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1、第 六 章 磁 敏 傳 感 器 霍 爾 傳 感 器 Hall Sensor 霍 爾 式 傳 感 器 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(méi) 有 得 到 應(yīng) 用 。 隨 著 半 導(dǎo) 體 技 術(shù) 的發(fā) 展 , 開(kāi) 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

2、力 、 加 速 度 、振 動(dòng) 等 方 面 的 測(cè) 量 。 霍 爾 元 件 是 一種 四 端 元 件 霍 爾 式 傳 感 器 是 基 于 霍 爾 效 應(yīng) 而 將 被 測(cè) 量 轉(zhuǎn) 換 成 電 動(dòng) 勢(shì) 輸 出 的一 種 傳 感 器 。 霍 爾 器 件 是 一 種 磁 敏 傳 感 器 ， 利 用 半 導(dǎo) 體 元 件 對(duì) 磁場(chǎng) 敏 感 的 特 性 來(lái) 實(shí) 現(xiàn) 磁 電 轉(zhuǎn) 換 ， 它 們 可 以 檢 測(cè) 磁 場(chǎng) 及 其 變 化 ， 可在 各 種 與 磁 場(chǎng) 有 關(guān) 的 場(chǎng) 合 中 使 用 。 按 照 霍 爾 器 件 的 功 能 可 將 它 們 分 為 ： 霍 爾 線 性 器 件 和 霍 爾 開(kāi)關(guān) 器 件

3、， 前 者 輸 出 模 擬 量 ， 后 者 輸 出 數(shù) 字 量 。 霍 爾 器 件 具 有 許 多 優(yōu) 點(diǎn) ， 它 們 的 結(jié) 構(gòu) 牢 固 ， 體 積 小 ， 重 量 輕 ，壽 命 長(zhǎng) ， 安 裝 方 便 ， 功 耗 小 ， 頻 率 高 (可 達(dá) 1 MHz)， 耐 振 動(dòng) ， 不 怕灰 塵 、 油 污 、 水 汽 及 鹽 霧 等 的 污 染 或 腐 蝕 。 霍 爾 線 性 器 件 的 精 度 高 、 線 性 度 好 ； 霍 爾 開(kāi) 關(guān) 器 件 無(wú) 觸 點(diǎn) 、無(wú) 磨 損 、 輸 出 波 形 清 晰 、 無(wú) 抖 動(dòng) 、 無(wú) 回 跳 、 位 置 重 復(fù) 精 度 高 。 采用 了 各 種 補(bǔ) 償 和

4、 保 護(hù) 措 施 的 霍 爾 器 件 的 工 作 溫 度 范 圍 寬 ， 可 達(dá) -55 +150 。 m 霍 爾 傳 感 器 的 工 作 原 理1 霍 爾 效 應(yīng) 半 導(dǎo) 體 薄 片 置 于 磁 感 應(yīng) 強(qiáng) 度 為 B 的 磁 場(chǎng) 中 ， 磁 場(chǎng) 方 向 垂 直于 薄 片 ， 當(dāng) 有 電 流 I 流 過(guò) 薄 片 時(shí) ， 在 垂 直 于 電 流 和 磁 場(chǎng) 的 方 向上 將 產(chǎn) 生 電 動(dòng) 勢(shì) EH， 這 種 現(xiàn) 象 稱 為 霍 爾 效 應(yīng) 。 磁 感 應(yīng) 強(qiáng) 度 B為 零 時(shí) 的 情 況A BC D 當(dāng) 有 圖 示 方 向 磁 場(chǎng) B作 用 時(shí) 作 用 在 半 導(dǎo) 體 薄 片 上 的 磁 場(chǎng)

5、 強(qiáng) 度 B越 強(qiáng) ， 霍 爾 電 勢(shì) 也 就 越 高 ?；?爾 電 勢(shì) UH可 用 下 式 表 示 ： UH=KH IB 霍 爾 效 應(yīng) 演 示 當(dāng) 磁 場(chǎng) 垂 直 于 薄 片 時(shí) ， 電 子 受 到 洛 侖 茲 力 的 作 用 ， 向 內(nèi)側(cè) 偏 移 ， 在 半 導(dǎo) 體 薄 片 A、 B方 向 的 端 面 之 間 建 立 起 霍 爾 電勢(shì) 。 A BC D UHb l d IFLFE vB 設(shè) 霍 爾 元 件 為 N型 半 導(dǎo) 體 ， 當(dāng) 它 通 電 流 I時(shí) FL = qvB 當(dāng) 電 場(chǎng) 力 與 洛 侖 茲 力 相 等 時(shí) ， 達(dá) 到 動(dòng) 態(tài) 平 衡 ，這 時(shí) 有 qEH=qvB dIBR

