霍爾傳感器工作原理

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1、章 霍爾式傳感器 第5章 霍爾式傳感器 章 霍爾式傳感器 5.1 霍爾效應(yīng)及霍爾元件 霍爾傳感器是基于霍爾效應(yīng)的一種傳感器。1879年美國(guó)物理學(xué)家霍爾首先在金屬材料中發(fā)現(xiàn)了霍爾效應(yīng), 但由于金屬材料的霍爾效應(yīng)太弱而沒有得到應(yīng)用。隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展, 開始用半導(dǎo)體材料制成霍爾元件, 由于它的霍爾效應(yīng)顯著而得到應(yīng)用和發(fā)展。 霍爾傳感器廣泛用于電磁測(cè)量、壓力、加速度、振動(dòng)等方面的測(cè)量。 1. 霍爾效應(yīng) 置于磁場(chǎng)中的靜止載流導(dǎo)體, 當(dāng)它的電流方向與磁場(chǎng)方向不一致時(shí), 載流導(dǎo)體上平行于電流和磁場(chǎng)方向上的兩個(gè)面之間產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì), 這種現(xiàn)象稱霍爾效應(yīng)。該電勢(shì)稱霍爾電勢(shì)。 章 霍爾式傳感器 圖 5-1 所示,

2、 在垂直于外磁場(chǎng)B的方向上放置一導(dǎo)電板, 導(dǎo)電板通以電流I, 方向如圖所示。導(dǎo)電板中的電流是金屬中自由電子在電場(chǎng)作用下的定向運(yùn)動(dòng)。此時(shí), 每個(gè)電子受洛侖磁力fm的作用，fm大小為 fm =eBv （ 5-1）式中: e電子電荷; v電子運(yùn)動(dòng)平均速度; B磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度。 章 霍爾式傳感器 章 霍爾式傳感器 fm的方向在圖 5-1 中是向上的, 此時(shí)電子除了沿電流反方向作定向運(yùn)動(dòng)外, 還在fm的作用下向上漂移, 結(jié)果使金屬導(dǎo)電板上底面積累電子, 而下底面積累正電荷, 從而形成了附加內(nèi)電場(chǎng)EH, 稱霍爾電場(chǎng), 該電場(chǎng)強(qiáng)度為 EH= （5-2） 式中UH為電位差?；魻栯妶?chǎng)的出現(xiàn), 使定向運(yùn)動(dòng)的電子

3、除了受洛侖磁力作用外, 還受到霍爾電場(chǎng)的作用力, 其大小為eE H，此力阻止電荷繼續(xù)積累。 隨著上、下底面積累電荷的增加, 霍爾電場(chǎng)增加, 電子受到的電場(chǎng)力也增加, 當(dāng)電子所受洛侖磁力與霍爾電場(chǎng)作用力大小相等、 方向相反時(shí), 即bUH 章 霍爾式傳感器 eEH=evB （5-3）則 EH=vB （5-4） 此時(shí)電荷不再向兩底面積累, 達(dá)到平衡狀態(tài)。 若金屬導(dǎo)電板單位體積內(nèi)電子數(shù)為n, 電子定向運(yùn)動(dòng)平均速度為v, 則激勵(lì)電流I=nevbd, 則 v= （5-5）將式（5-5）代入式（5-4）得 E H= （5-6）bdae1bdaeIB 章 霍爾式傳感器 將上式代入式（5-1）得 UH = （5

4、-7） 式中令RH =1/（ne）, 稱之為霍爾常數(shù), 其大小取決于導(dǎo)體載流子密度，則 UH =RH （5-8） 式中KH=RH/d稱為霍爾片的靈敏度。由式（5 - 8）可見, 霍爾電勢(shì)正比于激勵(lì)電流及磁感應(yīng)強(qiáng)度,其靈敏度與霍爾常數(shù)R H成正比而與霍爾片厚度d成反比。為了提高靈敏度, 霍爾元件常制成薄片形狀。 nedIB IBKdIB H 章 霍爾式傳感器 對(duì)霍爾片材料的要求, 希望有較大的霍爾常數(shù)RH, 霍爾元件激勵(lì)極間電阻R=L/（bd）, 同時(shí)R=UI/I=EIL/I=vL/（nevbd）, 其中UI為加在霍爾元件兩端的激勵(lì)電壓，EI為霍爾元件激勵(lì)極間內(nèi)電場(chǎng)，v為電子移動(dòng)的平均速度。 則

