ch霍尔式传感器精讲.ppt

1、5.2、霍尔式传感器,1 霍尔元件的工作原理 2 不等位电势的误差及补偿 3 集成霍尔传感器 4 霍尔式传感器的应用,2020-08-31,2,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,2020-08-31,3,1 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

2、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，这一物理现象称为霍尔效应。,2020-08-31,4,1 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c、d方向的端面之间建立起霍尔电势。,c,d,a,b,2020-08-31,5,1 霍尔元件的工作原理,2）霍尔电势、霍尔系数,洛仑兹力,即有：,霍尔电场作用力,故可得：,2020-08-31,6,1 霍尔元件的工作原理,2）霍尔电势、霍尔系数,因为流过薄片的电流为：,则得到N型半导体的霍尔电势为：,若是P型半导体，则霍尔电势为：,2020-08-3

3、1,7,1 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：,定义霍尔系数为：,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。,2020-08-31,8,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,2020-08-31,9,1 霍尔元件的工作原理,3）霍尔元件的灵敏度系数,由霍尔电势

4、：,定义灵敏度系数：,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。,2020-08-31,10,1 霍尔元件的工作原理,4）霍尔电势的一般表达式,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Bcos，这时的霍尔电势为,结论：霍尔电势与输入电流I、磁感应强度B成正比，且当B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

5、。,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，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。,2020-08-31,11,1 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。,420.1mm3,2020-08-31,12,1 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,2020-08-31,13,1 霍尔元件

6、的工作原理,目前常用的霍尔元件材料有: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,2020-08-31,14,1 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）,2020-08-31,15,1 霍尔元件的工作

7、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。,2020-08-31,16,1 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。,2020-08-31,17,1 霍尔元件的工作原理,3） 霍

8、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。,2020-08-31,18,1 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,2020-08-31,19,(4) 寄生直流电势 (霍尔元件零位误差的一部分) 当没有外加磁场，

9、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,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，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温差电势。 (5) 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1C时，霍尔电势变化的百分率。,2020-08-31,20,2 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。,2020-08-31,21, 能够使电桥达到平

10、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,2020-08-31,22,2. 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。,2020-08-31,23,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,2020-08-31,24,恒流源温度补偿,霍尔元件的灵敏系数

11、也是温度的函数，它随温度的变化引起 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是正值时， 它们的霍尔电势随温度的升高而增加（1+t）倍。 同时，让控制电流I相应地减小，能保持KHI不变就 抵消了灵敏系数KH值增加的影响,2020-08-31,25,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， 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,2020-08-31,26,控制电流,温度升到T时，电路中各参数变为,式中， 霍尔元件输入电阻温度系数； 分流电阻温度系。,2020-08-31,27,为使霍尔电势不变，补偿电路必须满足: 升温前、后的霍尔

12、电势不变，,经整理，忽略 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,2020-08-31,28,3 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，OC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,2020-08-31,29,开关型霍尔集成电路的外形及内部电路,OC门,施密特 触发电路,双端输入、

13、单端输出运放,霍尔 元件,.,（1）开关型集成霍尔传感器,2020-08-31,30,（1）开关型集成霍尔传感器,2020-08-31,31,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，输出电压为伏级，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UGN3501等。,线性型三端 霍尔集成电路,（2）线性型集成霍尔传感器,2020-08-31,32,线性型霍尔特性,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S极对准霍尔器件的正面）时， 输出为正；磁场反向时，输出为负。,2020-08-31

14、,33,4 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。,2020-08-31,34,4 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

15、传感器,2020-08-31,35,4 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,2020-08-31,36,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物的转速。,4 霍尔式传感器的应用,霍尔转速表,2020-08-31,37,当齿对准霍尔元件时，磁力线集中穿过霍尔元件，可

16、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，输出为低电平。,4 霍尔式传感器的应用,霍尔转速表,2020-08-31,38,霍尔转速传感器在汽车防抱死装置（ABS）中的应用,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状态有助于控制刹车力的大小。,带有微型磁铁的霍尔传感器,钢质,霍尔,4 霍尔式传感器的应用,2020-08-31,39,霍尔转速传感器在汽车防抱死装置（ABS）中的应用,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； 其二是频率响应高。其响应频率高达20kHz，相当于车速为1000km/h时所检测

17、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ABS轮速检测，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,2020-08-31,40,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

18、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,2020-08-31,41,4 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，从而引起霍尔电势的变化，产生转速信号。,霍尔元件,磁铁,2020-08-31,42,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。,4 霍尔式传感器的应用,霍尔式接近开关,2020-08-31,43,软铁分流翼片,开关型霍尔IC,4 霍尔式传感器的应用,霍尔式接近开关用于转速测量,2020-08-31,44,将被测电流的导线穿过霍尔电流传感器的检测孔。当有电流通过导线时，在导线周围将产生磁场，磁力线集中在铁心内，并在铁心的缺口处穿过霍尔元件，从而产生与电流成正比的霍尔电压。,4 霍尔式传感器的应用,霍尔电流传感器,2020-08-31,45,铁心,线性霍尔IC,EH=KH IB,I,I,霍尔电流传感器演示,2020-08-31,46,压舌,豁口,霍尔钳形电