第7章 霍尔传感器

第7章霍尔传感器的原理及其应用7.1概述7.2霍尔传感器的测量电路和误差分析7.3霍尔传感器的应用17.1概述1879年美国物理学家霍尔首先在金属材料中发现了霍尔效应，但由于金属材料的霍尔效应太弱而没有得到应用。随着半导体技术的发展，开始用半导体材料制成霍尔元件，由于它的霍尔效应显著而得到应用和发展。霍尔传感器是基于霍尔效应将被测量(如电流、磁场、位移、压力、压差、转速等)转换成电动势输出的一种传感器。不足：转换率较低、温度影响大、要求转换精度较高时必须进行温度补偿优势：结构简单、体积小、坚固、频率响应宽(从直流到微波)、动态范围(输出电动势的变化)大、非接触、使用寿命长、可靠性高、易于微型化和集成化等优点下一页返回27.1概述7.1.1霍尔元件的结构霍尔元件由霍尔片、4根引线和壳体组成。霍尔片：一块矩形半导体单晶薄片，在长度方向两端面焊有a、b两根控制电流端引线，通常用红色导线。其焊接处称为控制电流极(或称激励电流)，要求焊接处接触电阻很小，并呈纯电阻，即欧姆接触。薄片的另两侧端面的中间以点的形式对称地焊有c、d两根霍尔输出引线，通常用绿色导线。其焊接处称为霍尔电极，要求欧姆接触，且电极宽度与基片长度之比小于0.1，否则影响输出。壳体：用非导磁金属、陶瓷或环氧树脂封装。上一页下一页返回37.1概述上一页下一页返回目前，最常用的霍尔元件材料是锗(Ge},硅(Si)、锑化锢(InSb),砷化锢(InAs）和不同比例亚砷酸锢和磷酸锢组成的In型固熔体等半导体材料。20世纪80年代末出现了一种新型霍尔元件—超晶格结构(砷化铝/砷化稼)的霍尔器件，它可以用来测10-11T的微磁场。超晶格霍尔元件是霍尔元件的一个质的跃。47.1概述7.1.2霍尔传感器的命名H：霍尔元件；Z/S/T：材料；#：序号参数名称符号单位HZ-1型HZ-2型HZ-3型HZ-4型HT-1型HT-2型HS-1型材料（N）型Ge（111）Ge（111）Ge（111）Ge（100）InSbInSbInAS电阻率·cm0.8～1.20.8～1.20.8～1.20.4～0.50.003～0.010.003～0.050.01几何尺寸L×b×dmm38×4×0.24×2×0.28×4×0.28×4×0.26×3×0.28×4×0.28×4×0.2输入电阻Ri110±20%110±20%110±20%45±20%0.8±20%0.8±20%1.2±20%输出电阻Ru100±20%100±20%100±20%40±20%0.5±20%0.5±20%1±20%灵敏度KHmV/(mA·T)12121241.8±20%1.8±20%1±20%不等位电阻ro0.070.050.070.020.0050.0050.00357.1概述7.1.3霍尔传感器的工作原理通有电流的半导体薄片置于磁场中，当电流方向与磁场方向不一致时，半导体薄片上垂直于电流和磁场的方向上产生洛伦兹力，使得平行于电流x磁场面的两个面之间产生电动势，这种现象称为霍尔效应，该电动势称霍尔电势，半导体薄片称霍尔元件。上一页下一页返回BF电动势：单位正电荷移动到高电位端的本领；电压升电压：单位正电荷移动到低点位所做的功；电压降例：循环水路的水泵制造水压差；水在水压差的驱使下流动67.1概述磁场强度B越强，霍尔电势EH也就越高。左手定则：四指电流方向；磁力线穿过掌心，拇指即洛伦兹力方向（负电荷移动方向）上一页下一页返回77.1概述霍尔电势EH可用下式表示。EH=KHIB(7-1)式中KH——霍尔元件的灵敏度，它表示霍尔元件在单位磁感应强度和单位激励电流作用下霍尔电势的大小。KH=1/nde(7-2)式中n—电子浓度;单位体积中电子的数量d—薄片厚度;e—电子的电荷量。e=1.6x10-19C上一页下一页返回87.1概述7.1.4霍尔传感器的特性参数1.磁场一定时，霍尔电势EH与控制电流I成正比。2.