5、 (5-9) 解得 RH= （5-10）從式（5-10）可知, 霍爾常數(shù)等于霍爾片材料的電阻率與電子遷移率的乘積。若要霍爾效應(yīng)強(qiáng), 則R H值大, 因此要求霍爾片材料有較大的電阻率和載流子遷移率。 nebdLbdL 章 霍爾式傳感器 一般金屬材料載流子遷移率很高, 但電阻率很小; 而絕緣材料電阻率極高, 但載流子遷移率極低。故只有半導(dǎo)體材料適于制造霍爾片。目前常用的霍爾元件材料有: 鍺、 硅、砷化銦、 銻化銦等半導(dǎo)體材料。 其中N型鍺容易加工制造, 其霍爾系數(shù)、 溫度性能和線性度都較好。N型硅的線性度最好, 其霍爾系數(shù)、 溫度性能同N型鍺相近。銻化銦對(duì)溫度最敏感, 尤其在低溫范圍內(nèi)溫度系數(shù)大,

6、 但在室溫時(shí)其霍爾系數(shù)較大。砷化銦的霍爾系數(shù)較小, 溫度系數(shù)也較小, 輸出特性線性度好。 表5 - 1 為常用國(guó)產(chǎn)霍爾元件的技術(shù)參數(shù)。 章 霍爾式傳感器 章 霍爾式傳感器 章 霍爾式傳感器 2. 霍爾元件基本結(jié)構(gòu) 霍爾元件的結(jié)構(gòu)很簡(jiǎn)單, 它由霍爾片、 引線和殼體組成, 如圖 5-2(a)所示。 霍爾片是一塊矩形半導(dǎo)體單晶薄片， 引出四個(gè)引線。1、1兩根引線加激勵(lì)電壓或電流，稱為激勵(lì)電極；2、2引線為霍爾輸出引線，稱為霍爾電極。 霍爾元件殼體由非導(dǎo)磁金屬、陶瓷或環(huán)氧樹脂封裝而成。 在電路中霍爾元件可用兩種符號(hào)表示，如圖5-2(b)所示。 章 霍爾式傳感器 章 霍爾式傳感器 3. 霍爾元件基本特性

7、 1） 額定激勵(lì)電流和最大允許激勵(lì)電流 當(dāng)霍爾元件自身溫升10時(shí)所流過的激勵(lì)電流稱為額定激勵(lì)電流。 以元件允許最大溫升為限制所對(duì)應(yīng)的激勵(lì)電流稱為最大允許激勵(lì)電流。因霍爾電勢(shì)隨激勵(lì)電流增加而性增加, 所以, 使用中希望選用盡可能大的激勵(lì)電流, 因而需要知道元件的最大允許激勵(lì)電流, 改善霍爾元件的散熱條件, 可以使激勵(lì)電流增加。 2） 輸入電阻和輸出電阻 激勵(lì)電極間的電阻值稱為輸入電阻?；魻栯姌O輸出電勢(shì)對(duì)外電路來說相當(dāng)于一個(gè)電壓源, 其電源內(nèi)阻即為輸出電阻。以上電阻值是在磁感應(yīng)強(qiáng)度為零且環(huán)境溫度在205時(shí)確定的。 章 霍爾式傳感器 5.2 霍爾元件測(cè)量誤差及補(bǔ)償 霍爾元件在使用中，存在多種因素影響

