5.2 霍尔传感器

14.5霍尔传感器五邑大学信息工程学院信息工程学院25.2霍尔传感器5.2.1霍尔传感器工作原理5.2.2霍尔元件的结构和基本电路5.2.3霍尔元件的主要特性参数5.2.4霍尔元件误差及补偿5.2.5霍尔式传感器的应用信息工程学院35.2.1霍尔传感器工作原理霍尔传感器是基于霍尔效应的一种传感器。起源：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。发展：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。应用：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。信息工程学院4霍尔效应：半导体薄片置于磁场中，当它的电流方向与磁场方向不一致时，半导体薄片上平行于电流和磁场方向的两个面之间产生电动势。产生的电动势称霍尔电势，半导体薄片称霍尔元件。什么是霍尔效应？信息工程学院5dIBRUHH在垂直于外磁场B的方向上放置一半导体薄片，半导体薄片通以电流I，方向如图所示。半导体薄片中的电流是载流子自由电子在电场作用下的定向运动。在半导体导电板垂直电流方向上作用一个磁感应强度为B的均匀磁场，则载流子又受洛伦兹力作用。信息工程学院6BeF载流子受洛仑兹力bEUHH霍尔电场强度e—电子电荷；v—电子运动平均速度；B—磁场的磁感应强度。在匀强电场中，沿电场强度方向，两点之间的电势差等于电场强度跟这两点之间距离的乘积。Ce1910602.1信息工程学院7BveeEH平衡状态：洛伦兹力fH=电场力EHBvEHHHeEf电场力bEUHH信息工程学院8dIBneBbvbEUHH1因此霍尔电势bdneIv所以电子运动平均速度evnbdI又根据电流的定义：单位时间内通过导线某一截面的电荷量。信息工程学院9讨论:neRH11、霍尔常数大小取决于导体的载流子密度：分析：金属的自由电子密度太大，因而霍尔常数小，霍尔电势也小，所以金属材料不宜制作霍尔元件。2、霍尔元件灵敏度（灵敏系数）KH意义：表示霍尔元件在单位激励电流和单位磁感强度时产生的霍尔电势的大小。neddRKHH1BIUKHH信息工程学院10BIKUHH补充：1、霍尔电势与导体厚度d成反比：为了提高霍尔电势值，霍尔元件制成薄片形状。2、半导体中电子迁移率（电子定向运动平均速度）比空穴迁移率高，因此N型半导体较适合于制造灵敏度高的霍尔元件。3、当磁感应强度B和霍尔片平面法线成角度θ时,霍尔电势为：cosBIKUHH信息工程学院11霍尔片是一块半导体单晶薄片(一般为4mm×2mm×0.1mm)。其长度方向两端面上焊有a、b两根引线，通常用红色导线，其焊接处称为控制电极（或称激励电极），要求焊接处接触电阻很小，并呈纯电阻，即欧姆接触（无PN结特性）。5.2.2霍尔元件的结构和基本电路信息工程学院12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要小于0.1，否则影响输出。信息工程学院13图（a）中其中1-1电极用于加控制电流，称控制电极。另一对2-2电极用于引出霍尔电势，称霍尔电势输出极。图（b）是霍尔元件通用的图形符号。信息工程学院14图（c）所示，霍尔电极在基片上的位置及它的宽度对霍尔电势数值影响很大。通常霍尔电极位于基片长度的中间，其宽度远小于基片的长度。图（d）是基本测量电路。测量电路信息工程学院155.2.3霍尔元件的主要特性参数当磁场和环境温度一定时：霍尔电势与控制电流I成正比；当控制电流和环境温度一定时：霍尔电势与磁场的磁感应强度B成正比；当环境温度一定时：输出的霍尔电势与I和B的乘积成正比。BIKUHH信息工程学院16霍尔元件的主要特性参数：(1)输入电阻和输出电阻输入电阻Ri：控制电极间的电阻输出电阻Ro：霍尔电极之间的电阻注：测量以上电阻时，应在没有外磁场和室温变化的条件下进行。