霍尔传感器分析.pptx

2024/8/9 周五1 霍尔传感器霍尔传感器本节主要讲述内容：本节主要讲述内容：1、霍尔传感器的工作原理、霍尔传感器的工作原理2、霍尔元件的基本结构和主要技术指标、霍尔元件的基本结构和主要技术指标3、霍尔元件的测量电路、霍尔元件的测量电路4、霍尔传感器举例、霍尔传感器举例2024/8/9 周五2概述：概述：霍尔元件是一种基于霍尔效应的磁电传感器，得到广泛的应用。可以检测磁场及其变化，可在各种与磁场有关的场合中使用。霍尔器件以霍尔效应为其工作基础。特点：特点：霍尔器件具有许多优点，它们的结构牢固，体积小，重量轻，寿命长，安装方便，功耗小，频率高，耐震动，不怕灰尘、油污、水汽及盐雾等的污染或腐蚀一、霍一、霍尔元件的基本工作原理尔元件的基本工作原理2024/8/9 周五3霍尔效应原理图霍尔效应原理图霍尔效应霍尔效应2024/8/9 周五4霍尔元件霍尔元件 金属或半导体薄片置于磁场中，当有电流金属或半导体薄片置于磁场中，当有电流流过时，在垂直于电流和磁场的方向上将产生流过时，在垂直于电流和磁场的方向上将产生电动势，这种物理现象称为电动势，这种物理现象称为霍尔效应。霍尔效应。2024/8/9 周五5 设图中的材料是型半导体，导电的载流子是电子。在设图中的材料是型半导体，导电的载流子是电子。在轴方向的磁场作用下，电子将受到一个沿轴负方向力的作轴方向的磁场作用下，电子将受到一个沿轴负方向力的作用，这个力就是洛仑兹力。它的大小为：用，这个力就是洛仑兹力。它的大小为：zxyIADBCBlLdUHA、B-霍尔电极 C、D-控制电极F FH H2024/8/9 周五6 电荷的聚积必将产生静电场，即为霍尔电场，该静电场对电子的作用电荷的聚积必将产生静电场，即为霍尔电场，该静电场对电子的作用力为力为FE与洛仑兹力方向相反，将阻止电子继续偏转，其大小为与洛仑兹力方向相反，将阻止电子继续偏转，其大小为q0q0电子电量电子电量(1.6210 C)(1.6210 C)；v v载流子运动速度。载流子运动速度。根据左手螺旋定则，电子运动方向向根据左手螺旋定则，电子运动方向向y y的反方向偏移，则在上端产生的反方向偏移，则在上端产生电子积聚，另外一端失去电子产生正电荷积聚。从而形成电场。电子积聚，另外一端失去电子产生正电荷积聚。从而形成电场。电场作用于电子的电场作用于电子的电场力为电场力为电场力与洛仑兹力方向相反，阻止电子继续偏转，当达到动态平衡时电场力与洛仑兹力方向相反，阻止电子继续偏转，当达到动态平衡时-192024/8/9 周五7霍耳电势霍耳电势U UH H与与 I IC C、B B的乘积成正比，而与的乘积成正比，而与d d成反比。可改写成：成反比。可改写成：电流密度电流密度j=nq0vn nN N型半导体型半导体中的电子浓度中的电子浓度P P型半导体型半导体 霍耳系数，由材料物理性质决定。霍耳系数，由材料物理性质决定。p pP P型半导体型半导体中的空穴浓度中的空穴浓度材料电阻率材料电阻率载流子迁移率载流子迁移率霍耳片全部采用半导体材料制成。而电子的迁移率比空穴大，所霍耳片全部采用半导体材料制成。而电子的迁移率比空穴大，所以以以以N N型半导体居多。型半导体居多。2024/8/9 周五8设设 KH=RH /d KH霍尔元件灵敏度。它与材料的物理性质和几何尺寸有关，霍尔元件灵敏度。它与材料的物理性质和几何尺寸有关，它决定霍尔电势的强弱。它决定霍尔电势的强弱。若磁感应强度若磁感应强度B的方向与霍尔元件的平面法线夹角为的方向与霍尔元件的平面法线夹角为时，时，霍耳电霍耳电势势应为：应为：UH KH IC B UH KH IC B cos 注意：当控制电流的方向或磁场方向改变时，输出注意：当控制电流的方向或磁场方向改变时，输出霍霍耳电耳电势的方向也改变。但当磁场与电流同时改变方向势的方向也改变。但当磁场与电流同时改变方向时，时，霍耳电霍耳电势并不改变方向。