8、測(cè)量精度，主要原因有兩類：半導(dǎo)體制造工藝和半導(dǎo)體固有特性。其表現(xiàn)為零位誤差和溫度誤差而引起的測(cè)量誤差。 5.2.1 零位誤差及補(bǔ)償u 不等位電勢(shì)是零位誤差中最主要的一種 當(dāng)霍爾元件的激勵(lì)電流為I時(shí), 若元件所處位置磁感應(yīng)強(qiáng)度為零, 則它的霍爾電勢(shì)應(yīng)該為零, 但實(shí)際不為零。 這時(shí)測(cè)得的空載霍爾電勢(shì)稱不等位電勢(shì)。 章 霍爾式傳感器 即：產(chǎn)生的原因有: 霍爾電極安裝位置不對(duì)稱或不在同一等電位面上; 半導(dǎo)體材料不均勻造成了電阻率不均勻或是幾何尺寸不均勻（如片厚薄不均勻等）; 激勵(lì)電極接觸不良造成激勵(lì)電流不均勻分布等。 這些工藝上問題都將使等位面歪斜，致使兩霍爾電極不在同一等位面上而產(chǎn)生不等位電勢(shì)。 0

9、00 BHIBKU 章 霍爾式傳感器 式中: U0不等位電勢(shì); r0不等位電阻; IH激勵(lì)電流。 由上式（5-11）可以看出, 不等位電勢(shì)就是激勵(lì)電流流經(jīng)不等位電阻r0所產(chǎn)生的電壓。 HI Ur 00 （5-11）u 不等位電阻 不等位電勢(shì)也可用不等位電阻表示 章 霍爾式傳感器 u 霍爾元件不等位電勢(shì)補(bǔ)償 不等位電勢(shì)與霍爾電勢(shì)具有相同的數(shù)量級(jí), 有時(shí)甚至超過霍爾電勢(shì), 而實(shí)用中要消除不等位電勢(shì)是極其困難的, 因而必須采用補(bǔ)償?shù)姆椒ā?由于不等位電勢(shì)與不等位電阻是一致的, 可以采用分析電阻的方法來找到不等位電勢(shì)的補(bǔ)償方法。如圖 5-4 所示, 其中A、B為激勵(lì)電極, C、D為霍爾電極, 極分布電

10、阻分別用R1、 R2、 R3、 R4表示。理想情況下, R1=R2=R3=R4, 即可取得零位電勢(shì)為零（或零位電阻為零）。 實(shí)際上, 由于不等位電阻的存在, 說明此四個(gè)電阻值不相等, 可將其視為電橋的四個(gè)橋臂, 則電橋不平衡。為使其達(dá)到平衡， 可在阻值較大的橋臂上并聯(lián)電阻（如圖5-4（a）所示）, 或在兩個(gè)橋臂上同時(shí)并聯(lián)電阻（如圖 5-4 (b)所示）。 章 霍爾式傳感器 章 霍爾式傳感器 5.2.2 溫度誤差及其補(bǔ)償溫度誤差 霍爾元件是采用半導(dǎo)體材料制成的, 因此它們的許多參數(shù)都具有較大的溫度系數(shù)。當(dāng)溫度變化時(shí), 霍爾元件的電阻率及霍爾系數(shù)都將發(fā)生變化, 從而使霍爾元件產(chǎn)生溫度誤差?；魻栂禂?shù)

11、與溫度的關(guān)系可寫成霍爾元件的輸入電阻與溫度變化的關(guān)系可寫成 )1( 0 TKK HH )1(0 TRR ii 章 霍爾式傳感器 恒流源的分流電阻溫度補(bǔ)償法 為了減小霍爾元件的溫度誤差, 除選用溫度系數(shù)小的元件或采用恒溫措施外, 由UH=KHIB可看出：采用恒流源供電是個(gè)有效措施, 可以使霍爾電勢(shì)穩(wěn)定。 但也只能減小由于輸入電阻隨溫度變化而引起的激勵(lì)電流I變化所帶來的影響。 大多數(shù)霍爾元件的溫度系數(shù)是正值, 它們的霍爾電勢(shì)隨溫度升高而增加（1+T）倍。如果,與此同時(shí)讓激勵(lì)電流I相應(yīng)地減小, 并能保持 乘積不變, 也就抵消了靈敏系數(shù) 增加的影響。圖 5-5 就是按此思路設(shè)計(jì)的一個(gè)既簡(jiǎn)單、 補(bǔ)償效果

