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1、 传感器原理与应用传感器原理与应用第七章第七章第七章第七章 半半导体体磁敏磁敏传感器感器 传感器原理与应用传感器原理与应用第七章第七章简简简简 介介介介磁敏式传感器都是利用半导体材料中的自由电子或空穴磁敏式传感器都是利用半导体材料中的自由电子或空穴磁敏式传感器都是利用半导体材料中的自由电子或空穴磁敏式传感器都是利用半导体材料中的自由电子或空穴随磁场改变其运动方向这一特性而制成。随磁场改变其运动方向这一特性而制成。随磁场改变其运动方向这一特性而制成。随磁场改变其运动方向这一特性而制成。按其结构可分为体型和结型两大类。按其结构可分为体型和结型两大类。按其结构可分为体型和结型两大类。按其结构可分为体
2、型和结型两大类。体型的有霍尔传感器，其主要材料体型的有霍尔传感器，其主要材料体型的有霍尔传感器，其主要材料体型的有霍尔传感器，其主要材料InSb(InSb(锑化铟锑化铟锑化铟锑化铟) )、InAsInAs砷化铟）、砷化铟）、砷化铟）、砷化铟）、GeGe锗）、锗）、锗）、锗）、SiSi、GaAsGaAs等和磁敏电阻等和磁敏电阻等和磁敏电阻等和磁敏电阻InSbInSb、InAsInAs。结型的有磁敏二极管结型的有磁敏二极管结型的有磁敏二极管结型的有磁敏二极管(Ge(Ge、Si)Si)，磁敏三极管，磁敏三极管，磁敏三极管，磁敏三极管(Si)(Si)应用范围可分为模拟用途和数字用途。应用范围可分为模拟
3、用途和数字用途。应用范围可分为模拟用途和数字用途。应用范围可分为模拟用途和数字用途。 传感器原理与应用传感器原理与应用第七章第七章7.1 7.1 霍尔传感器霍尔传感器 7.1.1 7.1.1 霍尔效应霍尔效应霍尔效应霍尔效应霍尔效应是磁电效应的一种，这一现象霍尔效应是磁电效应的一种，这一现象是美国物理学家霍尔是美国物理学家霍尔A.H.Hall，18551938于于1879年在研究金属的导年在研究金属的导电机构时发现的。当电流垂直于外磁场电机构时发现的。当电流垂直于外磁场通过导体时，在导体的垂直于磁场和电通过导体时，在导体的垂直于磁场和电流方向的两个端面之间会出现电势差，流方向的两个端面之间会出
4、现电势差，这一现象便是霍尔效应。这个电势差也这一现象便是霍尔效应。这个电势差也被叫做霍尔电势差。被叫做霍尔电势差。 传感器原理与应用传感器原理与应用第七章第七章7.1.1 7.1.1 霍尔效应霍尔效应霍尔效应霍尔效应有一如图所示的半导体有一如图所示的半导体薄片，若在它的两端通薄片，若在它的两端通以控制电流以控制电流I，在薄片的，在薄片的垂直方向上施加磁感应垂直方向上施加磁感应强度为强度为B的磁场，则在薄的磁场，则在薄片的另两侧面会产生与片的另两侧面会产生与I和和B的乘积成比例的电动的乘积成比例的电动势势UH霍尔电势或称霍霍尔电势或称霍尔电压）。这种现象就尔电压）。这种现象就称为霍尔效应。称为霍
5、尔效应。控制电极控制电极控制电流控制电流霍尔电极霍尔电极 传感器原理与应用传感器原理与应用第七章第七章图图图图7-1 7-1 7-1 7-1 霍尔效应霍尔效应霍尔效应霍尔效应UHbldIFLFEvB7.1.1 7.1.1 霍尔效应霍尔效应霍尔效应霍尔效应是半导体中的自由电荷在磁场中受到洛伦兹力作用而产生的。是半导体中的自由电荷在磁场中受到洛伦兹力作用而产生的。 传感器原理与应用传感器原理与应用第七章第七章所以，霍尔电压所以，霍尔电压所以，霍尔电压所以，霍尔电压UHUH可表示为可表示为可表示为可表示为 UH = EH b = vBb (7-3) UH = EH b = vBb (7-3)设霍尔元