势并不改变方向。2024/8/9 周五9通过以上分析可知：通过以上分析可知：1 1）霍尔电压）霍尔电压U UH H与材料的性质有关与材料的性质有关 n n 愈大，愈大，K KH H 愈小，霍尔灵敏度愈低；愈小，霍尔灵敏度愈低；n n 愈小，愈小，K KH H 愈大，但愈大，但n n太小，需施加极高的电压才能产生很小的电太小，需施加极高的电压才能产生很小的电流。因此霍尔元件一般采用流。因此霍尔元件一般采用N N型半导体材料型半导体材料2 2）霍尔电压）霍尔电压U UH H与元件的尺寸有关。与元件的尺寸有关。d d 愈小，愈小，K KH H 愈大，霍尔灵敏度愈高，愈大，霍尔灵敏度愈高，所以霍尔元件的厚度都比较所以霍尔元件的厚度都比较薄，但薄，但d d太小，会使元件的输入、输出电阻增加。太小，会使元件的输入、输出电阻增加。霍尔电压霍尔电压U UH H与控制电流及磁场强度成正比，当磁场改变方向时，与控制电流及磁场强度成正比，当磁场改变方向时，也改变方向。也改变方向。3 3）P P型半导体，其多数载流子是空穴，也存在霍尔效应，但极性和型半导体，其多数载流子是空穴，也存在霍尔效应，但极性和N N型型半导体的相反。半导体的相反。4 4）霍尔电压）霍尔电压U UH H与磁场与磁场B B和电流和电流I I成正比，只要测出成正比，只要测出U UH H ，那么，那么B B或或I I的未知的未知量均可利用霍尔元件进行测量。量均可利用霍尔元件进行测量。UH KH IC BKH=RH /d2024/8/9 周五101、霍尔元件的基本结构组成、霍尔元件的基本结构组成由霍尔片、四根引线和壳体组成，如下图示。由霍尔片、四根引线和壳体组成，如下图示。二、霍尔元件的结构、符号二、霍尔元件的结构、符号图312 霍尔元件(a)霍尔效应原理b)霍尔元件结构示意图；(c)外形2024/8/9 周五11v国产霍尔元件型号的命名方法2024/8/9 周五122.2.霍尔片的基本电路霍尔片的基本电路霍尔元件的符号 2024/8/9 周五13三、霍尔元件的特征参数三、霍尔元件的特征参数1 1、输入电阻、输入电阻R Ri i和输出电阻和输出电阻R R0 0 Ri Ri是指流过是指流过控制电流的电极（简称控制电极）间的电阻值控制电流的电极（简称控制电极）间的电阻值，R R0 0是指霍是指霍尔元件的尔元件的霍尔电势输出电极（简称霍尔电极）间的电阻霍尔电势输出电极（简称霍尔电极）间的电阻，单位为，单位为。可以。可以在无磁场即在无磁场即B B0 0和室温（和室温（20 520 5）时，用欧姆表等测量。时，用欧姆表等测量。2024/8/9 周五142 2、额定控制电流、额定控制电流I IC C和最大控制电流和最大控制电流I ICmCmv霍尔元件在空气中产生霍尔元件在空气中产生1010的温升时所施加的控制电流称为的温升时所施加的控制电流称为额定控制额定控制电流电流I IC C。在相同的磁感应强度下，。在相同的磁感应强度下，I IC C值较大则可获得较大的霍尔输出。值较大则可获得较大的霍尔输出。v霍尔元件限制霍尔元件限制I IC C的主要因素是散热条件。的主要因素是散热条件。v一般锗元件的最大允许温升一般锗元件的最大允许温升T Tm m8080，硅元件的，硅元件的T Tm m175175。当霍尔。当霍尔元件的温升达到元件的温升达到T Tm m时的时的I IC C就是就是最大控制电流最大控制电流I ICmCm 。3 3、最大磁感应强度、最大磁感应强度 磁感应强度超过磁感应强度超过 时，霍尔电势的非线性误时，霍尔电势的非线性误差将明显增大，数值一般小于零点几特斯拉。差将明显增大，数值一般小于零点几特斯拉。4 4、灵敏度、灵敏度KH KH 其定义其定义5 5、磁灵敏系数、磁灵敏系数 霍尔器件输出端开路电压与磁感应强度之比，单位霍尔器件输出端开路电压与磁感应强度之比，单位V/TV/T。