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1、第6章 磁敏传感器,【内容提示】 磁敏传感器是对磁场敏感的传感器，它是利用磁场作用使物体的电性能发生变化的物理效应制成的，实现使磁场强度或与磁场强度相关的物理量转变成电量。磁敏传感器具有结构简单、灵敏度高、无接触、稳定性好、寿命长和频率响应范围宽等特点，因而被广泛应用于工农业生产和国防科研等领域。,磁敏传感器（magneto-dependent sensor）是利用半导体磁敏元件对磁场敏感的特性来实现磁电测量的。用磁场（magnetic field）作媒介，可以检测很多物理量，如位移、振动、力、转速、加速度、流量、电流、电功率等。这类传感器不仅可以实现非接触测量，而且还不从磁场中获取能量。在本
2、章开始的时候，我们先给出磁敏传感器的主要类型、特性和用途等信息，让初学者有一个大致的印象，然后开始具体的学习与讨论。表6-1对这些信息进行了概括与表述。,6.1 霍尔传感器,6.1.1 霍尔效应、霍尔元件及其材料,1霍尔效应（Hall effect）,霍尔效应是一种磁电效应，最初是美国物理学家霍尔 (Edwin Herbert Hall, 1855-1938)于1879年在研究金属导电机构实验中发现的。将一载流导体放在磁场中，若磁场方向与电,表6-1 主要磁敏传感器,流方向正交，则在与磁场和电流两者垂直的方向将会产生横向电动势，这一现象被称作霍尔效应，响应的电动势被称作霍尔电动势（Hall e
3、lectromotive force）。,放一块长l，宽b，厚 d 的N型半导体材料，使电流（习惯上称为控制电流）从右端流向左端，并有一磁场B垂直穿过半导体块，如图 6-1 所示。通电导体在磁场下会产生洛伦兹力 (Lorentz force)，即磁场对运动点电荷的作用力，其大小为,图6-1 霍尔效应原理图,其中，e为电子电荷量， 库伦，v为电子运动速度，B 磁感强度， 单位特斯拉T。洛伦兹力方向可用左手 法则来确定，即左手4指与大拇指垂直， 4指的方向与电流的方向一致，磁力线 垂直穿过掌心，则大拇指所指的方向即,为洛伦兹力方向。,在 作用下，电子运动会产生偏移（见图），并在材料块后端产生积累（
4、负电荷），前端积累正电荷。正负电荷的形成导致电场产生，称为霍尔电场 ，电场力方向由负电荷端指向正电荷端（如图），大小为,其中， 为霍尔电动势，e同前，为电子电荷量，b为材料块的宽度。,当洛伦兹力与电场力相等时，电子积累处在动态平衡，从而有,于是有,由此获得,（6-1）,考虑电流 I，设N型半导体材料块电子浓度为 n，则电流密度为,其中负号表示电子速度与电流方向相反。由电流定义有,从而获得,将其代入式（6-1），有,（6-2）,其中 为霍尔系数， 为霍尔片灵敏度（系数）。,以上产生霍尔电动势的现象称为霍尔效应。从式（6-2）可知， 与 I 和 B 成正比；随着d 下降， 会上升，所以，d 一般选
5、得较小（薄）； 与电子浓度 n 有关，n 越大， 越小，所以霍尔片通常不用金属导体，而选半导体。,若磁场与霍尔片法线方向有夹角 ，则霍尔电动势为,若 B 或 I 改变方向， 也改变方向；若 B 和 I 同时改变方向，则 不变方向。,2霍尔元件及其材料,霍尔元件外形如图6-2 (a) 所示，符号通常有三种，如图6-2 (b) 所示，其中1和3脚为控制电流极，2和4脚为霍尔电动势输出极。霍尔元件基本测量电路如图6-3所示，其中 为负载， 为可调电阻，调节I的大小。,图6-2 霍尔元件,(b) 常用符号,(a) 外形,金属导体的载流子迁移率很大，但其电阻率低（自由电子浓度n大），绝缘材料电阻率很高，