12、又較好的補(bǔ)償電路。IK HKH 章 霍爾式傳感器 恒流源的分流電阻溫度補(bǔ)償法常采用圖5-5的補(bǔ)償電路電路中用一個(gè)分流電阻Rp與霍爾元件的激勵(lì)電極相并聯(lián)。 當(dāng)霍爾元件的輸入電阻隨溫度升高而增加時(shí), 旁路分流電阻Rp自動(dòng)地加強(qiáng)分流, 減少了霍爾元件的激勵(lì)電流I, 從而達(dá)到補(bǔ)償?shù)哪康摹?在圖 5-5 所示的溫度補(bǔ)償電路中, 設(shè)初始溫度為T0, 霍爾元件輸入電阻為Ri0, 靈敏系數(shù)為KHI, 分流電阻為Rp0, 根據(jù)分流概念得 I H0 = （5-13） 當(dāng)溫度升至T時(shí), 電路中各參數(shù)變?yōu)?0 0 iP P RR IR I 12 3 40PR圖 5-5 分流電阻補(bǔ)電路示意圖UH 章 霍爾式傳感器 Ri

13、 =Ri0（1+T）（5-14） Rp =Rp0（1+T）（5-15） 式中: 霍爾元件輸入電阻溫度系數(shù); 分流電阻溫度系數(shù)。則 iPPH RR IRI )1()1( )1( 00 0 TRTR ITR iP P 雖然溫度升高T, 為使霍爾電勢(shì)不變, 補(bǔ)償電路必須滿足溫升前、 后的霍爾電勢(shì)不變, 即 章 霍爾式傳感器 UH0=UH KH0IH0B=KHIHB （5-16） 則 KH0IH0=KH IH （5-17） 將式（5-12）、 （5-13）、 （5-16）代入上式, 經(jīng)整理并略去、 (T)2高次項(xiàng)后得 Rp0= （5-18） 當(dāng)霍爾元件選定后, 它的輸入電阻R i0和溫度系數(shù)及霍爾電勢(shì)

14、溫度系數(shù)是確定值。由式（5-18）即可計(jì)算出分流電阻Rp0及所需的溫度系數(shù)值。為了滿足R0及兩個(gè)條件, 分流電阻可取溫度系數(shù)不同的兩種電阻的串、并聯(lián)組合, 這樣雖然麻煩但效果很好。 a Ra i0)( 章 霍爾式傳感器 u 橋路溫度補(bǔ)償法 如圖5-6所示是霍爾電勢(shì)的橋路溫度補(bǔ)償法，霍爾元件的不等位電勢(shì)U0用RP來補(bǔ)償，在霍爾輸出極上串聯(lián)一個(gè)溫度補(bǔ)償電撟，電撟的三個(gè)臂為錳銅電阻，其中一臂為錳銅電阻并聯(lián)熱敏電阻RX，當(dāng)溫度變化時(shí)，由于RX發(fā)生變化，使電橋的輸出發(fā)生變化，從而使整個(gè)回路的輸出得到補(bǔ)償。仔細(xì)調(diào)整電撟的溫度系數(shù)，可使在40的溫度變化范圍內(nèi)，傳感器的輸出與溫度基本無關(guān)。 圖5-6 橋路溫度