2024/8/9 周五15 在在额额定定控控制制电电流流 I Ic c 之之下下，不不加加磁磁B B0 0时时，霍霍尔尔电电极极间间的的空空载载霍霍尔尔电电势势U UH H00，称称为为不不平平衡衡(不不等等位位)电电势势，单单位位为为mVmV。一一般般要要求求霍霍尔尔元元件件的的U UH H1mV1mV，好的霍尔元件的，好的霍尔元件的U UH H可以小于可以小于0.1mV0.1mV。不等位电势和额定控制电流不等位电势和额定控制电流I Ic c之比为之比为不等位电阻不等位电阻R RM M，即，即 6 6、不等位电势、不等位电势U UM M和不等位电阻和不等位电阻R RM M 不不平平衡衡电电势势UH是是主主要要的的零零位位误误差差。因因为为在在工工艺艺上上难难以以保保证证霍霍尔尔元元件件两两侧侧的的电电极极焊焊接接在在同同一一等等电电位位面面上上。如如下下图图(a)(a)所所示示。当当控控制制电电流流I I流流过过时时，即即使使末末加加外外磁磁场场，A A、B B两两电电极极此此时时仍仍存存在在电电位位差差，此此电电位位差差被被称称为为不不等等位位电电势势（不平衡电势）（不平衡电势）UH。2024/8/9 周五16 在在一一定定的的磁磁感感应应强强度度和和控控制制电电流流下下，温温度度变变化化11时时，霍霍尔尔电电势势变变化化的的百分率称为霍尔电势温度系数百分率称为霍尔电势温度系数 ，单位为，单位为1 1。7 7、霍尔电势温度系数霍尔电势温度系数2024/8/9 周五17 四、霍尔元件的连接方式和输出电路四、霍尔元件的连接方式和输出电路1、连接方式、连接方式 为了获得较大的霍尔输出电势，可以采用几片叠加的连接方式。下为了获得较大的霍尔输出电势，可以采用几片叠加的连接方式。下图图(a)为直流供电，控制电流端并联输出串联。下图为直流供电，控制电流端并联输出串联。下图(b)为交流供电，控制电为交流供电，控制电流端串联变压器叠加输出。流端串联变压器叠加输出。2024/8/9 周五182、输出电路、输出电路 霍尔传感器有分立型和集成型两类。分立型又有单晶和薄膜两霍尔传感器有分立型和集成型两类。分立型又有单晶和薄膜两种；集成型有线性霍尔电路和开关霍尔电路。本节主要介绍集成型霍种；集成型有线性霍尔电路和开关霍尔电路。本节主要介绍集成型霍尔传感器的测量电路。霍尔器件是一种四端器件，本身不带放大器。尔传感器的测量电路。霍尔器件是一种四端器件，本身不带放大器。霍尔电势一般是毫伏量级，实际使用中必须加差分放大器。霍尔电势一般是毫伏量级，实际使用中必须加差分放大器。（1 1）线性霍尔集成传感器）线性霍尔集成传感器 线性霍尔集成传感器是将霍尔传感器、放大器、电压调整、电流放大线性霍尔集成传感器是将霍尔传感器、放大器、电压调整、电流放大输出级、失调调整和线性度调整等部分集成在一块芯片上，其特点是输输出级、失调调整和线性度调整等部分集成在一块芯片上，其特点是输出电压随外磁场感应强度出电压随外磁场感应强度 呈线性变化。霍尔集成传感器分单端输出呈线性变化。霍尔集成传感器分单端输出和双端输出。和双端输出。2024/8/9 周五19线性霍尔集成传感器电路结构图2024/8/9 周五20（2）霍尔开关集成传感器1）工作原理霍尔开关集成传感器原理框图2024/8/9 周五21 霍尔元件：霍尔元件：在在0.1T磁场作用下，霍尔元件开路时可输出磁场作用下，霍尔元件开路时可输出20mV左右的左右的 霍尔电压，当有负载时输出霍尔电压，当有负载时输出10mV左右的霍尔电压。左右的霍尔电压。差分放大器：差分放大器：放大器将霍尔电压放大，以便驱动后一级整形电路放大器将霍尔电压放大，以便驱动后一级整形电路整形电路：整形电路：一般采用施密特触发器，它把经差分放大的电压整形为一般采用施密特触发器，它把经差分放大的电压整形为矩形脉冲，实现矩形脉冲，实现A/D转换。转换。