6、U HH RH被 定 義 為 霍 爾 元 件 的 霍 爾 系 數(shù) 。 顯 然 ， 霍 爾 系數(shù) 由 半 導(dǎo) 體 材 料 的 性 質(zhì) 決 定 ， 它 反 映 材 料 霍 爾 效應(yīng) 的 強(qiáng) 弱 。 n為 半 導(dǎo) 體 中 的 電 子 濃 度 ， 即 單 位 體 積 中 的 電 子 數(shù) ， 負(fù) 號(hào) 表示 電 子 運(yùn) 動(dòng) 方 向 與 電 流 方 向 相 反 。 dRK HH 設(shè) IBKU HH KH即 為 霍 爾 元 件 的 靈 敏 度 ， 它 表 示 一 個(gè) 霍 爾 元 件 在單 位 控 制 電 流 和 單 位 磁 感 應(yīng) 強(qiáng) 度 時(shí) 產(chǎn) 生 的 霍 爾 電 壓 的大 小 . 單 位 是 m V/（

7、m AT） nqdKH 1 IEvlUEv I bBlUvbBUH lBUbRbdlUdBRRUdBRdIBRU HHHHH HR HR pedIBUH HR bBlUvbBUH dRK HH 可 以 推 出 ， 霍 爾 電 動(dòng) 勢(shì) UH的 大 小 為 ： H H cosU k IB 式 中 ： kH為 靈 敏 度 系 數(shù) ， kH= RH/d， 表 示 在 單 位 磁 感 應(yīng) 強(qiáng) 度 和 單位 控 制 電 流 時(shí) 的 霍 爾 電 動(dòng) 勢(shì) 的 大 小 ,與 材 料 的 物 理 特 性 （ 霍 爾 系數(shù) ） 和 幾 何 尺 寸 d有 關(guān) ； 霍 爾 系 數(shù) RH 1/(nq)， 由 材 料 物

8、理 性 質(zhì) 所 決 定 ， q為 電 子 電 荷 量 ；n為 材 料 中 的 電 子 濃 度 。 為 磁 場(chǎng) 和 薄 片 法 線 夾 角 。 2 霍 爾 元 件霍 爾 片 是 一 塊 矩 形 半 導(dǎo) 體 單 晶 薄 片 (一 般 為 4 mm 2 mm 0.1 mm)，經(jīng) 研 磨 拋 光 ， 然 后 用 蒸 發(fā) 合 金 法 或 其 他 方 法 制 作 歐 姆 接 觸 電 極 ，最 后 焊 上 引 線 并 封 裝 。 而 薄 膜 霍 爾 元 件 則 是 在 一 片 極 薄 的 基 片 上用 蒸 發(fā) 或 外 延 的 方 法 做 成 霍 爾 片 ， 然 后 再 制 作 歐 姆 接 觸 電 極 ， 焊

9、上 引 線 最 后 封 裝 。 一 般 控 制 端 引 線 采 用 紅 色 引 線 ， 而 霍 爾 輸 出 端引 線 則 采 用 綠 色 引 線 。 霍 爾 元 件 的 殼 體 用 非 導(dǎo) 磁 金 屬 、 陶 瓷 或 環(huán)氧 樹(shù) 脂 封 裝 。 (a) 霍 爾 元 件 外 形 (b)電 路 符 號(hào) (c) 基 本 應(yīng) 用 電 路 二 、 霍 爾 元 件 材 料 。 2) 霍 爾 元 件 的 材 料鍺 (Ge)、 硅 (Si)、 銻 化 銦 (InSb)、 砷 化 銦 (InAs)和 砷 化 鎵(GaAs)是 常 見(jiàn) 的 制 作 霍 爾 元 件 的 幾 種 半 導(dǎo) 體 材 料 。 表 6-2所 列

