霍尔效应原理图

2020/3/81第六章霍尔传感器本章主要讲述内容：1、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3、霍尔元件的测量电路4、霍尔传感器举例2020/3/82概述：霍尔元件是一种基于霍尔效应的磁传感器，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：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。第一节霍尔元件的基本工作原理2020/3/83霍尔效应原理图2020/3/84霍尔元件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电动势，这种物理现象称为霍尔效应。2020/3/85设图中的材料是Ｎ型半导体，导电的载流子是电子。在ｚ轴方向的磁场作用下，电子将受到一个沿ｙ轴负方向力的作用，这个力就是洛仑兹力。它的大小为：FL=－evBzxyIADBCBlLdUHA、B-霍尔电极C、D-控制电极FL2020/3/86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FE与洛仑兹力方向相反，将阻止电子继续偏转，其大小为式中EH为霍尔电场，e为电子电量，UH为霍尔电势。当FL=FE时，电子的积累达到动平衡，即所以IADBCBlLdUHA、B-霍尔电极C、D-控制电极FLFE2020/3/87设流过霍尔元件的电流为I时，式中ld为与电流方向垂直的截面积，n为单位体积内自由电子数(载流子浓度)。则IADBCBlLdUHA、B-霍尔电极C、D-控制电极FLFE2020/3/88令RH则被定义为霍尔传感器的霍尔系数。由于金属导体内的载流子浓度大于半导体内的载流子浓度，所以，半导体霍尔系数大于导体。霍尔系数及灵敏度则2020/3/89KH为霍尔元件的灵敏度。由上述讨论可知，霍尔元件的灵敏度不仅与元件材料的霍尔系数有关，还与霍尔元件的几何尺寸有关。一般要求霍尔元件灵敏度越大越好，霍尔元件灵敏度的公式可知，霍尔元件的厚度d与KH成反比。令则2020/3/810通过以上分析可知：1）霍尔电压UH与材料的性质有关n愈大，KH愈小，霍尔灵敏度愈低；n愈小，KH愈大，但n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N型半导体材料2020/3/8112）霍尔电压UH与元件的尺寸有关。d愈小，KH愈大，霍尔灵敏度愈高，所以霍尔元件的厚度都比较薄，但d太小，会使元件的输入、输出电阻增加。霍尔电压UH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。2020/3/812若磁场B和霍尔元件平面的法线成一角度θ，则作用于霍尔元件的有效磁感应强度为Bcosθ，因此UH=KHIBcosθIADBCBlLdUHA、B-霍尔电极C、D-控制电极θ2020/3/8133）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N型半导体的相反。4）霍尔电压UH与磁场B和电流I成正比，只要测出UH，那么B或I的未知量均可利用霍尔元件进行测量。2020/3/814一、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。第二节霍尔元件的基本结构和主要技术指标2020/3/815国产霍尔元件型号的命名方法2020/3/816二、主要技术指标1、额定控制电流IC和最大控制电流ICm霍尔元件在空气中产生10℃的温升时所施加的控制电流称为额定控制电流IC。在相同的磁感应强度下，IC值较大则可获得较大的霍尔输出。霍尔元件限制IC的主要因素是散热条件。随着激励电流的增大，霍尔元件的功耗也随之增大，元件的温度升高，将引起霍尔电势的温漂。因此对霍尔元件要规定最大激励电流。