输出管：输出管：由一个或两个三极管组成，采用单管或双管集电极开路输由一个或两个三极管组成，采用单管或双管集电极开路输出，集电极输出的优点是可以跟很多类型的电路直接连接，使用方出，集电极输出的优点是可以跟很多类型的电路直接连接，使用方便。便。电源电路：包括稳压电路和恒流电路，设置稳压和恒流电路的电源电路：包括稳压电路和恒流电路，设置稳压和恒流电路的目的，目的，一方面是为了改善霍尔传感器的温度性能，另一方面可以大大提高一方面是为了改善霍尔传感器的温度性能，另一方面可以大大提高集成霍尔传感器工作电源电压的适用范围。集成霍尔传感器工作电源电压的适用范围。2024/8/9 周五22 2）霍尔开关集成传感器的特性）霍尔开关集成传感器的特性 磁特性磁特性 霍尔开关集成传感器的磁特性是指由高电平翻转为低电平的导通霍尔开关集成传感器的磁特性是指由高电平翻转为低电平的导通磁感应强度磁感应强度B（HL）、由低电平翻转为高电平的截止磁感应强度）、由低电平翻转为高电平的截止磁感应强度B（LH）和磁感应强度的滞环宽度）和磁感应强度的滞环宽度.滞环宽度对霍尔开关集成传感器是必需的，因为在导通磁感应强滞环宽度对霍尔开关集成传感器是必需的，因为在导通磁感应强度度B（HL）附近，如果没有滞环效应或滞环效应很小，那么由于磁）附近，如果没有滞环效应或滞环效应很小，那么由于磁噪声或磁钢振动等原因，会使电路的输出反复开启和关闭，形成类似噪声或磁钢振动等原因，会使电路的输出反复开启和关闭，形成类似于自激振荡现象。为防止这种现象的产生，必须具有一定宽度的滞环。于自激振荡现象。为防止这种现象的产生，必须具有一定宽度的滞环。但如果这种滞环宽度过大，对开关动作也是不利的，因为要求磁场变但如果这种滞环宽度过大，对开关动作也是不利的，因为要求磁场变化幅度很大，有可能不发生动作而出现漏计现象。化幅度很大，有可能不发生动作而出现漏计现象。2024/8/9 周五23 我国我国CSCS型开关集成霍尔传感器的型开关集成霍尔传感器的滞环宽度典型值为滞环宽度典型值为610610-3-3T T 右图给出了霍尔开关集成传感右图给出了霍尔开关集成传感器磁电转换特器磁电转换特 性曲线，横坐标表示性曲线，横坐标表示作用于霍尔元件上的正向磁感应强作用于霍尔元件上的正向磁感应强度。度。霍尔开关集成传 感器输出特性 2024/8/9 周五24温度特性温度特性 霍尔开关集成传感器参数也随温度的变化而变化，在此主要讨论它的导通磁感应强度B（HL）、截止磁感应强度B（LH）和滞环宽度的温度特性由图（a）可以看出，导通磁感应强度的温度系数约为（1.52）10-4T/，是正温度系数。从B（HL）与B（LH）特性曲线的差值中算出滞环宽度的温度系数约为 0.2%0.3%，是负温度系数。图（b）给出了CS型霍尔开关集成传感器两个磁特性参数随电源电压E的变化曲线。从图中可以看出，B（HL）和B（LH）参数在电源电压E6V时，随电源电压减少而增加，但滞环宽度随电源电压减小而减小；在电源电压E8V时，这三个参数基本变化不大。2024/8/9 周五25五、霍尔传感器应用五、霍尔传感器应用 由于霍尔传感器具有在静态状态下感受磁场的独特能力，而且它具有结构简单、体积小、重量轻、频带宽（从直流到微波）、动态特性好和寿命长、无触点等许多优点，因此在测量技术，自动化技术和信息处理等方面有着广泛应用。归纳起来，霍尔传感器有三个方面的用途：（1）当控制电流不变时，使传感器处于非均匀磁场中，则传感器的霍尔电势正比于磁感应强度，利用这一关系可反映位置、角度或励磁电流的变化。（2）当控制电流与磁感应强度皆为变量时，传感器的输出与这两者乘积成正比。在这方面的应用有乘法器、功率计以及除法、倒数、开方等运算器，此外，也可用于混频、调制、解调等环节中，但由于霍尔元件变换频率低，温度影响较显著等缺点，在这方面的应用受到一定的限制，这有待于元件的材料、工艺等方面的改进或电路上的补偿措施。