傳感器與檢測(cè)技術(shù)霍爾傳感器

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1、傳感與檢測(cè)技術(shù),武漢理工大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院,,Copyright 2004 WUT. All Rights Reserved.,第七章 霍爾傳感器,第一節(jié) 霍爾效應(yīng) 第二節(jié) 霍爾元件的基本特性 第三節(jié) 霍爾元件的誤差及其補(bǔ)償 第四節(jié) 測(cè)量電路 第五節(jié) 集成霍爾傳感器 第六節(jié) 霍爾傳感器的應(yīng)用,第一節(jié) 霍爾效應(yīng),1879年美國(guó)物理學(xué)家霍爾發(fā)現(xiàn)霍爾效應(yīng)。 金屬或半導(dǎo)體薄片置于磁場(chǎng)中，當(dāng)有電流流過(guò)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)，這種物理現(xiàn)象稱(chēng)為霍爾效應(yīng)。,,半導(dǎo)體中的電子受洛倫茲力FL的作用：,電子又受到霍爾電場(chǎng)的作用力,當(dāng)達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡時(shí),霍爾電場(chǎng)強(qiáng)度,X為電荷的遷移率（m2/vs）,霍爾

2、電壓為：,令,則,霍爾常數(shù)RH等于材料的電阻率與電子遷移率的乘積，金屬材料電子遷移率大，但電阻率很?。唤^絕材料電阻率極高，但載流子遷移率極低；只有半導(dǎo)體材料適于作霍爾元件，其電阻率和載流子的遷移率都比較大。,目前常用的半導(dǎo)體材料有硅、鍺、銻化銦和砷化銦等，這些材料不但有較大的霍爾常數(shù)，而且有較好的線性度。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，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。,KH表示為一個(gè)霍爾元件在單位B和電位I時(shí)輸出霍爾

3、電壓的大小。與霍爾常數(shù)RH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。,則,第二節(jié) 霍爾元件的基本特性,一、霍爾元件,,二、霍爾元件的基本特性,1. UHB 特性 當(dāng)控制電流不變時(shí)，霍爾電壓與磁場(chǎng)具有單值關(guān)系，在磁不飽和時(shí)，UH與B具有線性關(guān)系。如使傳感器處于非均勻磁場(chǎng)中，傳感器的輸出正比于磁感應(yīng)強(qiáng)度，因此，對(duì)凡是能轉(zhuǎn)換為磁感應(yīng)強(qiáng)度變化的量都能進(jìn)行測(cè)量，如位移、角度、轉(zhuǎn)速和加速度等。,,二、霍爾元件的基本特性,2. UH I 特性 特性磁場(chǎng)不變，傳感器輸出值正比于控制電流值，因此，凡能轉(zhuǎn)換為電流變化的量，均能進(jìn)行測(cè)量。,,3. UHIB 特性 傳感器輸出值正

4、比于磁感應(yīng)強(qiáng)度和控制電流之積，因此，它可以用于乘法、功率等方面的計(jì)算與測(cè)量。,霍爾元件主要特性參數(shù)：,1. 輸入電阻和輸出電阻 霍爾元件工作時(shí)需要加控制電流，這就需要知道控制電極間的電阻，稱(chēng)輸入電阻。霍爾電極輸出霍爾電勢(shì)對(duì)外電路來(lái)說(shuō)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。,2. 額定控制電流和最大允許控制電流 當(dāng)霍爾元件自身溫升10時(shí)所流過(guò)的控制電流稱(chēng)為額定控制電流。以元件允許的最大溫升為限制所對(duì)應(yīng)的控制電流稱(chēng)為最大允許控制電流。,3. 不等位電勢(shì)和不等位電阻 當(dāng)霍爾元件的控制電流為IN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)

5、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(chēng)不等位電勢(shì)。,產(chǎn)生這一現(xiàn)象的原因有： （1）霍爾電極安裝位置不對(duì)稱(chēng)或不在同一等電位面上； （2）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。 （3）控制電極接觸不良造成控制電流不均勻分布等。,不等位電勢(shì)是由霍爾電勢(shì)c和d之間的電阻ro決定的，稱(chēng)為不等位電阻,4. 寄生直流電勢(shì),其產(chǎn)生的原因有： （1）控制電極和霍爾電極與基片的連接屬于金屬與半導(dǎo)體的連接，這種連接是非完全歐姆接觸時(shí)。會(huì)產(chǎn)生整流效應(yīng)； （2）控制電流和霍爾電勢(shì)都是交流時(shí)，經(jīng)整流效應(yīng)，它們各自都在霍爾電極之間建立直流電勢(shì)。 （3）兩個(gè)霍爾電極焊點(diǎn)的不一致，造成兩焊點(diǎn)熱容量、散

6、熱狀態(tài)的不一致，因而引起兩電極溫度不同產(chǎn)生溫差電勢(shì)，也是寄生直流電勢(shì)的一部分。,5. 寄生感應(yīng)電勢(shì),當(dāng)控制電流I為交變電流時(shí)，此電流形成的交變磁場(chǎng)在電極引線上要產(chǎn)生寄生感應(yīng)電勢(shì)。為了減小寄生感應(yīng)電勢(shì)，要求各電極引線盡可能短，且布線合理以減少磁交鏈。,6. 霍爾電勢(shì)溫度系數(shù),在一定磁感應(yīng)強(qiáng)度和控制電流下，溫度每變化1時(shí)，霍爾電勢(shì)變化的百分率稱(chēng)霍爾電勢(shì)溫度系數(shù)。,三、誤差及其補(bǔ)償,1、零位誤差及其補(bǔ)償 霍爾元件在控制電流I=0或磁場(chǎng)B=0時(shí)出現(xiàn)的霍爾電壓UH，稱(chēng)之為零位誤差。,（1）直流寄生電勢(shì) 霍爾元件控制電流或霍爾電壓兩引線電極焊點(diǎn)大小不等、熱容量不同，或接觸不良、歐姆電阻大小不等，因而引