6、件为设霍尔元件为设霍尔元件为设霍尔元件为N N N N型半导体，当它通电流型半导体，当它通电流型半导体，当它通电流型半导体，当它通电流I I I I时时时时 FL = qvB (7- FL = qvB (7- FL = qvB (7- FL = qvB (7-1)1)1)1)当电场力与洛仑兹力相等时，达到动态平衡，这时有当电场力与洛仑兹力相等时，达到动态平衡，这时有当电场力与洛仑兹力相等时，达到动态平衡，这时有当电场力与洛仑兹力相等时，达到动态平衡，这时有 qEH=qvB qEH=qvB qEH=qvB qEH=qvB故霍尔电场的强度为故霍尔电场的强度为故霍尔电场的强度为故霍尔电场的强度为 E
7、H=vB EH=vB EH=vB EH=vB （7-27-27-27-2） 传感器原理与应用传感器原理与应用第七章第七章流过霍尔元件的电流为流过霍尔元件的电流为流过霍尔元件的电流为流过霍尔元件的电流为 I = dQ / dt = bdvnq I = dQ / dt = bdvnq得：得：得：得： v =I / nqbd (7-4) v =I / nqbd (7-4) 所以：所以：所以：所以： UH = BI / nqd UH = BI / nqd 若取若取若取若取 RH = 1 / nq RH = 1 / nq 那么那么那么那么 RHRH被定义为霍尔元件的霍尔系数。它反映材料霍尔效被定义为霍尔
8、元件的霍尔系数。它反映材料霍尔效被定义为霍尔元件的霍尔系数。它反映材料霍尔效被定义为霍尔元件的霍尔系数。它反映材料霍尔效应的强弱。应的强弱。应的强弱。应的强弱。 传感器原理与应用传感器原理与应用第七章第七章设设设设KHKH即为霍尔元件的灵敏度，它表示一个霍尔元件在即为霍尔元件的灵敏度，它表示一个霍尔元件在即为霍尔元件的灵敏度，它表示一个霍尔元件在即为霍尔元件的灵敏度，它表示一个霍尔元件在单位控制电流和单位磁感应强度时产生的霍尔电压的单位控制电流和单位磁感应强度时产生的霍尔电压的单位控制电流和单位磁感应强度时产生的霍尔电压的单位控制电流和单位磁感应强度时产生的霍尔电压的大小大小大小大小. . 单
9、位是单位是单位是单位是mV/mV/（mATmAT） 传感器原理与应用传感器原理与应用第七章第七章 霍尔电压的大小决定于载流体中电子的运动速度，它霍尔电压的大小决定于载流体中电子的运动速度，它霍尔电压的大小决定于载流体中电子的运动速度，它霍尔电压的大小决定于载流体中电子的运动速度，它随载流体材料的不同而不同。料中电子在电场作用下运随载流体材料的不同而不同。料中电子在电场作用下运随载流体材料的不同而不同。料中电子在电场作用下运随载流体材料的不同而不同。料中电子在电场作用下运动速度的大小常用载流子迁移率来表征，即在单位电场动速度的大小常用载流子迁移率来表征，即在单位电场动速度的大小常用载流子迁移率来
10、表征，即在单位电场动速度的大小常用载流子迁移率来表征，即在单位电场强度作用下，载流子的平均速度值。即强度作用下，载流子的平均速度值。即强度作用下，载流子的平均速度值。即强度作用下，载流子的平均速度值。即所以所以所以所以而而而而 传感器原理与应用传感器原理与应用第七章第七章比较得比较得比较得比较得或或或或结论：结论：结论：结论： 如果是如果是如果是如果是P P型半导体，其载流子是空穴，若空穴浓度型半导体，其载流子是空穴，若空穴浓度型半导体，其载流子是空穴，若空穴浓度型半导体，其载流子是空穴，若空穴浓度为为为为p p，同理可得，同理可得，同理可得，同理可得 传感器原理与应用传感器原理与应用第七章第