（3）若保持磁感应强度恒定不变，则利用霍尔电压与控制电流成正比的关系，可以组成回转器、隔离器和环行器等控制装置。2024/8/9 周五262024/8/9 周五271.角位移测量仪角位移测量仪角位移测量仪结构示意图1-极靴；2-霍尔器件；3-励磁线圈 2024/8/9 周五28 2.霍尔式转速传感器霍尔式转速传感器 下图是几种不同结构的霍尔式转速传感器。转盘的输入轴与被测转轴相连，当被测转轴转动时，转盘随之转动，固定在转盘附近的霍尔传感器便可在每一个小磁铁通过时产生一个相应的脉冲，检测出单位时间的脉冲数，便可知被测转速。根据磁性转盘上小磁铁数目多少就可确定传感器测量转速的分辨率。2024/8/9 周五29 几种霍尔式转速传感器的结构2024/8/9 周五302024/8/9 周五313.霍尔式微压力传感器图320 霍尔式微压力传感器原理示意图2024/8/9 周五322024/8/9 周五334.钢丝绳断丝检测装置钢丝绳断丝检测装置图321 霍尔效应钢丝绳断丝检测装置2024/8/9 周五346、非接触式键盘开关用霍尔开关集成传感器构成的按钮 2024/8/9 周五357、自动供水装置自动供水装置 自动供水装置2024/8/9 周五36自动供水装置的控制电路固态继电器2024/8/9 周五37 平时，SL3020受磁铁的作用，其输出端输出低电平，使VT1处于截止状态，由IC2组成的单稳态电路处于复位状态，IC2的脚输出低电平，固态继电器SP1110由于无控制电流而处于截止状态，电磁阀Y因无电而关闭，水龙头无水流出。单稳态在复位状态时，IC2内部电路将C2短路。当取水者投入铁制的取水牌时，取水牌沿滑槽下滑，在通过霍尔传感装置时，铁制取水牌将磁铁的磁力线短路，此时SL3020输出高电平脉冲。该脉冲经VT1反相后触发由IC2组成的单稳态电路翻转进入暂稳状态，此时IC2的脚输出高电平，使固态继电器SP1110导通，电磁阀Y得电工作，打开阀门放水。单稳态电路翻转后，IC2内部电路将C2原短路状态释放，电源通过RP1及R4向C2充电。当C2上的电压充电到IC2的阈值电压时，单稳态电路复位，IC2的脚又回到低电平，固态继电器SP1110截止，电磁阀Y断电关闭水龙头自动停止出水，电路又恢复到平时状态。2024/8/9 周五382024/8/9 周五392024/8/9 周五402024/8/9 周五41本 章节小 结 位于磁场中的静止载流导体，当电流位于磁场中的静止载流导体，当电流I的方向与磁场强度的方向与磁场强度H的方向垂的方向垂直时，则在载流导体中平行与直时，则在载流导体中平行与H、I的两侧面之间将产生电动势，这个的两侧面之间将产生电动势，这个电动势称为霍尔电势，这种物理现象称为霍尔效应。利用霍尔效应原电动势称为霍尔电势，这种物理现象称为霍尔效应。利用霍尔效应原理制成的传感器称为霍尔传感器。理制成的传感器称为霍尔传感器。霍尔传感器有分立元件式简称霍尔元件）和集成式（简称霍尔霍尔传感器有分立元件式（简称霍尔元件）和集成式（简称霍尔集成传感器）两种。霍尔元件常用锗、硅、砷化镓、砷化铟及锑化铟集成传感器）两种。霍尔元件常用锗、硅、砷化镓、砷化铟及锑化铟等半导体材料制作而成。霍尔集成传感器是将霍尔器件、放大电路、等半导体材料制作而成。霍尔集成传感器是将霍尔器件、放大电路、电压调整电路、电流放大输出级、失调调整和线性度调整部分集成在电压调整电路、电流放大输出级、失调调整和线性度调整部分集成在一块芯片上组成的。一块芯片上组成的。霍尔传感器由于具有结构简单、体积小、重量轻、频带宽（从直霍尔传感器由于具有结构简单、体积小、重量轻、频带宽（从直流到微波）、动态特性好和寿命长、无触点等许多优点，因此在测量流到微波）、动态特性好和寿命长、无触点等许多优点，因此在测量技术，自动化技术和信息处理技术等方面有着广泛应用。技术，自动化技术和信息处理技术等方面有着广泛应用。