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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 霍爾效應及霍爾元件 霍爾傳感器是基于霍爾效應的一種傳感器。1879年美國物理學家霍爾首先在金屬材料中發(fā)現(xiàn)了霍爾效應, 但由于金屬材料的霍爾效應太弱而沒有得到應用。隨著半導體技術的發(fā)展, 開始用半導體材料制成霍爾元件, 由于它的霍爾效應顯著而得到應用和發(fā)展。 霍爾傳感器廣泛用于電磁測量、壓力、加速度、振動等方面的測量。 1. 霍爾效應 置于磁場中的靜止載流導體, 當它的電流方向與磁場方向不一致時, 載流導體上平行于電流和磁場方向上的兩個面之間產(chǎn)生電動勢, 這種現(xiàn)象稱霍爾效應。該電勢稱霍爾電勢。 章 霍爾式傳感器 圖 5-1 所示,

2、 在垂直于外磁場B的方向上放置一導電板, 導電板通以電流I, 方向如圖所示。導電板中的電流是金屬中自由電子在電場作用下的定向運動。此時, 每個電子受洛侖磁力fm的作用，fm大小為 fm =eBv （ 5-1）式中: e電子電荷; v電子運動平均速度; B磁場的磁感應強度。 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, 此時電子除了沿電流反方向作定向運動外, 還在fm的作用下向上漂移, 結果使金屬導電板上底面積累電子, 而下底面積累正電荷, 從而形成了附加內電場EH, 稱霍爾電場, 該電場強度為 EH= （5-2） 式中UH為電位差?；魻栯妶龅某霈F(xiàn), 使定向運動的電子

3、除了受洛侖磁力作用外, 還受到霍爾電場的作用力, 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, 霍爾電場增加, 電子受到的電場力也增加, 當電子所受洛侖磁力與霍爾電場作用力大小相等、 方向相反時, 即bUH 章 霍爾式傳感器 eEH=evB （5-3）則 EH=vB （5-4） 此時電荷不再向兩底面積累, 達到平衡狀態(tài)。 若金屬導電板單位體積內電子數(shù)為n, 電子定向運動平均速度為v, 則激勵電流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, 霍爾電勢正比于激勵電流及磁感應強度,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, 霍爾元件激勵極間電阻R=L/（bd）, 同時R=UI/I=EIL/I=vL/（nevbd）, 其中UI為加在霍爾元件兩端的激勵電壓，EI為霍爾元件激勵極間內電場，v為電子移動的平均速度。 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。若要霍爾效應強, 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。銻化銦對溫度最敏感, 尤其在低溫范圍內溫度系數(shù)大,

6、 但在室溫時其霍爾系數(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 為常用國產(chǎn)霍爾元件的技術參數(shù)。 章 霍爾式傳感器 章 霍爾式傳感器 章 霍爾式傳感器 2. 霍爾元件基本結構 霍爾元件的結構很簡單, 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體單晶薄片， 引出四個引線。1、1兩根引線加激勵電壓或電流，稱為激勵電極；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） 額定激勵電流和最大允許激勵電流 當霍爾元件自身溫升10時所流過的激勵電流稱為額定激勵電流。 以元件允許最大溫升為限制所對應的激勵電流稱為最大允許激勵電流。因霍爾電勢隨激勵電流增加而性增加, 所以, 使用中希望選用盡可能大的激勵電流, 因而需要知道元件的最大允許激勵電流, 改善霍爾元件的散熱條件, 可以使激勵電流增加。 2） 輸入電阻和輸出電阻 激勵電極間的電阻值稱為輸入電阻?；魻栯姌O輸出電勢對外電路來說相當于一個電壓源, 其電源內阻即為輸出電阻。以上電阻值是在磁感應強度為零且環(huán)境溫度在205時確定的。 章 霍爾式傳感器 5.2 霍爾元件測量誤差及補償 霍爾元件在使用中，存在多種因素影響

8、測量精度，主要原因有兩類：半導體制造工藝和半導體固有特性。其表現(xiàn)為零位誤差和溫度誤差而引起的測量誤差。 5.2.1 零位誤差及補償u 不等位電勢是零位誤差中最主要的一種 當霍爾元件的激勵電流為I時, 若元件所處位置磁感應強度為零, 則它的霍爾電勢應該為零, 但實際不為零。 這時測得的空載霍爾電勢稱不等位電勢。 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稱或不在同一等電位面上; 半導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）; 激勵電極接觸不良造成激勵電流不均勻分布等。 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。 0