11、七章 霍尔电压霍尔电压霍尔电压霍尔电压UHUH与材料的性质有关。与材料的性质有关。与材料的性质有关。与材料的性质有关。 霍尔电压霍尔电压霍尔电压霍尔电压UHUH与元件的尺寸有关。与元件的尺寸有关。与元件的尺寸有关。与元件的尺寸有关。 霍尔电压霍尔电压霍尔电压霍尔电压UHUH与控制电流及磁场强度有关。与控制电流及磁场强度有关。与控制电流及磁场强度有关。与控制电流及磁场强度有关。材料的材料的、大，大，RH就大。金属的就大。金属的虽然很大，但虽然很大，但很很小，故不宜做成元件。在半导体材料中，由于电子的小，故不宜做成元件。在半导体材料中，由于电子的迁移率比空穴的大，且迁移率比空穴的大，且np，所以霍
12、尔元件一般采，所以霍尔元件一般采用用N型半导体材料。型半导体材料。 传感器原理与应用传感器原理与应用第七章第七章7.1.2 7.1.2 霍尔元件的构造及测量电路霍尔元件的构造及测量电路霍尔元件的构造及测量电路霍尔元件的构造及测量电路 基于霍尔效应工作的半导体器件称为霍尔元基于霍尔效应工作的半导体器件称为霍尔元基于霍尔效应工作的半导体器件称为霍尔元基于霍尔效应工作的半导体器件称为霍尔元件，霍尔元件多采用件，霍尔元件多采用件，霍尔元件多采用件，霍尔元件多采用N N N N型半导体材料。霍尔元件越型半导体材料。霍尔元件越型半导体材料。霍尔元件越型半导体材料。霍尔元件越薄薄薄薄(d (d (d (d
13、越小越小越小越小) ) ) )，kH kH kH kH 就越大。霍尔元件由霍尔片、四就越大。霍尔元件由霍尔片、四就越大。霍尔元件由霍尔片、四就越大。霍尔元件由霍尔片、四根引线和壳体组成，如下图。根引线和壳体组成，如下图。根引线和壳体组成，如下图。根引线和壳体组成，如下图。 传感器原理与应用传感器原理与应用第七章第七章霍尔片是一块半导体单晶薄片霍尔片是一块半导体单晶薄片霍尔片是一块半导体单晶薄片霍尔片是一块半导体单晶薄片( (一般为一般为一般为一般为4mm2mm0.1mm)4mm2mm0.1mm)，它的长度方向两端面上焊有，它的长度方向两端面上焊有，它的长度方向两端面上焊有，它的长度方向两端面上
14、焊有a a、b b两根引线，通常用红色导线，其焊接处称为控制电极；两根引线，通常用红色导线，其焊接处称为控制电极；两根引线，通常用红色导线，其焊接处称为控制电极；两根引线，通常用红色导线，其焊接处称为控制电极；在它的另两侧端面的中间以点的形式对称地焊有在它的另两侧端面的中间以点的形式对称地焊有在它的另两侧端面的中间以点的形式对称地焊有在它的另两侧端面的中间以点的形式对称地焊有c c、d d两根霍尔输出引线，通常用绿色导线，其焊接处称为两根霍尔输出引线，通常用绿色导线，其焊接处称为两根霍尔输出引线，通常用绿色导线，其焊接处称为两根霍尔输出引线，通常用绿色导线，其焊接处称为霍尔电极。霍尔电极。霍尔
15、电极。霍尔电极。 传感器原理与应用传感器原理与应用第七章第七章2 2 测量电路测量电路测量电路测量电路W1W2UHUH（a a a a基本测量电路基本测量电路基本测量电路基本测量电路WUHRLE（b b b b直流供电输出方式直流供电输出方式直流供电输出方式直流供电输出方式 （c c c c交流供电输出方式交流供电输出方式交流供电输出方式交流供电输出方式 传感器原理与应用传感器原理与应用第七章第七章7.1.3 7.1.3 霍尔元件的技术参数霍尔元件的技术参数霍尔元件的技术参数霍尔元件的技术参数1.1.1.1.额定功耗额定功耗额定功耗额定功耗P0P0P0P0在环境温度在环境温度在环境温度在环境温