15、補(bǔ)償電路 章 霍爾式傳感器 1. 霍爾式微位移傳感器 霍爾元件具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、動(dòng)態(tài)特性好和壽命長(zhǎng)的優(yōu)點(diǎn), 它不僅用于磁感應(yīng)強(qiáng)度#, 有功功率及電能參數(shù)的測(cè)量, 也在位移測(cè)量中得到廣泛應(yīng)用。 圖5-7 給出了一些霍爾式位移傳感器的工作原理圖。 圖（a）是磁場(chǎng)強(qiáng)度相同的兩塊永久磁鐵, 同極性相對(duì)地放置, 霍爾元件處在兩塊磁鐵的中間。由于磁鐵中間的磁感應(yīng)強(qiáng)度B=0, 因此霍爾元件輸出的霍爾電勢(shì)UH也等于零, 此時(shí)位移x=0。若霍爾元件在兩磁鐵中產(chǎn)生相對(duì)位移, 霍爾元件感受到的磁感應(yīng)強(qiáng)度也隨之改變, 這時(shí)U H不為零, 其量值大小反映出霍爾元件與磁鐵之間相對(duì)位置的變化量, 這種結(jié)構(gòu)的傳感器, 其

16、動(dòng)態(tài)范圍可達(dá) 5 mm, 分辨率為 0.001mm。 5.3 霍爾式傳感器的應(yīng)用 章 霍爾式傳感器 章 霍爾式傳感器 圖（b）所示是一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的霍爾位移傳感器, 由一塊永久磁鐵組成磁路的傳感器, 在x=0 時(shí), 霍爾電壓不等于零。 圖（c）是一個(gè)由兩個(gè)結(jié)構(gòu)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(diào)整好初始位置時(shí), 可以使霍爾電壓UH=0 。 這種傳感器靈敏度很高, 但它所能檢測(cè)的位移量較小, 適合于微位移量及振動(dòng)的測(cè)量 。 2. 霍爾式轉(zhuǎn)速傳感器 圖 5-8 是幾種不同結(jié)構(gòu)的霍爾式轉(zhuǎn)速傳感器。 磁性轉(zhuǎn)盤的輸入軸與被測(cè)轉(zhuǎn)軸相連, 當(dāng)被測(cè)轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)

17、動(dòng)時(shí), 磁性轉(zhuǎn)盤隨之轉(zhuǎn)動(dòng), 固定在磁性轉(zhuǎn)盤附近的霍爾傳感器便可在每一個(gè)小磁鐵通過時(shí)產(chǎn)生一個(gè)相應(yīng)的脈沖, 檢測(cè)出單位時(shí)間的脈沖數(shù), 便可知被測(cè)轉(zhuǎn)速。磁性轉(zhuǎn)盤上小磁鐵數(shù)目的多少?zèng)Q定了傳感器測(cè)量轉(zhuǎn)速的分辨率。 章 霍爾式傳感器 章 霍爾式傳感器 3. 霍爾計(jì)數(shù)裝置 霍爾開關(guān)傳感器SL3501是具有較高靈敏度的集成霍爾元件, 能感受到很小的磁場(chǎng)變化, 因而可對(duì)黑色金屬零件進(jìn)行計(jì)數(shù)檢測(cè)。 圖 7 - 14 是對(duì)鋼球進(jìn)行計(jì)數(shù)的工作示意圖和電路圖當(dāng)鋼球通過霍爾開關(guān)傳感器時(shí), 傳感器可輸出峰值20mV的脈沖電壓, 該電壓經(jīng)運(yùn)算放大器A（A741）放大后, 驅(qū)動(dòng)半導(dǎo)體三極管VT（2N5812）工作, VT輸出端便可接計(jì)數(shù)器進(jìn)行計(jì)數(shù), 并由顯示器顯示檢測(cè)數(shù)值。 章 霍爾式傳感器 章 霍爾式傳感器 大多數(shù)霍爾元件的溫度系數(shù)是正值, 它們的霍爾電勢(shì)隨溫度升高而增加（1+T）倍。如果,與此同時(shí)讓激勵(lì)電流I相應(yīng)地減小, 并能保持KHI乘積不變, 也就抵消了靈敏系數(shù)KH增加的影響。圖 5-5 就是按此思路設(shè)計(jì)的一個(gè)既簡(jiǎn)單、 補(bǔ)償效果又較好的補(bǔ)償電路。