控制电流一定时，霍尔电势EH与磁感应强度B成正比。3.只有磁感应强度小于0.5T时，上述的线性关系才较好。4.磁场和电流方向不垂直怎么办？答：计算等效磁场强度(垂直分量)：EH=KHIBsinαEH=KHIBcosβ上一页下一页返回EH=KHIBIBαβ97.1概述KH=1/nde1.金属材料的电子浓度（n）很高2.绝缘材料电阻率极高，电子迁移率很小3.半导体材料的载流子浓度和电阻率适中4.元件厚度d越小，灵敏度越高。因此元件一般在1μm左右5.因为薄，击穿电压低，因此控制电流要低载流子：电流载体。金属：电子半导体：电子，及电子缺失留下的空穴电解液：正负离子107.1概述霍尔元件的主要特性参数如下：1.额定控制电流IC与最大控制电流ICM霍尔元件在空气中产生10oC的温升时所施加的控制电流值称为额定控制电流IC。在相同的磁场感应强度下，IC值较大则霍尔效应更明显，可获得较大的输出电压。但增大控制电流，霍尔元件的功耗加大，温度升高，温漂增大。限制IC的主要因素是散热条件。一般锗元件最大的允许温升为ΔTm80oC硅元件ΔTm175oC当霍尔元件的温升达到ΔTm时，ICM就是最大控制电流。上一页下一页返回117.1概述因此每种型号的霍尔元件均规定了相应的最大控制电流，它的数值从几毫安至十几毫安。以下哪一个激励电流的数值较为妥当？8μA0.8mA8mA80mA127.1概述2.输入电阻Ri和输出电阻Ro霍尔片中两个控制电极间的电阻称为输入电阻Ri，两个霍尔电极间的电阻称为输出电阻Ro。一般Ri、Ro为几欧姆到几百欧姆，通常RoRi，但二者相差不大。3.乘积灵敏度KH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，越大越好。霍尔元件还有磁灵敏度、电路灵敏度和电势灵敏度等技术指标。上一页下一页返回IBEKHHEH=KHIB==137.1概述4.不等位电势EM和不等位电阻RM当I≠0而B=0时，理论上应有EH=0。实际使用中由于(a)两个霍尔电极安装不对称或不在同一等电位面上(b)半导体材料的电阻率或几何尺寸不均匀(c)控制地电路接触不良等原因使得当I≠0，B=0时，EH≠0。此时，EH值定义为不等位电势EM。不等位电势EM与额定控制电流IC之比，称为不等位电阻RM:(7-4)上一页返回CMMIER147.1概述不等位电势：当霍尔元件的控制电流为额定值，元件所处位置的磁感应强度为零时，测得的空载霍尔电势。下图不等位电势是由霍尔电极2、2‘和之间的电阻决定的，r0称不等位电阻157.2霍尔传感器的测量电路和误差分析7.2.1霍尔传感器的测量电路控制电流I由电压源E供给R是调节电阻，用以根据要求改变I的大小输出的负载电阻RL一般为放大器的电阻或表头内阻。所施加的外电场B一般与霍尔元件的平面垂直。控制电流也可以是交流电。由于建立霍尔效应所需的时间短（10-14~10-12s），控制电流的频率可达109Hz以上。下一页返回167.2霍尔传感器的测量电路和误差分析7.2.2霍尔传感器的误差分析霍尔元件对温度的变化很敏感。为了减少测量中的温度误差，除了选用温度系数小的霍尔元件或采取一些恒温措施外，还可使用以下温度补偿方法。上一页下一页返回171.恒流源供电EH=KHIB1.恒流源通过保持I恒定，可保持EH稳定2.但KH也是温度的函数，随温度变化3.假设KH的温度系数为α，温度由0时刻到t时刻变化了Δt，则：K'H=KH[1+αΔt]4.如果α0(正温度系数)，则温度升高Δt使EH放大了αΔt倍7.2霍尔传感器的测量电路和误差分析18思考：如何在KH变化了αΔt倍之后还使EH保持恒定呢？思路：减小I途径：并联电阻进行自动分流目的：当霍尔元件的内阻随温度升高而增加时，旁路分流电阻自动地加强分流，减少元件的控制电流已知：R0--元件t0时内阻值；α--灵敏度温度系数；β--元件内阻温度系数；δ--补偿电阻的温度系数由：KH0I=KHtI'可推出：7.2霍尔传感器的测量电路和误差分析00RRREH=KHIB197.2霍尔传感器的测量电路和误差分析2.