16、度25252525时，允许通过霍尔元件的电流和电压时，允许通过霍尔元件的电流和电压时，允许通过霍尔元件的电流和电压时，允许通过霍尔元件的电流和电压的乘积。的乘积。的乘积。的乘积。2.2.2.2.输入电阻输入电阻输入电阻输入电阻RiRiRiRi和输出电阻和输出电阻和输出电阻和输出电阻RORORORORiRiRiRi是指控制电极之间的电阻值。是指控制电极之间的电阻值。是指控制电极之间的电阻值。是指控制电极之间的电阻值。R0R0R0R0指霍尔元件输出电极间的电阻。指霍尔元件输出电极间的电阻。指霍尔元件输出电极间的电阻。指霍尔元件输出电极间的电阻。Ri Ri Ri Ri 、R0R0R0R0可以在无磁场
17、时用欧姆表等测量。可以在无磁场时用欧姆表等测量。可以在无磁场时用欧姆表等测量。可以在无磁场时用欧姆表等测量。 传感器原理与应用传感器原理与应用第七章第七章4.4.4.4.霍尔温度系数霍尔温度系数霍尔温度系数霍尔温度系数在一定的磁感应强度和控制电流下，温度变化在一定的磁感应强度和控制电流下，温度变化在一定的磁感应强度和控制电流下，温度变化在一定的磁感应强度和控制电流下，温度变化1111时，时，时，时，霍尔电势变化的百分率。霍尔电势变化的百分率。霍尔电势变化的百分率。霍尔电势变化的百分率。即：即：即：即：3.3.3.3.不等位电势不等位电势不等位电势不等位电势U0U0U0U0在额定控制电流在额定控
18、制电流在额定控制电流在额定控制电流I I I I下，不加磁场时霍尔电极下，不加磁场时霍尔电极下，不加磁场时霍尔电极下，不加磁场时霍尔电极间的空载霍尔电势。间的空载霍尔电势。间的空载霍尔电势。间的空载霍尔电势。 传感器原理与应用传感器原理与应用第七章第七章5.5.5.5.内阻温度系数内阻温度系数内阻温度系数内阻温度系数霍尔元件在无磁场及工作温度范围内，温度每变化霍尔元件在无磁场及工作温度范围内，温度每变化霍尔元件在无磁场及工作温度范围内，温度每变化霍尔元件在无磁场及工作温度范围内，温度每变化1111时，输入电阻与输出电阻变化的百分率。时，输入电阻与输出电阻变化的百分率。时，输入电阻与输出电阻变化
19、的百分率。时，输入电阻与输出电阻变化的百分率。即：即：即：即：6.6.6.6.灵敏度灵敏度灵敏度灵敏度或：或：或：或：减小减小减小减小d;d;d;d;选好的半导体材料选好的半导体材料选好的半导体材料选好的半导体材料 传感器原理与应用传感器原理与应用第七章第七章 不等位电压是由于元件输出极焊接不对称、厚薄不不等位电压是由于元件输出极焊接不对称、厚薄不均匀以及两个输出极接触不良等原因造成的，可以通均匀以及两个输出极接触不良等原因造成的，可以通过桥路平衡的原理加以补偿。如下图，过桥路平衡的原理加以补偿。如下图， 因此当控制电因此当控制电流流I流过元件时，即使磁场强度流过元件时，即使磁场强度B等于零，