2020/3/817一般锗元件的最大允许温升ΔTm80℃，硅元件的ΔTm175℃。当霍尔元件的温升达到ΔTm时的电流就是最大控制电流ICm。2020/3/818霍尔元件的乘积灵敏度定义为在单位控制电流和单位磁感应强度下，霍尔电势输出端开路时的电势值，其单位为V（AT），它反应了霍尔元件本身所具有的磁电转换能力，一般希望它越大越好。2、乘积灵敏度KH其定义IBUKHH2020/3/8193、输入电阻Ri和输出电阻R0Ri是指流过控制电流的电极（简称控制电极）间的电阻值，R0是指霍尔元件的霍尔电势输出电极（简称霍尔电极）间的电阻，单位为Ω。可以在无磁场即B＝0和室温（205）℃时，用欧姆表等测量。2020/3/820若温度变化，则引起输入电阻变化，从而使输入电流发生改变，最终导致霍尔电势变化。输出电阻也会随着环境温度的变化而变化。适当选择负载与之匹配，可以减小霍尔电势的温度漂移。2020/3/8213.最大磁感应强度BM由霍尔效应可知，磁感应强度的增加将使霍尔电势的输出增加。但磁感应强度若超过一定的界限，霍尔电势的非线性明显增加，故规定了BM来抑制非线性。2020/3/822在额定控制电流Ic之下，不加磁B＝0时，霍尔电极间的空载霍尔电势UH≠0，称为不平衡(不等位)电势，单位为mV。一般要求霍尔元件的UH1mV，好的霍尔元件的UH可以小于0.1mV。不等位电势和额定控制电流Ic之比为不等位电阻RM，即5、不等位电势UM和不等位电阻RMCMMIUR2020/3/823不平衡电势UH是主要的零位误差。因为在工艺上难以保证霍尔元件两侧的电极焊接在同一等电位面上。如下图(a)所示。当控制电流I流过时，即使末加外磁场，A、B两电极此时仍存在电位差，此电位差被称为不等位电势（不平衡电势）UH。2020/3/824在一定的磁感应强度和控制电流下，温度变化1℃时，霍尔电势变化的百分率称为霍尔电势温度系数α，单位为1／℃。6、霍尔电势温度系数α2020/3/825一、基本测量电路控制电流I由电源E供给，电位器R调节控制电流I的大小。霍尔元件输出接负载电阻RL，RL可以是放大器的输入电阻或测量仪表的内阻。由于霍尔元件必须在磁场与控制电流作用下，才会产生霍尔电势UH，所以在测量中，可以把I第三节霍尔元件的测量电路与B的乘积、或者I，或者B作为输入情号，则霍尔元件的输出电势分别正比于IB或I或B。2020/3/826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(a)为直流供电，控制电流端并联输出串联。下图(b)为交流供电，控制电流端串联变压器叠加输出。连接方式2020/3/827由于载流子浓度等随温度变化而变化，因此会导致霍尔元件的内阻、霍尔电势等也随温度变化而变化。这种变化程度随不同半导体材料有所不同。而且温度高到一定程度，产生的变化相当大。温度误差是霍尔元件测量中不可忽视的误差。针对温度变化导致内阻(输入、输出电阻)的变化，可以采用对输入或输出电路的电阻进行补偿。二、温度误差及其补偿2020/3/828合理选择负载电阻如上图所示，若霍尔电势输出端接负载电阻RL，则当温度为T时，RL上的电压可表示为：0RRRUULLHL式中R0—霍尔元件的输出电阻。2020/3/829当温度由T变为T+ΔT时，则RL上的电压变为)1()1(0TRRRTUUULLHLL式中α—霍尔电势的温度系数；β—霍尔元件输出电阻的温度系数。要使UL不受温度变化的影响，即ΔUL＝0，由上两式可知，必须)1()1(00TRRRTURRRULLHLLH对上式进行整理可得0RRL2020/3/8300RRL对于一个确定的霍尔元件，可以方便地获得α、β和R0的值，因此只要使负载电阻RL满足上式，就可在输出回路实现对温度误差的补偿了。虽然RL通常是放大器的输入电阻或表头内阻，其值是一定的，但可通过串、并联电阻来调整RL的值。2020/3/831（三）采用热敏元件对于由温度系数较大的半导体材料（如锑化铟）制成的霍尔元件，常采用右图所示的温度补偿电路，图中Rt是热敏元件（热电阻或热敏电阻）。