6、但其载流子迁移率低，所以金属导体和绝缘体均不宜作霍尔元件，只有半导体材,料最合适。制作霍尔元件的常用材料有：锑化铟(InSb) 、砷化镓 (GaAs) 、磷化铟 (InAs) 和 N 型锗(Ge) 。从前主要用锑化铟，现在多为砷化镓。锑化铟稳定性好、受电压漂移影响小，但受温度影响大，频率特性不佳；砷化镓线性度好，温度系数小，但是灵敏度不高。,图6-3 基本测量电路,6.1.2 主要技术参数, 输入电阻 和输出电阻 ：输入电阻 指控制电流极间电阻，输出电阻 指 霍尔电压极间电阻，它们的阻值范围为：1002000，两者相差不大。, 额定控制电流 ：使霍尔元件温升10所施加的电流值。它与霍尔元件尺寸
7、有关，尺寸小， 小。一般额定控制电流为几至几十毫安。, 霍尔元件几何尺寸对霍尔电动势 的影响：前述的霍尔片的长宽尺寸大小对 是有影响的，那里我们假设长度 l 为无穷大，实际霍尔片的长宽比 是有限的、变化的，该比值大小直接影响霍尔电动势。实际情况是，霍尔电动势为,其中， 为霍尔片形状系数，当霍尔片长宽之比 时，有 。实际取值时，等于2即可，因为该比过大反而增大传感器输入功耗。另外，要求对霍尔元件的控制电流端电极有良好的面接触，霍尔元件输出端电极为点接触。, 不等位电动势 ：当不加外磁场时，根据式（6-2），应有霍尔片的输出电动势为零，即 ，但实际上它并不为零，一般有 。产生这一现象的原因是霍尔片
8、输出两电极不在同一等位面上（如图 6-4），并且材料电阻率不均匀。该现象导致的后果是：产生误差。,由于两电极不在同一等位面上，从等效电路图6-5可知，等效电阻 、 、 和 之间不相等或构成比例，从而导致输出不为零。补偿方法是外接电阻R和可调电阻 ，并调节 ，使输出为零，如图 6-6。,图6-4 霍尔片不等电位 图6-5 霍尔片等效电路 图6-6 补偿电路, 感应电动势：当控制电流 时，变化的磁场 B 在输出回路中有附加感应电动势，其大小正比于磁感强度 B 的幅值和磁场变化频率，且与霍尔电动势极引线构成的感应面积成正比。感应电动势带来的后果是零位误差。,表 6-2 是几种霍尔元件的型号与技术参数
9、。,表6-2 几种霍尔元件的主要技术参数,6.1.3 温度误差与补偿,当温度变化时，由于霍尔元件的半导体材料电阻率 、载流子的迁移率和浓度均随温度而变化，从而导致霍尔元件内阻 和输出电动势 变化。对于这些不期望的变化，其解决方法通常有三种：一是选用温度系数小的霍尔元件材料，或者采取恒温措施；二是用恒流源供电，减小元件内阻随温度变化而引起控制电流的变化；三是进行温度补偿。下面针对第三种方法进行具体讨论。,补偿电路如图6-7所示，设R为补偿电阻，它不随温度变化， 为恒流源，当温度为 时，元件内阻为 ，灵敏度为 ；当温度变为T时，元件输入内阻为 ，灵敏度为 ，并且两种温度条件下的参数有如下关系：,其
10、中， 为霍尔元件输入电阻温度系数， 为霍尔元件灵敏度温度系数， 为温度差。,图6-7 温度补偿电路,现在确定补偿电阻R的值。当温度为 时， 根据图 6-7，由电路原理，有,其中， 为 在 时的值， 为 在 时的值， 为恒流源。由上两式消 得,当温度变化， 时，相关参数也变化： 、 ，而恒流源 I 以及电阻R 不变化，所以有,为使 在温度为 和 时维持不变，应有,即,从而有,（6-3）,其中 、 和 一般在产品说明书中有标明，故 R 可求出。,一般来说， ，所以式（6-3）可近似为,（6-4）,即按式 (6-3) 或 (6-4) 配加的电阻，在温度 时，可实现霍尔元件的输出保持不变。,6.1.4