20、在霍尔电极等于零，在霍尔电极上仍有电势存在，该电势就称为不等位电势。上仍有电势存在，该电势就称为不等位电势。7.1.4 7.1.4 7.1.4 7.1.4 霍尔元件的测量误差和补偿霍尔元件的测量误差和补偿霍尔元件的测量误差和补偿霍尔元件的测量误差和补偿1. 1. 1. 1. 零位误差及补偿方法零位误差及补偿方法零位误差及补偿方法零位误差及补偿方法 传感器原理与应用传感器原理与应用第七章第七章图图图图7-4 7-4 7-4 7-4 不等位电势不等位电势不等位电势不等位电势图图图图7-5 7-5 7-5 7-5 霍尔元件的等效电路霍尔元件的等效电路霍尔元件的等效电路霍尔元件的等效电路AIU0BCD
21、DR1R2R4ABCR3R4 在分析不等位电势时，我们把霍尔元件等效在分析不等位电势时，我们把霍尔元件等效为一个电桥，为一个电桥， 传感器原理与应用传感器原理与应用第七章第七章几种常用补偿方法几种常用补偿方法几种常用补偿方法几种常用补偿方法BBBWACDWACD (b)WCADWCDAR2R3R4R1BBWDAR2R3R4R1C（a） （b） （c）WCDAR2R3R4R1B 传感器原理与应用传感器原理与应用第七章第七章2. 2. 2. 2. 温度误差及补偿温度误差及补偿温度误差及补偿温度误差及补偿 由于半导体材料的电阻率、迁移率和载流子浓度等会随温由于半导体材料的电阻率、迁移率和载流子浓度等
22、会随温度的变化而发生变化，所以霍尔元件的内阻、输出电压等参数也度的变化而发生变化，所以霍尔元件的内阻、输出电压等参数也将随温度而变化。不同材料的内阻及霍尔电压与温度的关系曲线将随温度而变化。不同材料的内阻及霍尔电压与温度的关系曲线见图，见图， 传感器原理与应用传感器原理与应用第七章第七章 图中，内阻和霍中，内阻和霍尔尔电压都用相都用相对比率表示。我比率表示。我们把温度每把温度每变化化11时，霍，霍尔尔元件元件输入入电阻或阻或输出出电阻阻的相的相对变化率称化率称为内阻温度系数，用内阻温度系数，用表示。把温表示。把温度每度每变化化11时，霍，霍尔尔电压的相的相对变化率称化率称为霍霍尔尔电压温度系数
23、，用温度系数，用表示。表示。 传感器原理与应用传感器原理与应用第七章第七章(1)(1)(1)(1)利用输入回路串联电阻进行补偿利用输入回路串联电阻进行补偿利用输入回路串联电阻进行补偿利用输入回路串联电阻进行补偿（a a a a基本电路基本电路基本电路基本电路 （b b b b等效电路等效电路等效电路等效电路 UHEIREUHtRt(t)RIUHRi(t)UHEIR补偿电阻补偿电阻补偿电阻补偿电阻恒流源恒流源恒流源恒流源霍尔元件温度补偿的方法很多 传感器原理与应用传感器原理与应用第七章第七章元件霍尔系数和输入内阻与温度之间的关系式为：元件霍尔系数和输入内阻与温度之间的关系式为：元件霍尔系数和输入
24、内阻与温度之间的关系式为：元件霍尔系数和输入内阻与温度之间的关系式为：则霍尔电压随温度变化的关系式为：则霍尔电压随温度变化的关系式为：则霍尔电压随温度变化的关系式为：则霍尔电压随温度变化的关系式为：由图可知：由图可知：由图可知：由图可知： UHEIR 传感器原理与应用传感器原理与应用第七章第七章对上式求温度的导数，可得增量表达式：对上式求温度的导数，可得增量表达式：对上式求温度的导数，可得增量表达式：对上式求温度的导数，可得增量表达式：即即即即 ：要使温度变化时霍尔电压不变，必须使要使温度变化时霍尔电压不变，必须使要使温度变化时霍尔电压不变，必须使要使温度变化时霍尔电压不变，必须使 当元件的当
