131 霍尔元件的工作原理3） 霍尔元件的主要特征参数 输入电阻和输出电阻输入电阻Ri：控制电流极间的电阻。输出电阻Rv：霍尔电极间的电阻。（在B=0且温度为205时确定）IiIUR =IHvHUR =I第13页/共49页10/22/2021141

8、霍尔元件的工作原理3） 霍尔元件的主要特征参数 额定控制电流和最大允许控制电流额定控制电流：在空气介质中，对霍尔元件进行激励（由小到大通以控制电流），使之逐渐发热，当温升10时对应的控制电流。最大允许控制电流：元件最大允许温升所对应的激励电流。改善散热条件可提高额定控制电流及最大允许控制电流。第14页/共49页10/22/2021151 霍尔元件的工作原理3） 霍尔元件的主要特征参数 灵敏度KH 表中给出的KH是指额定工作范围内的平均值。可用直流电位差计测量空载霍尔输出UH，此时通以额定控制电流，且置于均匀稳定的直流磁场中，同时测出B值，即可求得。HHUK=IB第15页/共49页10/22/2

9、021161 霍尔元件的工作原理3） 霍尔元件的主要特征参数 不等位电势与不等位电阻 当磁感应强度B为零、激励电流为额定值IH时，霍尔电极间的空载电势称为不等位电势（或零位电势）U0。 不等位电势U0与额定激励电流IH之比称为不等位电阻（零位电阻）r0。第16页/共49页10/22/2021171 霍尔元件的工作原理 产生不等位电势的原因主要有：霍尔电极安装位置不正确（不对称或不在同一等电位面上）；半导体材料的不均匀造成了电阻率不均匀或是几何尺寸不均匀；激励电极接触不良造成激励电流不均匀分布等。3） 霍尔元件的主要特征参数 不等位电势与不等位电阻第17页/共49页10/22/202118(4)

10、 寄生直流电势寄生直流电势 (霍尔元件零位误差的一部分霍尔元件零位误差的一部分)当没有外加磁场，霍尔元件用交流控制电流时，霍尔电当没有外加磁场，霍尔元件用交流控制电流时，霍尔电极的输出有一个直流电势极的输出有一个直流电势,称为寄生直流电势。称为寄生直流电势。控制电极和霍尔电极与基片的连接是非完全欧姆接触时，控制电极和霍尔电极与基片的连接是非完全欧姆接触时，会产生整流效应。会产生整流效应。两个霍尔电极焊点的不一致，引起两电极温度不同产生两个霍尔电极焊点的不一致，引起两电极温度不同产生温差电势。温差电势。(5) 霍尔电势温度系数霍尔电势温度系数 在一定磁感应强度和控制电流下，温度每变化在一定磁感应

11、强度和控制电流下，温度每变化1C时，时，霍尔电势变化的百分率。霍尔电势变化的百分率。第18页/共49页10/22/2021192 不等位电势的补偿 为了降低不等位电势，除了加工工艺上采取措施外，还应采取电路补偿，即通过桥路平衡的原理加以补偿。 霍尔元件有两对电极，各相邻电极之间的电阻若为r1、r2、r3、r4，霍尔元件可等效为一个四臂电阻电桥。第19页/共49页10/22/202120 能够使电桥达到平衡的措施均可以用于补偿不等位电势。由于霍尔元件的不等位电势同时也是温度的函数，所以同时要考虑温度补偿问题。2 不等位电势的补偿第20页/共49页10/22/2021212. 2. 温度误差及其补

12、偿温度误差及其补偿温度误差产生原因：霍尔元件的基片是半导体材料，因而对温度的变化很敏感。其载流子浓度和载流子迁移率、电阻率和霍尔系数都是温度的函数。当温度变化时，霍尔元件的一些特性参数，如霍尔电势、输入电阻和输出电阻等都要发生变化，从而使霍尔式传感器产生温度误差。 第21页/共49页10/22/202122减小霍尔元件的温度误差减小霍尔元件的温度误差 选用温度系数小的元件 采用恒温措施 采用恒流源供电 第22页/共49页10/22/202123恒流源温度补偿恒流源温度补偿 )1 (TKKHOH霍尔元件的灵敏系数也是温度的函数，它随温度的变化引起霍尔元件的灵敏系数也是温度的函数，它随温度的变化引