9、00 BHIBKU 章 霍爾式傳感器 式中: U0不等位電勢; r0不等位電阻; IH激勵電流。 由上式（5-11）可以看出, 不等位電勢就是激勵電流流經(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補償 不等位電勢與霍爾電勢具有相同的數(shù)量級, 有時甚至超過霍爾電勢, 而實用中要消除不等位電勢是極其困難的, 因而必須采用補償?shù)姆椒ā?由于不等位電勢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的補償方法。如圖 5-4 所示, 其中A、B為激勵電極, 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, 即可取得零位電勢為零（或零位電阻為零）。 實際上, 由于不等位電阻的存在, 說明此四個電阻值不相等, 可將其視為電橋的四個橋臂, 則電橋不平衡。為使其達到平衡， 可在阻值較大的橋臂上并聯(lián)電阻（如圖5-4（a）所示）, 或在兩個橋臂上同時并聯(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 溫度誤差及其補償溫度誤差 霍爾元件是采用半導體材料制成的, 因此它們的許多參數(shù)都具有較大的溫度系數(shù)。當溫度變化時, 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。霍爾系數(shù)

11、與溫度的關系可寫成霍爾元件的輸入電阻與溫度變化的關系可寫成 )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有效措施, 可以使霍爾電勢穩(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, 它們的霍爾電勢隨溫度升高而增加（1+T）倍。如果,與此同時讓激勵電流I相應地減小, 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 就是按此思路設計的一個既簡單、 補償效果

12、又較好的補償電路。IK HKH 章 霍爾式傳感器 恒流源的分流電阻溫度補償法常采用圖5-5的補償電路電路中用一個分流電阻Rp與霍爾元件的激勵電極相并聯(lián)。 當霍爾元件的輸入電阻隨溫度升高而增加時, 旁路分流電阻Rp自動地加強分流, 減少了霍爾元件的激勵電流I, 從而達到補償?shù)哪康摹?在圖 5-5 所示的溫度補償電路中, 設初始溫度為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） 當溫度升至T時, 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, 為使霍爾電勢不變, 補償電路必須滿足溫升前、 后的霍爾電勢不變, 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高次項后得 Rp0= （5-18） 當霍爾元件選定后, 它的輸入電阻R i0和溫度系數(shù)及霍爾電勢

14、溫度系數(shù)是確定值。由式（5-18）即可計算出分流電阻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 橋路溫度補償法 如圖5-6所示是霍爾電勢的橋路溫度補償法，霍爾元件的不等位電勢U0用RP來補償，在霍爾輸出極上串聯(lián)一個溫度補償電撟，電撟的三個臂為錳銅電阻，其中一臂為錳銅電阻并聯(lián)熱敏電阻RX，當溫度變化時，由于RX發(fā)生變化，使電橋的輸出發(fā)生變化，從而使整個回路的輸出得到補償。仔細調整電撟的溫度系數(shù)，可使在40的溫度變化范圍內，傳感器的輸出與溫度基本無關。 圖5-6 橋路溫度

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

16、動態(tài)范圍可達 5 mm, 分辨率為 0.001mm。 5.3 霍爾式傳感器的應用 章 霍爾式傳感器 章 霍爾式傳感器 圖（b）所示是一種結構簡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, 霍爾電壓不等于零。 圖（c）是一個由兩個結構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, 霍爾元件調整好初始位置時, 可以使霍爾電壓UH=0 。 這種傳感器靈敏度很高, 但它所能檢測的位移量較小, 適合于微位移量及振動的測量 。 2. 霍爾式轉速傳感器 圖 5-8 是幾種不同結構的霍爾式轉速傳感器。 磁性轉盤的輸入軸與被測轉軸相連, 當被測轉軸轉

17、動時, 磁性轉盤隨之轉動, 固定在磁性轉盤附近的霍爾傳感器便可在每一個小磁鐵通過時產(chǎn)生一個相應的脈沖, 檢測出單位時間的脈沖數(shù), 便可知被測轉速。磁性轉盤上小磁鐵數(shù)目的多少決定了傳感器測量轉速的分辨率。 章 霍爾式傳感器 章 霍爾式傳感器 3. 霍爾計數(shù)裝置 霍爾開關傳感器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變化, 因而可對黑色金屬零件進行計數(shù)檢測。 圖 7 - 14 是對鋼球進行計數(shù)的工作示意圖和電路圖當鋼球通過霍爾開關傳感器時, 傳感器可輸出峰值20mV的脈沖電壓, 該電壓經(jīng)運算放大器A（A741）放大后, 驅動半導體三極管VT（2N5812）工作, VT輸出端便可接計數(shù)器進行計數(shù), 并由顯示器顯示檢測數(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, 它們的霍爾電勢隨溫度升高而增加（1+T）倍。如果,與此同時讓激勵電流I相應地減小, 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 就是按此思路設計的一個既簡單、 補償效果又較好的補償電路。