自动检测与转换技术-第七章解析

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1、*1 第7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 *2 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 *3 霍尔效应原理图 *4 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

2、磁场的方向上将产生 电动势，这种物理现象称为霍尔效应。 （左手定则判断洛伦兹力方向即自由电子偏转方向） *5 设图中的材料是型半导体，导电的载流 子是电子。在轴方向的磁场作用下，电子将 受到一个沿轴负方向力的作用，这个力就是 洛仑兹力。它的大小为：FL=evB z x y I AD B C B l L d UH A、B-霍尔电极 C、D-控制电极 FL FL B I 6 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 FL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，l为霍尔元件宽度 。当FL = FE时，电子的

3、 积累达到动平衡，即 所以 I AD B C B l L d UH A、B-霍尔电极C、D-控制电极 FEFL 7 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 I AD B C B l L d UH A、B-霍尔电极C、D-控制电极 FL FE *8 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 *9 KH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

4、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 *10 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，但若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 *11 2）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。 若磁场B和霍尔元件平面的法线成一角

5、度 ，则作用于霍尔元件的有效磁感应强度为 Bcos，因此 UH=KHIBcos *12 I AD B C B l L d UH A、B-霍尔电极 C、D-控制电极 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。 *13 *14 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 和主要特性参数 国产霍尔元件型号的命名方法 *15 1、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

6、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。 可以在无磁场即B0和室温（20 5）时，用 欧姆表等测量。 *16 二、主要特性参数 2、额定激励电流I 和最大激励电流IM 霍尔元件在空气中产生10的温升时所施加 的激励电流称为额定激励电流I。在相同的 磁感应强度下，I值较大则可获得较大的霍 尔输出。 霍尔元件限制I 的主要因素是散热条件。 一般锗元件的最大允许温升Tm80，硅 元件的Tm175。当霍尔元件的温升达到 Tm时的IC就是最大激励电流Im。 *17 霍尔元件的乘积灵敏度定义为在单位激 励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

7、（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。 *18 3、乘积灵敏度KH 其定义 *19 在额定激励电流 I 之下，不加磁B0时， 霍尔电极间的空载霍尔电势UH0，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UM和额定激励电流I之比为不等位电 阻RM，即 4、不等位电势 UM 和不等位电阻 RM （工艺） *20 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

8、电位差 ，此电位差被称为不等位电势（不平衡电势）UH 。 *21 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，单位为1。 5、霍尔电势温度系数 *22 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与 B 的 第三节 霍尔元件的测量电路及补偿 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。 *23 为了

9、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 *24 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 （一）采用恒流源提供控制电流 对于上图所示的基本测量电路， 设温度由T增加到T+T， 因

10、霍尔片的电子浓度n增加，从而使霍尔元件的 乘积灵敏度由 KH减小到KH（1T）， 其中是KH的温度系数。 *25 另一方面霍尔元件输入电阻由Ri减小到 Ri （1T）。其中是Ri的温度系数。 输入电阻的变化将使控制电流由IC变为ICIC， 此时霍尔电势将由UHKHICB变为 UH UH KH （1T）（ICIC ）B。 要使 UH 0，必须IC （1T） （ICIC ） *26 要满足IC （1T） （ICIC ），为此采 用上图所示的电源为恒流源的测量电路，电路 中并联一个起分流作用的补偿电阻R。根据上 图可得 *27 式中 补偿电 阻R的温度系数。 *28 将这两式 代入 对上式进行整理，

11、并忽略（T）2 项可得 得到 *29 对于一个确定的霍尔元件， 和值可由元件参数表查得，Ri可 在无外磁场和室温条件下直接测 得。因此只要选择适当的补偿电 阻，使其R和满足上式，就可在 输入回路实现对温度误差的补偿 了。 （二）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： *30 式中 R0霍尔元件的输出电阻。 当温度由T变为T+T时，则RL上的电压变为 *31 式中 霍尔电势的温度系数； 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UL0，由 上两式可知，必须 对上式进行整理可得 *32 对于一个确定的霍尔元件，可以方

12、便地获得 、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。 （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)。 *33 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。 *34 35 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

13、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。 36 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 *37 理想情况下，不等位电 势UM=0，对应于电桥的平衡 状态，此时R1R2R3R4。 如果霍尔元件的UM0， 则电桥就处于不平衡状态，

14、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。 （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97 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。 *38 （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。 *39 在该电桥的负载电阻RP2上 取出电桥

15、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B0时的总输 出电压为零。 *40 在霍尔元件的工作温度下限 T1时，热敏电阻的阻值为Rt（ T1）。电位器RP2保持在某一 确定位置，通过调节电位器 的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UML，此时的补 偿电压称为恒定补偿电压。 *41 当工作温度T1升高到T1 T时 ，热敏电阻的阻值为Rt（T1 T ）。RP1保持不变，通过调 节RP2，使补偿电压抵消此时 的不等位电势UML UM。此 时的补偿电压实际上包含了两 个分量，一个是抵消工作温度 为T1时的不等位电势UML的恒 定补偿电压分量，另一个是抵 消工作温度升高T时的不等位 电势的变化量UM的变化补偿 电压分量。 *42 根据上述讨论可知，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