10、為 制 作 霍 爾 元 件 的 幾 種 半 導(dǎo) 體 材 料 主 要 參 數(shù) 。 1 2 /電 阻 率 電 子 遷 移 率 材 料 (單 晶 ) 禁 帶 寬 度Eg/(eV) /( cm) /(cm/Vs) 霍 爾 系 數(shù)RH/(cmC-1)N型 鍺 (Ge) 0.66 1.0 3500 4250 4000N型 硅 (Si) 1.107 1.5 1500 2250 1840銻 化 銦 (InSb) 0.17 0.005 60000 350 4200砷 化 銦 (InAs) 0.36 0.0035 25000 100 1530磷 砷 銦 (InAsP) 0.63 0.08 10500 850 30

11、00 哪 種 材 料 制 作 的 霍 爾 元 件 靈 敏 度 高 1.額 定 激 勵(lì) 電 流 IH使 霍 爾 元 件 溫 升 10 C所 施 加 的 控 制 電 流 值 。 當(dāng) 霍 爾 元件 做 好 后 ， 限 制 額 定 電 流 的 主 要 因 素 是 散 熱 條 件 。2.輸 入 電 阻 Ri和 輸 出 電 阻 RORi 是 指 控 制 電 流 極 之 間 的 電 阻 值 。R0 指 霍 爾 電 極 間 的 電 阻 值 。Ri 、 R0可 以 在 無(wú) 磁 場(chǎng) 時(shí) 用 歐 姆 表 等 測(cè) 量 。 3.不 等 位 電 勢(shì) U0及 零 位 電 阻 r0 當(dāng) 霍 爾 元 件 的 激 勵(lì) 電 流 為

12、 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) 。 000 BH IBKU 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

13、上 問(wèn) 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) 。 u 不 等 位 電 阻 不 等 位 電 勢(shì) 也 可 用 不 等 位 電 阻 表 示 : HIUr 00 4、 寄 生 直 流 電 勢(shì) 當(dāng) 不 加 外 磁 場(chǎng) ， 控 制 電 流 改 用 額 定 交 流 電 流 時(shí) ，霍 爾 電 極 間 的 空 載 電 勢(shì) 為 直 流 與 交 流 電 勢(shì) 之 和 。其 中 的 交 流 霍 爾 電 勢(shì) 與 前 述 零 位 電 勢(shì) 相 對(duì) 應(yīng) ， 而直 流 霍 爾 電 勢(shì) 是 個(gè) 寄 生 量 ， 稱 為 寄 生 直 流 電 勢(shì)

14、 V。5、 熱 阻 RQ 它 表 示 在 霍 爾 電 極 開(kāi) 路 情 況 下 ， 在 霍 爾 元 件 上 輸入 lmW的 電 功 率 時(shí) 產(chǎn) 生 的 溫 升 ， 單 位 為 0C mW。 所以 稱 它 為 熱 阻 是 因 為 這 個(gè) 溫 升 的 大 小 在 一 定 條 件下 與 電 阻 有 關(guān) . dRK HH / 型 號(hào) 材 料 控 制 電 流(mA) 霍 爾 電 壓 (mV, 0.1T) 輸 入 電 阻 ( ) 輸 出 電 阻 ( ) 靈 敏 度(mV/mA.T) 不 等位 電勢(shì)(mV) VH 溫度 系數(shù) (%/ ) EA218 InAs 100 8.5 3 1.5 0.35 13 6.5

15、 2.4 0.75 1 0.07 VHG-110 GaAs 5 5 -10 200-800 200-800 30-220 5 40 30 2.5 _ -0.02 MF07FZZ InSb 10 40-290 8-60 8-65 _ 10 -2 MF19FZZ InSb 10 80-600 8-60 8-65 _ 10 -2 MH07FZZ InSb 1V 80-120 80-400 80-430 _ 10 -0.3 MH19FZZ InSb 1V 150-250 80-400 80-430 _ 10 -0.3 KH-400A InSb 5 250-550 240-550 50-110 50-1

16、100 10 -0.3 霍 爾 片 基 本 測(cè) 量 電 路 圖 如 下 所 示 。 （ 1） 霍 爾 器 件 為 四 端 口 元 件 ， 其 中 1-3為 （ 控 制 ） 電 極 ； 2-4為（ 霍 爾 ） 電 極 ； （ 2） 霍 爾 元 件 的 輸 入 電 阻 是 指 （ 控 制 ） 電 極 間 的 電 阻 值 ， 輸 出 電 阻是 指 （ 霍 爾 ） 電 極 間 的 電 阻 值 。 （ 3） 霍 爾 片 的 不 等 位 電 勢(shì) U0由 不 等 位 電 阻 r0引 起 ， 發(fā) 生 在 （ 霍 爾 ）電 極 上 . 二 、 測(cè) 量 電 路 霍 爾 元 件 的 基 本 測(cè) 量 電 路 如 圖