RiRo，Ri、Ro=100~2000。信息工程学院17(2)额定控制电流和最大允许控制电流额定控制电流：当霍尔元件有控制电流使其本身在空气中产生10℃温升时，对应的控制电流值。控制电流Ic=(几~几十)mA最大允许控制电流：以元件允许的最大温升限制所对应的控制电流值。改善散热条件可以增大最大允许控制电流。信息工程学院18(3)不等位电势Uo和不等位电阻ro不等位电势：当霍尔元件的控制电流为额定值时，若元件所处位置的磁感应强度为零，测得的空载霍尔电势。一般U010mV。不等位电阻r0：不等位电势是由霍尔电极2和2’之间的电阻。不等位电势就是控制电流I经不等位电阻产生的电压。不等位电阻r0=U0/I信息工程学院19产生不等位电势的原因主要是：①霍尔电极安装位置不正确（不对称或不在同一等电位面上）；②半导体材料不均匀造成了电阻率不均匀或是几何尺寸不均匀；③控制电极接触不良造成控制电流不均匀分布等。（均是制造工艺造成的）信息工程学院20(4)寄生直流电势霍尔元件零位误差的一部分当没有外加磁场，霍尔元件用交流控制电流时，霍尔电极的输出有一个直流电势。(5)霍尔电势温度系数在一定磁感应强度和控制电流下，温度每变化1℃时，霍尔电势变化的百分率。tUUUHoHoHt/)（)1(tUUHoHt信息工程学院215.2.4霍尔元件误差及补偿1.不等位电势误差的补偿2.温度误差及其补偿信息工程学院221.不等位电势误差的补偿把霍尔元件视为一个四臂电阻电桥，不等位电势就相当于电桥的初始不平衡输出电压。信息工程学院23ABCDIR1R2R3R4补偿原理：将R1、R2、R3、R4其视为电桥的四个臂，即电桥不平衡，为使其平衡可在阻值较大的臂上并联电阻，或在两个臂上同时并联电阻。图中A、B为控制电极，C、D为霍尔电极。在极间分布的电阻用R1、R2、R3、R4表示，理想情况是R1＝R2＝R3＝R4，即零位电势为零（或零位电阻为零）。但实际上存在着零位电势，则说明此四个电阻不等。信息工程学院24电势的补偿电路对称电路当温度变化时，补偿的稳定性要好些信息工程学院25几种常用补偿方法WCDAR2R3R4R1BWCDAR2R3R4R1BBWDAR2R3R4R1C（a）（b）（c）WABCDWABCD(b)WCABD信息工程学院262.温度误差及其补偿温度误差产生原因：霍尔元件的基片是半导体材料，因而对温度的变化很敏感。其载流子浓度和载流子迁移率、电阻率和霍尔系数都是温度的函数。当温度变化时，霍尔元件的一些特性参数，如霍尔电势、输入电阻和输出电阻等都要发生变化，从而使霍尔式传感器产生温度误差。信息工程学院27减小霍尔元件的温度误差方法①选用温度系数小的元件（如砷化铟）;②采用恒温措施;③采用恒流源供电;温度变化导致霍尔元件内阻（Ri、Ro)和霍尔灵敏度（KH）等变化，给测量带来一定误差，即温度误差。为了减温度误差，需采取温度补偿措施：信息工程学院28恒流源温度补偿霍尔元件的灵敏系数随温度的变化引起霍尔电势的变化，霍尔元件的灵敏系数与温度的关系：)1(TKKHOH式中:KH0为温度T0时的KH值；温度变化量；霍尔电势的温度系数。TtUUUHHHt00/)（α的定义为信息工程学院29大胆假设：由于大多数霍尔元件的温度系数α是正值时，它们的霍尔电势随温度的升高而增加（1+α△T）倍。让控制电流I相应地减小，能保持KHI不变就抵消了灵敏系数值增加的影响。)1(0TKKHH)1(0TBIKUHHt信息工程学院30恒流源温度补偿电路补偿原理：当霍尔元件的输入电阻随温度升高而增加时，旁路分流电阻R自动地加强分流，减少了霍尔元件的控制电流。信息工程学院31温度升到T时，电路中各参数变为)1(0TRRii)1(0TRR控制电流siIRRRI00020温度为T0时，—霍尔元件输入电阻温度系数；—分流电阻温度系数。