7、起溫差電勢(shì)。提高電極焊點(diǎn)結(jié)構(gòu)上的對(duì)稱(chēng)性，保持電極引線接觸良好，且散熱條件相同，可以減小這種直流寄生電勢(shì)。,（2）寄生感應(yīng)電勢(shì) 當(dāng)控制電流I為交變電流時(shí)，此電流形成的交變磁場(chǎng)在電極引線上要產(chǎn)生寄生感應(yīng)電勢(shì)。為了減小寄生感應(yīng)電勢(shì)，要求各電極引線盡可能短，且布線合理以減少磁交鍵。,（3）不等位電勢(shì) 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(guò)霍爾電勢(shì)。實(shí)用中，若想消除不等位電勢(shì)極其困難的，因而只有采用補(bǔ)償?shù)姆椒?。由于不等位電?shì)由不等位電阻產(chǎn)生，因而可以用分析電阻的方法找到一個(gè)不等位電勢(shì)的補(bǔ)償方法。,霍爾元件不等位電勢(shì)原理圖,（a）不對(duì)稱(chēng)電極（b）電極等效電橋,不等位電勢(shì)補(bǔ)償電路,（a）是電阻值

8、較大的橋臂上并聯(lián)電阻 （b）是在兩相鄰橋臂上并聯(lián)電阻，以增加電極等效電橋的對(duì)稱(chēng)性。,2、溫度誤差及其補(bǔ)償,電路中用一個(gè)分流電阻rT與霍爾元件的控制電極相并聯(lián)。當(dāng)霍爾元件的輸入電阻隨溫度升高而增加時(shí)，旁路分流電阻自動(dòng)加強(qiáng)分流，減小了霍爾元件的控制電流I，從而達(dá)到補(bǔ)償?shù)哪康摹?選擇溫度系數(shù)小的霍爾元件 ； 采取恒溫措施； 采用恒流源供電 。,四、測(cè)量電路,1. 線性型測(cè)量電路,U0正比于磁感應(yīng)強(qiáng)度，輸出電壓與外加磁感應(yīng)強(qiáng)度呈線性關(guān)系。,2. 開(kāi)關(guān)型測(cè)量電路,U0為開(kāi)關(guān)量，差動(dòng)放大器工作在開(kāi)環(huán)狀態(tài)。,第三節(jié) 集成霍爾傳感器及應(yīng)用,把霍爾元件和測(cè)量電路集成在一起組成集成霍爾傳感器. 這類(lèi)傳感器具有工

9、作頻帶寬、響應(yīng)快、靈敏度高、無(wú)觸點(diǎn)、體積小等優(yōu)點(diǎn)。按其功能不同可分為兩大類(lèi)：開(kāi)關(guān)型集成霍爾傳感器和線性型集成霍爾傳感器。,,一、開(kāi)關(guān)型霍爾傳感器的組成,輸出電平與磁感應(yīng)強(qiáng)度 之間的關(guān)系,開(kāi)關(guān)型集成霍爾傳感器輸出電平具有遲滯現(xiàn)象，其回差寬度B=BHBL。B越小，電平轉(zhuǎn)移靈敏度就越高；反之，B越大，輸出電平抗干擾能力越強(qiáng)。,二、應(yīng)用,1.國(guó)產(chǎn)CS835 霍爾無(wú)觸點(diǎn)開(kāi)關(guān),B0，VT導(dǎo)通，V0=0 B=0， VT截止，V0=1 可作安保設(shè)備用。集成器件裝在門(mén)框上，永磁體裝門(mén)上。門(mén)打開(kāi)時(shí)，開(kāi)關(guān)輸出高電平，門(mén)鈴響。,2.國(guó)產(chǎn)CS3120高溫霍爾傳感器的外型結(jié)構(gòu),第三節(jié) 集成霍爾傳感器及應(yīng)用,霍爾式汽車(chē)點(diǎn)火器,,思考題： 用開(kāi)關(guān)型霍爾傳感器測(cè)量電動(dòng)小汽車(chē)的路程和速度。,媽媽新開(kāi)了個(gè)淘寶店，歡迎前來(lái)捧場(chǎng) 媽媽的淘寶點(diǎn)開(kāi)了快半年了，主要賣(mài)的是毛絨玩具、坐墊、抱枕之類(lèi)的，但生意一直不是很好，感覺(jué)媽媽還是很用心的，花了不少功夫，但是就是沒(méi)有人氣，所以我也來(lái)出自己的一份力，幫忙宣傳一下。 并且媽媽總是去五亭龍?zhí)糇詈玫耐婢哒怼l(fā)貨，質(zhì)量絕對(duì)有保證。 另外我家就在揚(yáng)州五亭龍玩具城旁邊，貨源豐富，質(zhì)量可靠，價(jià)格便宜。 歡迎大家來(lái)逛逛【揚(yáng)州五亭龍玩具總動(dòng)員】,個(gè)人小廣告：,