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1、传感器及检测技术 一.霍耳效应 通电的导体或半导体，在垂直于电流和磁场的方向 上将产生电动势的现象。 + I + + + + + + + + + + l w d 霍耳效应原理图 V H 第八章 霍耳磁敏传感器 传感器及检测技术 二.霍耳磁敏传感器工作原理 设霍耳片的长度为l，宽度为w，厚度为d。 又设电子以均匀的速度v运动，则在垂直方向施 加的磁感应强度B的作用下，它受到洛仑兹力 q电子电量(1.6210-19C)； v电于运动速度。 同时，作用于电子的电场力 当达到动态平衡时 传感器及检测技术 霍耳电势VH与 I、B的乘积成正比，而与d成反比。于是 可改写成： 电流密度 j=nqv nN型半
2、导体 中的电子浓度 N型半导体 P型半导体 霍耳系数，由载流材料物理性质决定。材料电阻率 pP型半导体 中的孔穴浓度 载流子迁移率,=v/E,即单位电场强度作用下载流子的平均 速度。 金属材料，电子很高但很小，绝缘材料，很高但很小。 故为获得较强霍耳效应，霍耳片全部采用半导体材料制成。 传感器及检测技术 设 KH=RH / d KH霍耳器件的乘积灵敏度。它与载流材料的物理 性质和几何尺寸有关，表示在单位磁感应强度和单 位控制电流时霍耳电势的大小。 若磁感应强度B的方向与霍耳器件的平面法线 夹角为时，霍耳电势应为： VH KH I B VH KH I B cos 注意：当控制电流的方向或磁场方向
3、改变时，输出霍 耳电势的方向也改变。但当磁场与电流同时改变方向 时，霍耳电势并不改变方向。 传感器及检测技术 霍耳器件片 (a)实际结构(mm)；(b)简化结构；(c)等效电路 外形尺寸:6.43.10.2;有效尺寸：5.42.70.2 三.霍耳磁敏传感器（霍耳器件） d s l （b） 2.1 5.4 2.7 AB 0.20.5 0.3 C D （a） w 电流极 霍耳电极 R4 AB C D R1R2 R3R4 （c） 传感器及检测技术 霍耳输出端的端子C、D相应 地称为霍耳端或输出端。 若霍耳端子间连接负载,称为 霍耳负载电阻或霍耳负载。 电流电极间的电阻，称为输 入电阻，或者控制内阻。
4、 霍耳端子间的电阻，称为输 出电阻或霍耳侧内部电阻。 器件电流(控制电流或输入电流):流入到器件内的电流。 电流端子A、B相应地称为器件电流端、控制电流端 或输入电流端。 H 霍耳器件符号 AAABBB C CC D DD 关于霍耳器件符号， 名称及型号，国内外 尚无统一规定，为叙 述方便起见，暂规定 下列名称的符号。 传感器及检测技术 控制电流I； 霍耳电势VH； 控制电压V； 输出电阻R2； 输入电阻R1； 霍耳负载电阻R3； 霍耳电流IH。 图中控制电流I由电源E供给,R为调节电阻,保证器件内所 需控制电流I。霍耳输出端接负载R3,R3可是一般电阻或放 大器的输入电阻、或表头内阻等。磁场
5、B垂直通过霍耳器 件,在磁场与控制电流作用下，由负载上获得电压。 VH R3 V B I E IH 霍耳器件的基本电路 R 实际使用时,器件输入信号可以是I或B，或者IB,而输出 可以正比于I或B, 或者正比于其乘积IB。 传感器及检测技术 上两式是霍耳器件中的基本公式。即：输入电流或输 入电压和霍耳输出电势完全呈线性关系。如果输入电 流或电压中任一项固定时，磁感应强度和输出电势之 间也完全呈线性关系。 同样，若给出控制电压V，由于V=R1I，可得控制电压 和霍耳电势的关系式 设霍耳片厚度d均匀，电流I和霍耳电场的方向分别平 行于长、短边界，则控制电流I和霍耳电势VH的关系式 传感器及检测技术