25、元件的当元件的当元件的 、 及内阻及内阻及内阻及内阻Ri0Ri0确定后，温度补偿电阻确定后，温度补偿电阻确定后，温度补偿电阻确定后，温度补偿电阻R R便可便可便可便可求出。求出。求出。求出。 传感器原理与应用传感器原理与应用第七章第七章（2 2 2 2利用输出回路的负载进行补偿利用输出回路的负载进行补偿利用输出回路的负载进行补偿利用输出回路的负载进行补偿 （a a基本电路基本电路基本电路基本电路 （b b等效电路等效电路等效电路等效电路 UHUHI II IRLRLUHtUHtRi(t)Ri(t)Rt(t)Rt(t)RLRLI IUHUHI I霍尔元件的输入采用恒流源，使控制电流稳定不变。霍尔
26、元件的输入采用恒流源，使控制电流稳定不变。霍尔元件的输入采用恒流源，使控制电流稳定不变。霍尔元件的输入采用恒流源，使控制电流稳定不变。即，可以不考虑输入回路的温度影响即，可以不考虑输入回路的温度影响即，可以不考虑输入回路的温度影响即，可以不考虑输入回路的温度影响 传感器原理与应用传感器原理与应用第七章第七章 在温度影响下，元件输出电阻和电势变为：在温度影响下，元件输出电阻和电势变为：在温度影响下，元件输出电阻和电势变为：在温度影响下，元件输出电阻和电势变为： 此时，此时，RLRL上的电压为上的电压为: :负载电阻负载电阻负载电阻负载电阻RLRLRLRL上电压随温度变化最小的极值条件为上电压随温
27、度变化最小的极值条件为上电压随温度变化最小的极值条件为上电压随温度变化最小的极值条件为UHUHI II IRLRL 传感器原理与应用传感器原理与应用第七章第七章求解求解求解求解 得：得：得：得： 传感器原理与应用传感器原理与应用第七章第七章当负载电阻比霍尔元件输出电阻大得多时，输出电阻当负载电阻比霍尔元件输出电阻大得多时，输出电阻当负载电阻比霍尔元件输出电阻大得多时，输出电阻当负载电阻比霍尔元件输出电阻大得多时，输出电阻变化对霍尔电压输出的影响很小。在这种情况下，只变化对霍尔电压输出的影响很小。在这种情况下，只变化对霍尔电压输出的影响很小。在这种情况下，只变化对霍尔电压输出的影响很小。在这种情
28、况下，只考虑在输入端进行补偿即可。考虑在输入端进行补偿即可。考虑在输入端进行补偿即可。考虑在输入端进行补偿即可。若采用恒流源，输入电阻随温度变化而引起的控制电若采用恒流源，输入电阻随温度变化而引起的控制电若采用恒流源，输入电阻随温度变化而引起的控制电若采用恒流源，输入电阻随温度变化而引起的控制电流的变化极小，从而减少了输入端的温度影响。流的变化极小，从而减少了输入端的温度影响。流的变化极小，从而减少了输入端的温度影响。流的变化极小，从而减少了输入端的温度影响。（3 3 3 3利用恒流源进行补偿利用恒流源进行补偿利用恒流源进行补偿利用恒流源进行补偿 传感器原理与应用传感器原理与应用第七章第七章对
29、于温度系数大的半导体材料常使用。对于温度系数大的半导体材料常使用。对于温度系数大的半导体材料常使用。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霍尔输出随温度升高而下降，只要能使控制电流随温度霍尔输出随温度升高而下降，只要能使控制电流随温度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升高而上升，就能进行补偿。例如在输入回路串入热敏升高而上升，就能进行补偿。例如在输入回路串入热敏升高而上升，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。电阻，当温度上升时其阻值下降，从