17、5-22所 示 。 激 勵(lì) 電 流 由 電 源 E供 給 ， 可變 電 阻 RP用 來(lái) 調(diào) 節(jié) 激 勵(lì) 電 流 I的 大 小 。RL為 輸 出 霍 爾 電 勢(shì) UH的 負(fù) 載 電 阻 。 通常 它 是 顯 示 儀 表 、 記 錄 裝 置 或 放 大 器的 輸 入 阻 抗 。 圖 5-22 霍 爾 元 件 的 基 本 測(cè) 量 電 路 （ a） 基 本 測(cè) 量 電 路 W UHRLEW1 W2 U H UH 霍 爾 元 件 的 轉(zhuǎn) 換 效 率 較 低 ， 實(shí) 際 應(yīng) 用 中 ， 可 將 幾 個(gè)霍 爾 元 件 的 輸 出 串 聯(lián) 或 采 用 運(yùn) 算 放 大 器 放 大 ， 以 獲得 較 大 的 UH

18、。 霍 爾 元 件 的 連 接 電 路 練 習(xí) 題 1、 制 作 霍 爾 元 件 應(yīng) 采 用 的 材 料 是 ， 因?yàn)?半 導(dǎo) 體 材 料 能 使 截 流 子 的 的 乘 積 最大 ， 而 使 兩 個(gè) 端 面 出 現(xiàn) 差 最 大 。 2、 霍 爾 片 不 等 位 電 勢(shì) 是 如 何 產(chǎn) 生 的 原 因 是 重 要 起因 是 焊 接 在 同 一 等 位 面 上 。 3、 霍 爾 電 動(dòng) 勢(shì) 與 哪 些 因 素 有 關(guān) ?如 何 提 高 霍 爾 傳感 器 的 靈 敏 度 ? 3答 ： 練 習(xí) 題 1、 制 作 霍 爾 元 件 應(yīng) 采 用 的 材 料 是 半 導(dǎo) 體 材 料 ， 因 為半 導(dǎo) 體 材

19、 料 能 使 截 流 子 的 遷 移 率 與 電 阻 率 的 乘 積 最 大 ， 而使 兩 個(gè) 端 面 出 現(xiàn) 電 勢(shì) 差 最 大 。 2、 霍 爾 片 不 等 位 電 勢(shì) 是 如 何 產(chǎn) 生 的 原 因 是 重 要 起 因 是 不 能 將 霍 爾 電 極 焊 接 在 同 一 等 位 面 上 。 3、 霍 爾 電 動(dòng) 勢(shì) 與 哪 些 因 素 有 關(guān) ?如 何 提 高 霍 爾 傳 感 器 的 靈敏 度 ? 3答 ： 霍 爾 電 動(dòng) 勢(shì) 與 霍 爾 電 場(chǎng) EH、 載 流 導(dǎo) 體 或 半 導(dǎo) 體 的 寬度 b、 載 流 導(dǎo) 體 或 半 導(dǎo) 體 的 厚 度 d、 電 子 平 均 運(yùn) 動(dòng) 速 度 u、

20、磁 場(chǎng) 感 應(yīng) 強(qiáng) 度 B、 電 流 I有 關(guān) 。 霍 爾 傳 感 器 的 靈 敏 度 KH =RH/d。 為 了 提 高 霍 爾 傳 感 器的 靈 敏 度 ， 霍 爾 元 件 常 制 成 薄 片 形 。 又 因 為 霍 爾 元 件 的 靈敏 度 與 載 流 子 濃 度 成 反 比 ， 所 以 可 采 用 自 由 電 子 濃 度 較 低的 材 料 作 霍 爾 元 件 。 1HH d nedRK 不 等 位 電 動(dòng) 勢(shì) 產(chǎn) 生 的 原 因 是 由 于 制 造 工 藝不 可 能 保 證 將 兩 個(gè) 霍 爾 電 極 對(duì) 稱 地 焊 在 霍爾 片 的 兩 側(cè) ， 致 使 兩 電 極 點(diǎn) 不 能 完 全