热敏元件对于温度系数较大的霍尔元件，采用图7-6的温度补偿电路，图中Rt是热敏元件(热电阻或热敏电阻)。输入回路进行温度补偿的电路：用Rt的变化来抵消霍尔元件的灵敏度KH和输入电阻Ri的变化对霍尔输出电势EH的影响。输出回路进行温度补偿的电路：用Rt的变化来抵消霍尔电势EH和输出电阻Ro变化对负载电阻RL上的电压UL的影响。保证霍尔电势EH不变保证测量电压UL不变207.2霍尔传感器的测量电路和误差分析3.不等位电势的补偿不等位电势与霍尔电势具有相同的数量级，有时甚至会超过霍尔电势。实用中，不等位电势极难消除，只有采用补偿的方法。不等位电势由不等位电阻产生，因此可以用分析电阻的方法找到一个不等位电势的补偿方法。可以把霍尔元件视为一个4臂电阻电桥返回R2R3R4217.2霍尔传感器的测量电路和误差分析这样不等位电势就相当于电桥的初始不平衡输出电压。理想情况下，不等位电势为零，即电桥平衡，相当于R1=R2=R3=R4所有能够使电桥达到平衡的方法均可用于补偿不等位电势，使不等位电势为零。上一页下一页返回227.2霍尔传感器的测量电路和误差分析1.基本补偿电路霍尔元件的不等位电势补偿电路有很多形式，图7-9为两种常见电路，其中RP是调节电阻。图7-9(a)是在造成电桥不平衡的电阻值较大的一个桥臂上并联RP，通过调节RP使电桥达到平衡状态，称为不对称补偿电路；图7-9(b)则相当于在两个电桥臂上并联电阻，称为对称补偿电路。上一页下一页返回基本补偿电路没有考虑温度的影响温度变化时需要重新平衡不等位电势237.2霍尔传感器的测量电路和误差分析2.具有温度补偿的补偿电路图7-10是一种常见的具有温度补偿的不等位电势补偿电路。补偿电路本身也为桥式电路。补偿电路工作电压由霍尔元件的控制电压提供其中一个桥为热敏电阻Rt，与霍尔元件的等效电阻的温度特性相同。上一页下一页返回247.2霍尔传感器的测量电路和误差分析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。在霍尔元件的工作温度下限T1时，保持RP2的位置，通过调节电位器RP1来调节补偿电桥的工作电压，使补偿电压抵消此时的不等位电势。工作温度升高时，保持RP1的位置，调节RP2使补偿电压抵消此时的不等位电势。此时补偿电压包含两个分量：1.抵消原不等位电势的分量2.抵消温度变化引起的不等位电势变化的分量上一页返回25总结：使用桥式补偿电路，可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，并且对其恒定部分和变化部分可独立调节，因此可达到相当高的补偿精度7.2霍尔传感器的测量电路和误差分析267.3霍尔传感器的应用电路霍尔元件具有结构简单、体积小、质量轻、频带宽、动态性能好和寿命长等许多优点，因而得到广泛应用。在电磁测量中，用它测量恒定的或交变的磁感应强度、有功功率、无功功率、相位、电能等参数;在自动检测系统中，多用于位移、压力的测量。下一页返回27•霍尔元件可制成位移传感器•霍尔元件置于两相反方向的磁场中•在a、b两端通入控制电流i•左半产生的霍尔电势VH1和右半产生的霍尔电势VH2方向相反•c，d两端输出电压是VH1-VH2，若使初始位置时VH1=VH2，则输出电压为零。•当霍尔元件相对于磁极作x方向位移时，可得到输出电压VH=VH1-VH2，且ΔVH数值正比于位移量Δx，正负方向取决于位移Δx的方向•霍尔元件传感器既能测量位移的大小，又能鉴别位移的方向7.3霍尔传感器的应用电路287.3霍尔传感器的应用电路1.霍尔接近开关霍尔接近开关将磁场强度B的变化转变为输出信号，是一个无接触磁控开关。磁铁靠近时，开关接通;磁铁离开后，开关断开。下一页返回2