2020/3/832图（a）是在输入回路进行温度补偿电路，当温度变化时，用Rt的变化来抵消霍尔元件的乘积灵敏度KH和输入电阻Ri变化对霍尔输出电势UH的影响。2020/3/833•图（b）则是在输出回路进行温度补偿的电路，当温度变化时，用Rt的变化来抵消霍尔电势UH和输出电阻R0变化对负载电阻RL上的电压UL的影响。在安装测量电路时，应使热敏元件和霍尔元件的温度一致。2020/3/834不等位电势是霍尔元件在加控制电流而不加外磁场时，而出现的霍尔电势称为零位误差。在分析不等位电势时，可将霍尔元件等效为一个电桥，如右图所示。控制电极A、B和霍尔电极C、D可看作电桥的电阻连接点。它们之间分布电阻R1、R2、R3、R4构成四个桥臂，控制电压可视为电桥的工作电压。三、不等位电势的补偿2020/3/835理想情况下，不等位电势UM=0，对应于电桥的平衡状态，此时R1＝R2＝R3＝R4。如果霍尔元件的UM≠0，则电桥就处于不平衡状态，此时R1、R2、R3、R4的阻值有差异，UM就是电桥的不平衡输出电压。只要能使电桥达到平衡的方法都可作为不等位电势的补偿方法。2020/3/836（一）基本补偿电路霍尔元件的不等位电势补偿电路有多种形式，图9－7为两种常见电路，其中RW是调节电阻。基本补偿电路没有考虑温度变化的影响。当温度发生变化，需要重新进行平衡调节。2020/3/837（二）具有温度补偿的补偿电路右图是一种常见的具有温度补偿的不等位电势补偿电路。该补偿电路本身也接成桥式电路，其工作电压有霍尔元件的控制电压提供；其中一个为热敏电阻Rt，并且于霍尔元件的等效电阻的温度特性相同。2020/3/838在该电桥的负载电阻RP2上取出电桥的部分输出电压（称为补偿电压），与霍尔元件的输出电压反向串联。在磁感应强度B为零时，调节RP1和RP2，使补偿电压抵消霍尔元件此时输出的不等位电势，从而使B＝0时的总输出电压为零。2020/3/839优点：采用桥式补偿电路，可以在霍尔元件的整个温度范围内对不等位电势进行良好的补偿，并且对不等位电势的恒定部分和变化部分的补偿可独立地进行调节。所以，可达到相当高的补偿精度。2020/3/840第四节霍尔式传感器举例一、将被测量转换为磁感应强度B保持霍尔元件的控制电流I恒定不变，就可测量磁感应强度B，以及位移、角度等可直接转换为B的物理量，进一步还可以测量先转换成位移或角度、然后间接转换为B的物理量，如振动、压力、速度、加速度、转速等等。下面以霍尔式压力传感器为例进行说明。2020/3/841图9-9霍尔压力传感器结构原理图霍尔元件磁钢压力P波登管NSSN霍尔式压力传感器2020/3/842霍尔式压力传感器由两部分组成：一部分是弹性敏感元件的波登管用以感受压力P，并将P转换为弹性元件的位移量x，即x＝KPP，其中系数KP为常数。另一部分是霍尔元件和磁系统，磁系统形成一个均匀梯度磁场，如右图所示，在其工作范围内，B＝KBx，其中斜率KB为常数；霍尔元件固定在弹性元件上，因此霍尔元件在均匀梯度磁场中的位移也是x。这样，霍尔电势UH与被测压力P之间的关系就可表示为UH＝KHIB＝KHIKBKPP＝KP式中KHIKBKP＝K—霍尔式压力传感器的输出灵敏度。2020/3/8432检测铁磁物体在霍尔线性电路背面偏置一个永磁体，如图所示。图（a）表示检测铁磁物体的缺口，图（b）表示检测齿轮的齿。它们的电路接法见图。用这种方法可以检测齿轮的转速。用霍尔线性电路检测铁磁物体用霍尔线性电路检测齿口的线路2020/3/8443无损探伤霍尔无损探伤已在炮膛探伤、管道探伤，海用缆绳探伤，船体探伤以及材料检验等方面得到广泛应用。铁磁材料受到磁场激励时，因其导磁率高，磁阻小，磁力线都集中在材料内部。若材料均匀，磁力线分布也均匀。如果材料中有缺陷，如小孔、裂纹等，在缺陷处，磁力线会发生弯曲，使局部磁场发生畸变。用霍尔探头检出这种畸变，经过数据处理，可辨别出缺陷的位置，性质（孔或裂纹）和大小（如深度、宽度等），图示出两种用于无损探伤的探头结构。(a)无损