6、 四.基本特性 1、直线性：指霍耳器件的输出电势VH分别和基本参数 I、V、B之间呈线性关系。 VH=KHBI 2、灵敏度：可以用乘积灵敏度或磁场灵敏度以及电流 灵敏度、电势灵敏度表示： KH乘积灵敏度，表示霍耳电势VH与磁感应强度B和 控制电流I乘积之间的比值，通常以mV/(mA0.1T)。 因为霍耳元件的输出电压要由两个输入量的乘积来确 定,故称为乘积灵敏度。 传感器及检测技术 KB磁场灵敏度，通常以额定电流为标准。磁场灵敏 度等于霍耳元件通以额定电流时每单位磁感应强度对应 的霍耳电势值。常用于磁场测量等情况。 KI电流灵敏度，电流灵敏度等于霍耳元件在单位磁 感应强度下电流对应的霍耳电势值
7、。 若控制电流值固定，则： VHKBB 若磁场值固定，则： VHKI I 传感器及检测技术 3、额定电流：霍耳元件的允许温升规定着一个最大控 制电流。 4、最大输出功率 在霍耳电极间接入负载后，元件的 功率输出与负载的大小有关，当霍耳电极间的内阻R2 等于霍耳负载电阻R3时，霍耳输出功率为最大。 5、负载特性 当霍耳电极间串接有负载时，因为流过霍 耳电流，在其内阻上将产生压降，故实际霍耳电势比理 论值小。由于霍耳电极间内阻和磁阻效应的影响，霍耳 电势和磁感应强度之间便失去了线性关系。如图所示。 传感器及检测技术 80 60 40 20 0 0.20.4 0.6 0.81.0 VH/mV = =
8、7.0 =1.5 =3.0 B/T 理论值 实际值 VHR3 I 霍耳电势的负载特性 =R3/R2 霍耳电势随负载电阻值而改变的情况 传感器及检测技术 6、温度特性：指霍耳电势或灵敏度的温度特性，以及 输入阻抗和输出阻抗的温度特性。它们可归结为霍耳 系数和电阻率（或电导率）与温度的关系。 霍耳材料的温度特征 （a）RH与温度的关系；（b）与温度的关系 RH/cm2/A-1 250 200 150 100 50 4080120160200 LnSb LnAs T/ 0 2 4 6 /710-3cm LnAs 20015010050 LnSb T/ 0 双重影响：元件电阻，采用恒流供电；载流子迁移
9、率， 影响灵敏度。二者相反。 传感器及检测技术 7、频率特性 u磁场恒定，而通过传感器的电流是交变的。器件的频 率特性很好，到10kHz时交流输出还与直流情况相同。 因此,霍耳器件可用于微波范围,其输出不受频率影响。 u磁场交变。霍耳输出不仅与频率有关，而且还与器件 的电导率、周围介质的磁导率及磁路参数(特别是气隙 宽度)等有关。这是由于在交变磁场作用下，元件与导 体一样会在其内部产生涡流的缘故。 总之，在交变磁场下，当频率为数十kHz时，可以 不考虑频率对器件输出的影响，即使在数MHz时，如 果能仔细设计气隙宽度，选用合适的元件和导磁材料 ，仍然可以保证器件有良好的频率特性的。 传感器及检测
10、技术 霍耳开关集成传感器是利用霍耳效应与集成电 路技术结合而制成的一种磁敏传感器，它能感 知一切与磁信息有关的物理量，并以开关信号 形式输出。霍耳开关集成传感器具有使用寿命 长、无触点磨损、无火花干扰、无转换抖动、 工作频率高、温度特性好、能适应恶劣环境等 优点。 五. 霍耳开关集成传感器 传感器及检测技术 由稳压电路、霍耳元件、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。 1霍耳开关集成传感器的结构及工作原理 霍耳开关集成传感器内部结构框图 2 3 输出 + 稳压 VCC 1 霍耳元件放大 BT 整形
11、 地 H 传感器及检测技术 3020T 输出 Vout R=2k +12V 1 2 3 （b）应用电路 （a）外型 霍耳开关集成传感器的外型及应用电路 123 传感器及检测技术 2霍耳开关集成传感器的工作特性曲线 从工作特性曲线上可以看出，工作特性有一定的 磁滞BH，这对开关动作的可靠性非常有利。 图中的BOP 为工作点“开”的磁感应强度，BRP为释放点“关”的磁感 应强度。 霍耳开关集成传感器的工作特性曲线 VOUT/V 12 ON OFF BRP BOP BH B 霍耳开关集成传感器的技术参数： 工作电压 、磁感应强度、输出截止电压、 输出导通电流、工作温度、工作点。 0 该曲线反映了外加