21、 位 于同 一 等 位 面 上 。 霍 爾 元 件 的 誤 差 及 補(bǔ) 償 1 霍 爾 元 件 的 零 位 誤 差 與 補(bǔ) 償霍 爾 元 件 的 零 位 誤 差 是 指 在 無(wú) 外 加 磁 場(chǎng) 或 無(wú) 控 制 電 流 的 情 況 下 ，霍 爾 元 件 產(chǎn) 生 輸 出 電 壓 并 由 此 而 產(chǎn) 生 的 誤 差 。 它 主 要 表 現(xiàn) 為 以下 幾 種 具 體 形 式 。 1) 不 等 位 電 動(dòng) 勢(shì)不 等 位 電 動(dòng) 勢(shì) 是 零 位 誤 差 中 最 主 要 的 一 種 ，它 是 當(dāng) 霍 爾 元 件 在 額 定 控 制 電 流 (元 件 在 空 氣中 溫 升 10 所 對(duì) 應(yīng) 的 電 流 )作

22、用 下 ， 不 加 外 磁場(chǎng) 時(shí) ， 霍 爾 輸 出 端 之 間 的 空 載 電 動(dòng) 勢(shì) 。 此 外 ,霍 爾 片 電 阻 率 不 均 勻 ， 或 片 厚 薄 不均 勻 ， 或 控 制 電 流 極 接 觸 不 良 都 將 使 等 位面 歪 斜 ， 如 圖 所 示 ， 致 使 兩 霍 爾 電 極 不 在同 一 等 位 面 上 而 產(chǎn) 生 不 等 位 電 動(dòng) 勢(shì) 。 2) 寄 生 直 流 電 勢(shì)在 無(wú) 磁 場(chǎng) 的 情 況 下 ， 元 件 通 入 交 流 電 流 ， 輸 出 端 除 交 流 不 等 位電 壓 以 外 的 直 流 分 量 稱 為 寄 生 直 流 電 勢(shì) 。 產(chǎn) 生 寄 生 直 流 電

23、勢(shì) 的原 因 有 兩 個(gè) 方 面 ： (1)由 于 控 制 電 極 焊 接 處 接 觸 不 良 而 造 成 一 種整 流 效 應(yīng) ， 使 控 制 電 流 因 正 、 反 向 電 流 大 小 不 等 而 具 有 一 定 的直 流 分 量 。 (2)輸 出 電 極 焊 點(diǎn) 熱 容 量 不 相 等 產(chǎn) 生 溫 差 電 動(dòng) 勢(shì) 。 對(duì)于 鍺 霍 爾 元 件 ， 當(dāng) 交 流 控 制 電 流 為 20 mA時(shí) ， 輸 出 電 極 的 寄 生 直流 電 壓 小 于 100 。 V 3) 感 應(yīng) 零 電 動(dòng) 勢(shì)感 應(yīng) 零 電 動(dòng) 勢(shì) 是 在 未 通 電 流 的 情 況 下 ， 由 于脈 動(dòng) 或 交 變 磁 場(chǎng)

24、 的 作 用 ， 在 輸 出 端 產(chǎn) 生 的 電動(dòng) 勢(shì) 。 根 據(jù) 電 磁 感 應(yīng) 定 律 ， 感 應(yīng) 電 動(dòng) 勢(shì) 的 大小 與 霍 爾 元 件 輸 出 電 極 引 線 構(gòu) 成 的 感 應(yīng) 面 積成 正 比 ， 如 圖 所 示 。 4) 自 激 場(chǎng) 零 電 動(dòng) 勢(shì)霍 爾 元 件 控 制 電 流 產(chǎn) 生 自 激 場(chǎng) ， 如 圖 所 示 。由 于 元 件 的 左 右 兩 半 場(chǎng) 相 等 ， 故 產(chǎn) 生 的 電 動(dòng)勢(shì) 方 向 相 反 而 抵 消 。 實(shí) 際 應(yīng) 用 時(shí) 由 于 控 制 電流 引 線 也 產(chǎn) 生 磁 場(chǎng) ， 使 元 件 左 右 兩 半 場(chǎng) 強(qiáng) 不等 ， 因 而 有 霍 爾 電 動(dòng) 勢(shì)

