第七章霍尔传感器装置

2020/6/81第7章霍尔传感器2020/6/82引言霍尔传感器是基于霍尔效应的一种传感器。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。霍尔传感器广泛用于电磁测量、压力、加速度、振动等方面的测量。2020/6/837.1霍尔传感器的工作原理金属或半导体薄片置于磁感应强度B的磁场（磁场方向垂直与薄片）中，当有电流I通过时，在垂直于电流和磁场的方向上将产生电动势UH，这种物理现象称为霍尔效应。该电势UH称霍尔电势。霍尔效应的产生是由于运动电荷受磁场中洛伦兹力作用的结果。7.1.1霍尔效应2020/6/84霍尔效应一块长为L、宽为W、厚为d的N型半导体薄片，位于磁感应强度为B的磁场中，B垂直于L-W平面，沿L通电流I，N型半导体的载流体-电子将受到B产生的洛仑兹力FB的作用BeFvB++++++------BLFEFLUHIdbIvUH2020/6/85洛仑兹力FL使电子向垂直于B和自由电子运动方向偏移，其方向符合右手螺旋定律，即电子有向某一端积聚的现象，使半导体—端面产生负电荷积聚，另一端面则为正电荷积聚。由于电荷积聚，产生静电场，称为霍尔电场。该静电场对电子的作用力FE与洛仑兹力FL的方向相反，将阻止电子继续偏转，其大小为7.1.2基本原理bUeeEFHHE2020/6/86电场力阻止电子继续向原侧面积累，当电子所受电场力和洛仑兹力相等时，电荷的积累达到动态平衡，由于存在EH，半导体片两侧面间出现电位差UH，称为霍尔电势IBdIBdRUHH2020/6/87磁场与薄片法线夹角为HHcosUKIB2020/6/88常用的霍尔元件材料锗、硅、砷化铟、锑化铟等半导体材料。其中N型锗容易加工制造，其霍尔系数、温度性能和线性度都较好。N型硅的线性度最好，其霍尔系数、温度性能同N型锗相近。锑化铟对温度最敏感，尤其在低温范围内温度系数大，但在室温时其霍尔系数较大。砷化铟的霍尔系数较小，温度系数也较小，输出特性线性度好。霍尔元件（a）外形（b）结构（c）符号2020/6/810霍尔元件的材料特性2020/6/8117.1.3霍尔元件的主要参数1.额定功耗2.输入电阻和输出电阻3.不平衡电势4.霍尔电势温度系数5.内阻温度系数6.灵敏度1．主要特性参数霍尔元件基本特性线性特性与开关特性不等位电阻负载特性温度特性1/HUV线性特性开关特性-1-2-3230.10.20.3-0.1-0.2-0.3/BkG霍尔元件的零位误差及补偿不等位电动势的补偿dcbabdcaabdcabdc1R1R2R2R3R3R4R4RwRwRwRwRRR（a）不对称补偿（b）对称补偿寄生直流电动势的补偿元件在制作安装时，尽量做到使电极欧姆接触，并做到均匀散热。欧姆接触：金属与半导体的接触，其接触面的电阻值远小于半导体本身的电阻。霍尔元件的温度误差及其补偿0(1)HHKKTIIpRpIHUH0000IPPHRRIRI)1(0TRRII)1(0TRRPP)1()1()1(000TRTRITRRRIRIPIPPIPHHHHHIKIK0000)(IPRR2020/6/8167.1.4霍尔元件的基本测量电路+-UHIRPVCCRL2020/6/8177.2集成霍尔传感器集成霍尔传感器是利用硅集成电路工艺将霍尔元件和测量线路集成在一起的一种传感器。集成霍尔传感器与分立元件相比，它具有可靠性高、体积小、重量轻、功耗低等优点，正越来越受到重视。集成霍尔传感器的输出是经过处理的霍尔输出信号。按照输出信号的形式，可以分为开关型集成霍尔传感器和线性集成霍尔传感器两种类型。2020/6/8187.2.1开关型集成霍尔传感器霍尔片、引线和壳体组成1.开关型集成霍尔传感器的结构2020/6/8197.2.1开关型集成霍尔传感器2．开关型霍尔集成传感器的工作原理稳压电路VCC输出UOUTGND231霍尔元件放大器整形电路VT+-UH2020/6/8207.2.1开关型集成霍尔传感器3.开关型集成霍尔传感器的工作特性UOUTOPBKPB开关B（V）HB02020/6/8217.2.1开关型集成霍尔传感器4.开关型集成霍尔传感器的接口电路2020/6/8227.2.2线性集成霍尔传感器1.线性集成霍尔传感器的结构及工作原理·mAVVCC12VDC10mASL3501TNS123+_DC2020/6/8237.2.2线性集成霍尔传感器2.线性集成霍尔传感器的主要技术特性磁感应强度B（T）输出电压UOUT（V）R=15ΩR=0R=100Ω0.080.040.120.160.200.240.280.3200.51.01.52.02.52020/6/8247.3霍尔传感器的应用7.3.1霍尔式位移传感器微位移的测量（a）测量原理（b）输出特性SNNSzz－z霍尔元件HUZ2020/6/8267.3霍尔传感器的应用7.3.2霍尔式压力传感器2020/6/8277.3霍尔传感器的应用7.3.3霍尔电子点火器隔磁罩隔磁罩缺口霍尔元件(a)磁钢转速的测量霍尔元件霍尔元件被测物体被测物体永磁体永磁体（a）（b）1kHA－＋100k4.7k4.7k100k1kfR12bEVoU741Aabcd输出波形MNS2020/6/830常用传感器：国产YSH-1型霍尔压力变送器2020/6/831霍尔转速传感器在汽车防抱死装置（ABS）中的应用若汽车在刹车时车轮被抱死，将产生危险。用霍尔转速传感器来检测车轮的转动状态有助于控制刹车力的大小。带有微型磁铁的霍尔传感器钢质霍尔2020/6/832ABS的工作原理1—车速齿轮传感器2—压力调节器3—控制器2020/6/833霍尔转速表在被测转速的转轴上安装一个齿盘，也可选取机械系统中的一个齿轮，将线性型霍尔器件及磁路系统靠近齿盘。齿盘的转动使磁路的磁阻随气隙的改变而周期性地变化，霍尔器件输出的微小脉冲信号经隔直、放大、整形后可以确定被测物的转速。SN线性霍尔磁铁2020/6/834霍尔电流传感器演示铁心线性霍尔IC所实现的多媒体界面：2020/6/835霍尔钳形电流表（交直流两用）压舌豁口