12、 磁场与传感器输出电平 的关系。当外加磁感强 度高于BOP时，输出电 平由高变低，传感器处 于开状态。当外加磁感 强度低于BRP时，输出 电平由低变高，传感器 处于关状态。 传感器及检测技术 3霍耳开关集成传感器的应用 RL VACVcc Vcc VAC 传感器及检测技术 Vcc VAC K Vcc K Vcc VAC Vcc MOS VOUT VAC 霍耳开关集成传感器的一般接口电路 VAC RL 传感器及检测技术 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 电流的测定与控制 位置及角度的检测 霍耳开关集成传感器的应用领域 传感器及检测技术 1霍耳线性集成传感器的结构及
13、工作原理 霍耳线性集成传感器的输出电压与外加磁场成线性比例 关系。这类传感器一般由霍耳元件和放大器组成，当外加磁 场时,霍耳元件产生与磁场成线性比例变化的霍耳电压,经放 大器放大后输出。在实际电路设计中，为了提高传感器的性 能，往往在电路中设置稳压、电流放大输出级、失调调整和 线性度调整等电路。霍耳开关集成传感器的输出有低电平或 高电平两种状态，而霍耳线性集成传感器的输出却是对外加 磁场的线性感应。因此霍耳线性集成传感器广泛用于位置、 力、重量、厚度、速度、磁场、电流等的测量或控制。霍耳 线性集成传感器有单端输出和双端输出两种，其电路结构如 下图。 六.霍耳线性集成传感器 传感器及检测技术 单
14、端输出传感器的电路结构框图 2 3 输出 + 稳压 VCC 1 霍耳元件放大 地 H 稳压 H 3 VCC 地 4 输出 输出 1 8 6 7 5 双端输出传感器的电路结构框图 单端输出的传感 器是一个三端器件， 它的输出电压对外加 磁场的微小变化能做 出线性响应，通常将 输出电压用电容交连 到外接放大器，将输 出电压放大到较高的 电平。其典型产品是 SL3501T。 双端输出的传感器 是一个8脚双列直插封 装的器件，它可提供 差动射极跟随输出， 还可提供输出失调调 零。其典型产品是 SL3501M。 传感器及检测技术 2霍耳线性集成传感器的主要技术特性 传感器的输出特性如下图： 磁感应强度B
15、/T 5.6 4.6 3.6 2.6 1.6 -0.3 -0.2 -0.1 00.10.2 0.3 输 出 电 压 U/ V SL3501T传感器的输出特性曲线 传感器及检测技术 2.5 2.0 1.5 1.0 0.5 0.040.08 0.120.16 0.200.24 输 出 电 压 U/ V 磁感应强度B/T SL3501M传感器的输出特性曲线 0 0.28 0.32 R=0 R=15 R=100 传感器及检测技术 利用霍耳效应制作的霍耳器件，不仅在磁场测量方面 ，而且在测量技术、无线电技术、计算技术和自动化技术 等领域中均得到了广泛应用。 利用霍耳电势与外加磁通密度成比例的特性，可借助
16、 于固定元件的控制电流，对磁量以及其他可转换成磁量的 电量、机械量和非电量等进行测量和控制。应用这类特性 制作的器具有磁通计、电流计、磁读头、位移计、速度计 、振动计、罗盘、转速计、无触点开关等。 七.霍耳磁敏传感器的应用 传感器及检测技术 利用霍耳传感器制作的仪器优点： (1) 体积小，结构简单、坚固耐用。 (2)无可动部件，无磨损，无摩擦热，噪声小。 (3)装置性能稳定，寿命长，可靠性高。 (4)频率范围宽，从直流到微波范围均可应用。 (5)霍耳器件载流子惯性小，装置动态特性好。 霍耳器件也存在转换效率低和受温度影响大等明显 缺点。但是，由于新材料新工艺不断出现，这些缺点正 逐步得到克服。