25、輸 出 ， 這 一 輸 出 電 動(dòng)勢(shì) 即 是 自 激 場(chǎng) 零 電 動(dòng) 勢(shì) 。 在 上 述 的 4種 零 位 誤 差 中 ， 寄 生 直 流 電 動(dòng) 勢(shì) 、 感 應(yīng) 零 電 動(dòng) 勢(shì) 以 及自 激 場(chǎng) 零 電 動(dòng) 勢(shì) ， 是 由 于 制 作 工 藝 上 的 原 因 而 造 成 的 誤 差 ， 可 以通 過(guò) 工 藝 水 平 的 提 高 加 以 解 決 。 而 不 等 位 電 動(dòng) 勢(shì) 所 造 成 的 零 位 誤差 ， 則 必 須 通 過(guò) 補(bǔ) 償 電 路 給 予 克 服 。在 理 想 情 況 下 R 1=R2=R3=R4， 即 可 取 得 零 位 電 動(dòng) 勢(shì) 為 零 (或 零 位 電 阻為 零 )， 從

26、 而 消 除 不 等 位 電 動(dòng) 勢(shì) 。 實(shí) 際 上 ， 若 存 在 零 位 電 動(dòng) 勢(shì) ， 則說(shuō) 明 此 4個(gè) 電 阻 不 完 全 相 等 ， 即 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) 可 調(diào) 電 阻 RP或 在 兩 個(gè) 臂 上 同 時(shí) 并 聯(lián) 電 阻 RP和 R。 霍 爾 元 件 結(jié) 構(gòu) 及 等 效 電 路 如 圖 不 等 位 電 勢(shì)A IU0 BC D DR1 R2R4ABC R3霍 爾 元 件 的 等 效 電 路 圖 不 等 位 電 勢(shì) 的 補(bǔ) 償 電 路 2 霍 爾 元 件 的 溫 度 誤 差 及 補(bǔ) 償與 一 般 半

27、導(dǎo) 體 一 樣 ， 由 于 電 阻 率 、 遷 移 率 以 及 載 流 子 濃 度 隨 溫度 變 化 ， 所 以 霍 爾 元 件 的 性 能 參 數(shù) 如 輸 入 、 輸 出 電 阻 ,霍 爾 常數(shù) 等 也 隨 溫 度 而 變 化 ， 致 使 霍 爾 電 動(dòng) 勢(shì) 變 化 ， 產(chǎn) 生 溫 度 誤 差 。 將 溫 度 每 變 化 1 時(shí) ， 霍 爾 元件 輸 入 電 阻 或 輸 出 電 阻 的 相 對(duì)變 化 率 Ri/Ro稱 為 內(nèi) 阻 溫 度 系數(shù) ， 用 表 示 。 將 溫 度 每 變 化 1 時(shí) ， 霍 爾 電壓 的 相 對(duì) 變 化 率 UHt/UH0稱 為 霍爾 電 壓 溫 度 系 數(shù) ，

28、用 表 示 。 幾 種 溫 度 誤 差 的 補(bǔ) 償 方 法1) 采 用 恒 壓 源 和 輸 入 回 路 串 聯(lián) 電 阻 補(bǔ) 償 基 本 電 路 及 等 效 電 路 如 圖霍 爾 電 壓 隨 溫 度 變 化 的 關(guān) 系 式 為 ： HtH itR EBU R R d 對(duì) 上 式 求 溫 度 的 導(dǎo) 數(shù) 得 ， 要 使 溫 度 變 化 時(shí) 霍 爾 電 壓 不 變 ， 必須 使 外 接 電 阻 ： i0( )RR 2) 合 理 選 擇 負(fù) 載 電 阻 RL的 阻 值霍 爾 元 件 的 輸 出 電 阻 Ro和 霍 爾 電 動(dòng) 勢(shì) UH都 是 溫 度 的 函 數(shù) (設(shè) 為 正溫 度 系 數(shù) )， 當(dāng) 霍