11、 集成霍尔传感器,霍尔传感器（Hall sensor）的输出电压通常比较小，放大后才方便使用。用集成电路技术，将霍尔元件、放大器、温度补偿和稳压电源等集成在一块芯片上，构成霍尔集成传感器，这样不仅结构紧凑，方便使用，而且减小误差、提高可靠性。按输出形式的不同，集成霍尔传感器可分为线性型和开关型两类。,1 霍尔开关集成器件 霍尔开关集成传感器内部结构如图6-8所示。它由霍尔元件、放大器、施密特整形电路和输出电路组成。稳压电路可以使传感器工作在较宽的电源电压范围，集电极开路输出可使传感器方便地与其它逻辑电路衔接。,图6-9 输出特性曲线,图6-8 霍尔开关集成电路内部结构框图,当有磁场作用域传感器
12、时，霍尔元件输出电压 ，经放大后送施密特整形电路，当放大后的电压大于阈值时，施密特电路翻转，输出高电平，从而导致半导体三极管VT导通。当磁场减弱时，霍尔元件输出电压减小，当放大后的电压小于施密特电路的阈值时，施密特电路又一次翻回原态，输出低电平，从而导致VT管截止。,霍尔传感器的输出特性（也称工作特性）如图6-9所示，其中， 为工作点开始（即VT管导通）的磁感应强度， 为工作点关闭（VT 管截止）的磁感应强度， 为磁滞宽度，它对开关动作的可靠性有好处，以防噪声干扰，开关误动作。当外加磁感应强度高于 时，输出电平由高变低，传感器处于打开状态，当外加磁感应强度低于 时，输出电平由低变高，传感器处在
13、关闭状态。,表6-3（见下页）为 UGN3000 系列霍尔开关集成传感器的技术参数。其中UGN-3075是一种“锁定型”，当外加磁场撤消后，输出状态仍保持不变，当施加反向磁场并使之超过释放点后，才可关断。,2. 霍尔线性集成器件,霍尔线性集成传感器的输出电压与外加磁场强度在一定范围内呈线性关系。它有单端输出和双端输出（也称差动输出）两种电路，内部结构框图如图6-10所示。图（b）中的D为差动输出电路，管脚5、6和7外接补偿电位器。美国SPRAGUN公司生产的UGN,(a) 单端输出,(b) 双端输出,图6-10 霍尔线性集成器件,表6-3 霍尔开关集成传感器技术参数,（下表左端接续上表右端）,
14、系列霍尔线性集成器件是这类产品的代表，国产 CS3500 系列霍尔线性集成器件与其相当，可选择使用。 UGN3501系列线性霍尔传感器技术参数如 表6-4 所示。UGN3501T 的磁场强度与输出电压的关系在0.15T 磁场强度范围内，有较好的线性度，超出该范围，输出电压饱和，具体情况见图 6-11。,图6-11 磁场强度与输出电压关系,表6-4 UGN3501系列霍尔线性传感器参数,6.1.5 霍尔传感器的应用,根据霍尔电动势的表达式（6-2），霍尔传感器的测量应用主要围绕磁感强度B和控制电流 I 进行：当控制电流不变时，传感器的输出正比于磁场强度，此类应用有磁感强度及其变化的测量、霍尔元件
15、在梯度磁场中微位移的测量等；当磁感应强度不变时，传感器的输出正比于控制电流，可以用来测量电流（尤其是大的直流）、组成回转器和隔离器等；当控制电流和磁感应强度都变化时，传感器的输出与两者的乘积成正比，可用来做乘法器和功率计等。,1霍尔位移传感器 霍尔位移传感器具有惯性小、响应速度快、测量无触点等特点，可测量小至1-2mm的位移。除了测量位移之外，利用该原理还可制成测量液位、力、压力和压差等量的传感器。 霍尔位移传感器的结构如图6-12所示，在极性相反、磁场强度相同的两个磁钢气隙间放置一块霍尔片，控制电流I从左端流向右端，且电流值不变，于是霍尔电动势 与磁感强度成正比。从图可知，磁场沿 x 方向在一定范围内的变化梯度 为一常数，如图6-13所示。于是，当霍尔元件沿 x 方向移动时，其霍尔电动势的变化率,其中 传感器的输出灵敏度，为常数。对上式进行积分，并考虑零初始条件,该式说明霍尔电动势与位移成线性关系，并且其极性反映霍尔元件移动方向。如果磁场变化梯度越大，则输出灵敏度越高；磁场梯