13、起霍尔电势的变化，霍尔元件的灵敏系数与温度的关系霍尔电势的变化，霍尔元件的灵敏系数与温度的关系 大多数霍尔元件的温度系数大多数霍尔元件的温度系数是正值时，是正值时，它们的霍尔电势随温度的升高而增加（它们的霍尔电势随温度的升高而增加（1+t）倍。）倍。同时，让控制电流同时，让控制电流I相应地减小，能保持相应地减小，能保持KHI不变就不变就抵消了灵敏系数抵消了灵敏系数KH值增加的影响值增加的影响 第23页/共49页10/22/202124恒流源温度补偿电路恒流源温度补偿电路 当霍尔元件的输入电阻随温度升高而增加时，当霍尔元件的输入电阻随温度升高而增加时，旁路分流电阻自动地加强分流，减少了霍尔元件的

14、控制电流旁路分流电阻自动地加强分流，减少了霍尔元件的控制电流第24页/共49页10/22/202125控制电流控制电流 siPPIRRRI00020温度升到温度升到T时，电路中各参数变为时，电路中各参数变为 )1 (0TRRii)1 (0TRRPP)1 ()1 ()1 (0002TRTRTRIRRRIiPPsiPp式中，式中， 霍尔元件输入电阻温度系数；霍尔元件输入电阻温度系数； 分流电阻温度系。分流电阻温度系。第25页/共49页10/22/202126 为使霍尔电势不变，补偿电路必须满足为使霍尔电势不变，补偿电路必须满足: : 升温前、后的霍尔电势不变，升温前、后的霍尔电势不变， BIKUB

15、IKUHHHH220002200IKIKHH)1()1()1()1(00000000TRTRTRTKIRRRKiPPHsiPPH00iPRR经整理，忽略经整理，忽略 高次项后得高次项后得 用上式即可计算出分流电阻及所需的温度系数值用上式即可计算出分流电阻及所需的温度系数值 2T第26页/共49页10/22/2021273 集成霍尔传感器霍尔集成电路可分为开关型和线性型两大类。开关型霍尔集成电路是将霍尔元件、稳压电路、放大器、施密特触发器、OC门（集电极开路输出门）等电路做在同一个芯片上。当外加磁场强度超过规定的工作点时，OC门由高阻态变为导通状态，输出变为低电平；当外加磁场强度低于释放点时，O

16、C门重新变为高阻态，输出高电平。较典型的开关型霍尔器件如UGN3020等。（1）开关型集成霍尔传感器第27页/共49页10/22/202128开关型霍尔集成电路的外形及内部电路开关型霍尔集成电路的外形及内部电路OCOC门门 施密特施密特 触发电路触发电路 双端输入、双端输入、 单端输出运放单端输出运放霍尔霍尔 元件元件. .VccVcc（1）开关型集成霍尔传感器第28页/共49页10/22/202129（1）开关型集成霍尔传感器第29页/共49页10/22/202130 线性型集成电路是将霍尔元件和恒流源、线性差动放线性型集成电路是将霍尔元件和恒流源、线性差动放大器等做在一个芯片上，大器等做在

17、一个芯片上，输出电压为伏级输出电压为伏级，比直接使用霍，比直接使用霍尔元件方便得多。较典型的线性型霍尔器件如尔元件方便得多。较典型的线性型霍尔器件如UGN3501UGN3501等。等。 线性型三端线性型三端 霍尔集成电路霍尔集成电路（2）线性型集成霍尔传感器第30页/共49页10/22/202131线性型霍尔特性线性型霍尔特性 右图示出了具有双端差动输出特性右图示出了具有双端差动输出特性的线性霍尔器件的输出特性曲线。当的线性霍尔器件的输出特性曲线。当磁场为零时，它的输出电压等于零；磁场为零时，它的输出电压等于零；当感受的磁场为正向（磁钢的当感受的磁场为正向（磁钢的S极对准极对准霍尔器件的正面）

18、时，霍尔器件的正面）时， 输出为正；磁输出为正；磁场反向时，输出为负。场反向时，输出为负。 第31页/共49页10/22/2021324 霍尔式传感器的应用 根据霍尔电势表达式UH=KHIB，决定了霍尔传感器可用于下列情况： I=常数，则可测任意能转换为磁感应强度变化的量，如磁场、位移、角度、转速、加速度等； B=常数，则可测任意能转换成电流变化的量； IB均变化，可作乘、除、平方、开方等运算。第32页/共49页10/22/2021334 霍尔式传感器的应用从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VH1-VH2。如果