29、 爾 元 件 接 有 負(fù) 載 RL時(shí) ， 在 RL上 的 電 壓 為 ：L H0 0L L o0 01 ( )1 ( )R U t tU R R t t 為 了 負(fù) 載 上 的 電 壓 不 隨 溫 度 變 化 ， 應(yīng) 使 dUL/d(t-t0)=0， 即 L o0( 1)R R 式 中 ： Ro0為 溫 度 t0時(shí) 的 霍 爾 元 件 輸 出 電 阻 ?？?采 用 串 、 并 連 電 阻 的 方 法 使 上 式 成 立 來(lái) 補(bǔ) 償 溫 度 誤 差 ， 但霍 爾 元 件 的 靈 敏 度 將 會(huì) 降 低 。 3) 采 用 溫 度 補(bǔ) 償 元 件 (如 熱 敏 電 阻 、 電 阻 絲 )這 是 一

30、種 常 用 的 溫 度 誤 差 補(bǔ) 償 方 法 。 由 于 熱 敏 電 阻 具 有 負(fù) 溫 度系 數(shù) ， 電 阻 絲 具 有 正 溫 度 系 數(shù) ， 可 采 用 輸 入 回 路 串 接 熱 敏 電 阻 ，輸 入 回 路 并 接 電 阻 絲 ， 或 輸 出 端 串 接 熱 敏 電 阻 對(duì) 具 有 負(fù) 溫 度 系 數(shù)的 銻 化 銦 材 料 霍 爾 元 件 進(jìn) 行 溫 度 補(bǔ) 償 。 可 采 用 輸 入 端 并 接 熱 敏 電阻 方 式 對(duì) 輸 出 具 有 正 溫 度 系 數(shù) 的 霍 爾 元 件 進(jìn) 行 溫 度 補(bǔ) 償 。 一 般 來(lái)說(shuō) ， 溫 度 補(bǔ) 償 電 路 、 霍 爾 元 件 和 放 大 電

31、 路 應(yīng) 集 成 在 一 起 制 成 集 成霍 爾 傳 感 器 。 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 ?；?爾 系 數(shù) 與 溫 度 的 關(guān) 系 可 寫 成 ： K H = KH0(1+ T)霍 爾 元 件 的 輸 入 電 阻 與 溫 度 變 化 的 關(guān) 系 可 寫 成 r = r0(1+ T) （ 1） 分 流 電 阻

32、 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(lái) 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

33、應(yīng) 地 減 小 , 并 能 保 持 K HI 乘 積 不 變 , 也 就 抵 消 了 靈 敏 系 數(shù) KH 增 加 的 影 響 。 圖 5-6 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 。 UH 恒 流 源 的 分 流 電 阻 溫 度 補(bǔ) 償 法 常 采 用 分 流 電 阻 R0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 R0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)

34、到 補(bǔ) 償 的 目 的 。在 圖 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 r0, 靈 敏 系 數(shù) 為 KH, 分 流 電 阻 為 R0, 根 據(jù) 分 流概 念 得 00 00 rR IRI H 圖 分 流 電 阻 補(bǔ) 嘗 電 路 示 意 圖I 12 3 40R 當(dāng) 溫 度 升 至 T時(shí) , 電 路 中 各 參 數(shù) 變 為 r = r0(1+ T) R = R0(1+ T) KH = KH0(1+ T)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 rRRIIH )1()1

35、( )1( 00 0 TrTR ITR UH0=UH KH0IH0B=KHIHB則 KH0IH0=KH IH 將 前 面 的 式 子 代 入 上 式 , 經(jīng) 整 理 并 略 去 、 、 ( T)2高 次 項(xiàng) 后 得 當(dāng) 霍 爾 元 件 選 定 后 , 它 的 輸 入 電 阻 r0和 溫 度 系 數(shù) 及 霍爾 電 勢(shì) 溫 度 系 數(shù) 是 確 定 值 。 由 上 式 即 可 計(jì) 算 出 分 流 電阻 R 0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

36、 麻 煩 但 效 果 很 好 。 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 00 )( iRR (2)電 橋 補(bǔ) 償 法 5 霍 爾 傳 感 器 的 應(yīng) 用霍 爾 元 件 具 有 結(jié) 構(gòu) 牢 固 、 工 藝 成 熟 、 體 積 小 、 壽 命 長(zhǎng) 、 線 性 度好 、 頻 率 高 、 耐 振 動(dòng) 、 不 怕 灰 塵 、 油 污 、 水 汽 及 鹽 霧 等 的 污 染或 腐 蝕 的 優(yōu) 點(diǎn) ， 目 前 ， 霍 爾 傳 感 器 是 全 球 使 用 量 排 名 第 三 的 傳感 器 產(chǎn) 品