SisiITRTRTRIRRRI)1()1()1(0002信息工程学院32为使霍尔电势不变，补偿电路必须满足:升温前、后的霍尔电势不变，BIKUBIKUHHHH220002200IKIKHHSiHsiHITRTRTRTKIRRRK)1()1()1()1(00000000信息工程学院3300iRR当霍尔元件选定后，它的输入电阻和温度系数及霍尔电势温度系数可以从元件参数表中查到（可以测量出来），用上式即可计算出分流电阻及所需的分流电阻温度系数值。0iR0R0iR经整理，忽略高次项后得2T信息工程学院34利用补偿电桥进行补偿电桥由温度系数低的电阻构成，在某一桥臂电阻上并联一热敏电阻。当温度变化时，热敏电阻将随温度变化而变化，使电桥的输出电压相应变化，仔细调节，即可补偿霍尔电势的变化，使其输出电压与温度基本无关。w1w2E1w3R2R3R4R1E2RtUHt调节电位器W1消除不等位电势。信息工程学院35对于温度系数大的半导体材料常使用。霍尔输出随温度升高而下降，只要能使控制电流随温度升高而上升，就能进行补偿。例如在输入回路串入热敏电阻，当温度上升时其阻值下降，从而使控制电流上升。利用热敏电阻进行补偿（a）输入回路补偿RRt信息工程学院36（b）输出回路补偿或在输出回路进行补偿。负载RL上的霍尔电势随温度上升而下降的量被热敏电阻阻值减小所补偿。实际使用时，热敏电阻最好与霍尔元件封在一起或靠近，使它们温度变化一致。RRLRt信息工程学院371、霍尔开关集成传感器霍尔开关集成传感器是利用霍尔效应与集成电路技术结合而制成的一种磁敏传感器，它能感知与磁信息有关的物理量，并以开关信号形式输出。UGN30201234.5mm4.5mm2mm图7—7开关型霍尔集成电路外形尺寸其中，1为接地端，2为电源端，3为输出端。5.2.5霍尔传感器信息工程学院38－＋×稳压整形VCC输出地213霍尔元件放大由稳压电路、霍尔元件、放大器、整形电路、开路输出五部分组成。稳压电路可使传感器在较宽的电源电压范围内工作，开路输出可使传感器方便地与各种逻辑电路接口。信息工程学院39－＋×稳压整形VCC输出地213霍尔元件放大当有磁场作用在传感器上时，霍尔元件输出霍尔电压VH，该电压经放大器放大后，送至施密特整形电路，当放大后的VH电压大于“开启”阈值时，施密特整形电路翻转，输出高电平，使半导体管导通——“开状态”；工作原理：信息工程学院40当磁场减弱时，霍尔元件输出的VH很小，经放入器放大后其值也小于施密特整形电路的“关闭”阈值，施密特整形电路再次翻转，输出低电平，使半导体管截止，这种状态为——“关状态”。一次磁场强度的变化，就使传感器完成了一次开关动作。－＋×稳压整形VCC输出地213霍尔元件放大霍尔开关传感器的用途：霍尔开关集成传感器基本用途有：汽车点火系统、保安系统、转速、里程测定、机械设备的限位开关、按钮开关、电流的检测与控制、位置及角度的检测，等等。信息工程学院41几种不同尺寸外形的霍尔开关信息工程学院422、霍尔线性集成传感器霍尔线性集成传感器的输出电压与外加磁场呈线性比例关系。－＋×稳压VCC输出地123霍尔元件放大－＋×稳压VCC输出地341霍尔元件放大8单端输出传感器的电路结构双端输出的电路结构信息工程学院43图所示为具有双端差动输出特性的线性霍尔器件UGN3501M的内部电路图和输出特性曲线图。稳压20UO18576+Ucc3GND4图7—10差动输出线性霍尔集成电路00.1-0.5-1.0-1.50.20.30.40.51.01.5-0.1-0.2-0.3-0.4B/TUO/V图7—11差动输出线性霍尔集成电路输出线性信息工程学院44当线性霍尔器件UGN3501M感受的磁场为零时，第一脚相对于第八脚的输出电压等于零；当线性霍尔器件UGN3501M感受的磁场为正向（磁钢的S极对准3501M的正面）时，输出为正