19、霍尔元件在初始位置时VH1=VH2，则输出为零；当改变磁极系统与霍尔元件的相对位置时，即可得到输出电压，其大小正比于位移量。 霍尔式位移传感器第33页/共49页10/22/2021344 霍尔式传感器的应用如左图所示，当压力发生变化时，膜盒4会相应发生膨胀或收缩，通过杠杆3带动霍尔元件1，在永久磁铁内运动，根据霍尔元件位移原理，霍尔元件1便会产生反映压力变化的霍尔电势。霍尔压力传感器第34页/共49页10/22/202135 在被测转速的转轴上安装一个齿盘，也可选取机械系统中在被测转速的转轴上安装一个齿盘，也可选取机械系统中的一个齿轮，将线性型霍尔器件及磁路系统靠近齿盘。齿盘的一个齿轮，将线性

20、型霍尔器件及磁路系统靠近齿盘。齿盘的转动使磁路的磁阻随气隙的改变而周期性地变化，霍尔器的转动使磁路的磁阻随气隙的改变而周期性地变化，霍尔器件输出的微小脉冲信号经隔直、放大、整形后可以确定被测件输出的微小脉冲信号经隔直、放大、整形后可以确定被测物的转速。物的转速。S SN N线性霍尔线性霍尔磁铁磁铁4 霍尔式传感器的应用霍尔转速表60 22fn 第35页/共49页10/22/202136 当齿对准霍尔元件时，磁力线集中穿过霍尔元件，可产生较大的霍尔电动势，放大、当齿对准霍尔元件时，磁力线集中穿过霍尔元件，可产生较大的霍尔电动势，放大、整形后输出高电平；反之，当齿轮的空挡对准霍尔元件时，输出为低电

21、平。整形后输出高电平；反之，当齿轮的空挡对准霍尔元件时，输出为低电平。4 霍尔式传感器的应用霍尔转速表第36页/共49页10/22/202137霍尔转速传感器在汽车防抱死装置（霍尔转速传感器在汽车防抱死装置（ABS）中的）中的应用应用 若汽车在刹车时车轮被抱死，将产生危险。用霍尔转速传感器来检测车轮的转动若汽车在刹车时车轮被抱死，将产生危险。用霍尔转速传感器来检测车轮的转动状态有助于控制刹车力的大小。状态有助于控制刹车力的大小。带有微带有微型磁铁型磁铁的霍尔的霍尔传感器传感器钢质钢质霍尔霍尔4 霍尔式传感器的应用第37页/共49页10/22/202138霍尔转速传感器在汽车防抱死装置（霍尔转速

22、传感器在汽车防抱死装置（ABS）中的）中的应用应用 霍尔轮速传感器具有以下优点：霍尔轮速传感器具有以下优点：其一是输出信号电压幅值不受转速的影响；其一是输出信号电压幅值不受转速的影响；其二是频率响应高。其响应频率高达其二是频率响应高。其响应频率高达20kHz，相当于车速为，相当于车速为1000km/h时所检时所检测的信号频率；测的信号频率；其三是抗电磁波干扰能力强。因此，霍尔传感器不仅广泛应用于其三是抗电磁波干扰能力强。因此，霍尔传感器不仅广泛应用于ABS轮速检测，轮速检测，也广泛应用于其控制系统的转速检测。也广泛应用于其控制系统的转速检测。 4 霍尔式传感器的应用第38页/共49页10/22

23、/202139汽车制动防抱死装置(英文为Antilock Braking System简称ABS)的基本功能就是可感知制动轮每一瞬时的运动状态，并根据其运动状态相应地调节制动器制动力矩的大小，避免出现车轮的抱死现象，因而是一个闭环制动系统。它是电子控制技术在汽车上最有突出成就的一项应用。可使得汽车在制动时维持方向稳定性和缩短制动距离，有效地提高了行车的安全性。 据欧洲各国统计，应用了制动防抱死技术后，交通事故摩托车减少10%，轿车和轻型货车减少8%，公共汽车减少4%，重型货车减少10%，平均起来减少7.5%。4 霍尔式传感器的应用第39页/共49页10/22/2021404 霍尔式传感器的应用霍尔转速表的其他安装方法 只要黑色金属旋转体的表面存在缺口或突起，就可产生磁场强度的脉动，从而引起只要黑色金属旋转体的表面存在缺口或突起，就可产生磁场强度的脉动，从而引起霍尔电势的变化，产生转速信号。霍尔电势的变化，产生转速信号。 霍尔元件霍尔元件磁铁磁铁第40页/共49页10/22/202141当磁铁的有效磁极接近、并达到动作距离时，当磁铁的有效磁极接近、并达到动作距离时，霍尔式接近开关动作。霍尔式接近开关动作。4 霍尔式传感器的应用霍尔式接近开关第41页/共49页1