37、， 它 被 廣 泛 應(yīng) 用 到 工 業(yè) 、 汽 車 業(yè) 、 計(jì) 算 機(jī) 、 手 機(jī) 以 及新 興 消 費(fèi) 電 子 領(lǐng) 域 中 。 霍 爾 電 勢(shì) 是 關(guān) 于 I、 B、 三 個(gè) 變 量的 函 數(shù) ， 即 UH=KHIBcos 。 利 用 這 個(gè)關(guān) 系 可 以 使 其 中 兩 個(gè) 量 不 變 ， 將 第 三個(gè) 量 作 為 變 量 ， 或 者 固 定 其 中 一 個(gè) 量 ，其 余 兩 個(gè) 量 都 作 為 變 量 。 這 使 得 霍 爾傳 感 器 有 許 多 用 途 。 霍 爾 式 位 移 傳 感 器 原 理 示 意 圖 霍 爾 傳 感 器 的 應(yīng) 用霍 爾 轉(zhuǎn) 速 傳 感 器 在 被 測(cè) 轉(zhuǎn) 速

38、的 轉(zhuǎn) 軸 上 安 裝 一 個(gè) 齒 盤 ， 也 可 選 取 機(jī) 械 系 統(tǒng) 中 的一 個(gè) 齒 輪 ， 將 線 性 型 霍 爾 器 件 及 磁 路 系 統(tǒng) 靠 近 齒 盤 。 齒 盤 的 轉(zhuǎn) 動(dòng)使 磁 路 的 磁 阻 隨 氣 隙 的 改 變 而 周 期 性 地 變 化 ， 霍 爾 器 件 輸 出 的 微小 脈 沖 信 號(hào) 經(jīng) 隔 直 、 放 大 、 整 形 后 可 以 確 定 被 測(cè) 物 的 轉(zhuǎn) 速 。SN霍 爾 器 件磁 鐵 霍 爾 轉(zhuǎn) 速 表 原 理 當(dāng) 齒 對(duì) 準(zhǔn) 霍 爾 元 件 時(shí) ， 磁 力 線 集 中 穿 過(guò) 霍 爾 元 件 ， 可 產(chǎn)生 較 大 的 霍 爾 電 動(dòng) 勢(shì) ， 放 大

39、、 整 形 后 輸 出 高 電 平 ； 反 之 ，當(dāng) 齒 輪 的 空 擋 對(duì) 準(zhǔn) 霍 爾 元 件 時(shí) ， 輸 出 為 低 電 平 。 鋼 絲 繩 斷 絲 檢 測(cè) 霍 爾 效 應(yīng) 鋼 絲 繩 斷 絲 檢 測(cè) 裝 置 鐵 磁 材 料 裂 紋 檢 測(cè) N S 測(cè) 量 鐵 心 氣 隙 的 B值霍 爾 傳 感 器 用 于 測(cè) 量 磁 場(chǎng) 強(qiáng) 度 霍 爾 元 件 霍 爾 轉(zhuǎn) 速 表 的 其 他 安 裝 方 法 只 要 金 屬 旋 轉(zhuǎn) 體 的 表 面 存 在 缺 口 或 突 起 ， 就 可 產(chǎn) 生 磁 場(chǎng) 強(qiáng)度 的 脈 動(dòng) ， 從 而 引 起 霍 爾 電 勢(shì) 的 變 化 ， 產(chǎn) 生 轉(zhuǎn) 速 信 號(hào) 。 霍 爾 元 件磁 鐵 3 霍 爾 機(jī) 械 振 動(dòng) 傳 感 器 1 霍 爾 元 件 ； 2 平 板 （ 非 磁 性 材 料 ） ；3 頂 桿 ； 4 觸 點(diǎn) ； 5 外 殼 ； 6 磁 系統(tǒng) 觸 點(diǎn) 4與 被 測(cè) 對(duì) 象 接 觸 ， 整 個(gè) 組 件 隨 被 測(cè)體 做 機(jī) 械 振 動(dòng) 。 霍 爾 元 件 輸 出 的 霍 爾 電 動(dòng)勢(shì) 可 反 映 出 被 測(cè) 振 動(dòng) 的 頻 率 和 幅 度 。 3 電 流 測(cè) 量霍 爾 鉗 形 電 流 表 測(cè) 量 原 理