30、而使控制电流上升。电阻，当温度上升时其阻值下降，从而使控制电流上升。电阻，当温度上升时其阻值下降，从而使控制电流上升。（4 4 4 4利用热敏电阻进行补偿利用热敏电阻进行补偿利用热敏电阻进行补偿利用热敏电阻进行补偿（a a a a输入回路补偿输入回路补偿输入回路补偿输入回路补偿R RRtRt 传感器原理与应用传感器原理与应用第七章第七章（b b b b输出回路补偿输出回路补偿输出回路补偿输出回路补偿 或在输出回路进行补偿。负载或在输出回路进行补偿。负载或在输出回路进行补偿。负载或在输出回路进行补偿。负载RLRLRLRL上的霍尔电势随温度上的霍尔电势随温度上的霍尔电势随温度上的霍尔电势随温度上升
31、而下降的量被热敏电阻阻值减小所补偿。上升而下降的量被热敏电阻阻值减小所补偿。上升而下降的量被热敏电阻阻值减小所补偿。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实际使用时，热敏电阻最好与霍尔元件封在一起或靠实际使用时，热敏电阻最好与霍尔元件封在一起或靠实际使用时，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。近，使它们温度变化一致。近，使它们温度变化一致。近，使它们温度变化一致。R RRLRLRtRt 传感器原理与应用传感器原理与应用第七章第七章（5 5 5 5） 利用补偿电桥进行补偿利用补偿电桥进行补偿利用补偿电桥进行补偿利用补偿电桥进行
32、补偿调节电位器调节电位器调节电位器调节电位器W1W1W1W1可以消除不等位电势。可以消除不等位电势。可以消除不等位电势。可以消除不等位电势。电桥由温度系数低的电阻构成，在某一桥臂电阻上并联电桥由温度系数低的电阻构成，在某一桥臂电阻上并联电桥由温度系数低的电阻构成，在某一桥臂电阻上并联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。温度变化时，热敏电阻将随温度变化而变一热敏电阻。温度变化时，热敏电阻将随温度变化而变一热敏电阻。温度变化时，热敏电阻将随温度变化而变一热敏电阻。温度变化时，热敏电阻将随温度变化而变化，电桥的输出电压相应变化，化，电桥的输出电压相应变化，化，电桥的输出电压相
33、应变化，化，电桥的输出电压相应变化，仔细调节，即可补偿霍仔细调节，即可补偿霍仔细调节，即可补偿霍仔细调节，即可补偿霍尔电势的变化，使其输尔电势的变化，使其输尔电势的变化，使其输尔电势的变化，使其输出电压与温度基本无关。出电压与温度基本无关。出电压与温度基本无关。出电压与温度基本无关。w1w1w2w2E1E1w3w3R2R2R3R3R4R4R1R1E2E2RtRtUHtUHt 传感器原理与应用传感器原理与应用第七章第七章7.2 7.2 集成霍尔传感器集成霍尔传感器集成霍尔传感器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集成霍尔传感器是利用硅集成电路工艺将霍尔元件和集成霍尔传感器
34、是利用硅集成电路工艺将霍尔元件和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霍尔传感器。它取消了传感器测量线路集成在一起的霍尔传感器。它取消了传感器测量线路集成在一起的霍尔传感器。它取消了传感器测量线路集成在一起的霍尔传感器。它取消了传感器和测量电路之间的界限，实现了材料、元件、电路三和测量电路之间的界限，实现了材料、元件、电路三和测量电路之间的界限，实现了材料、元件、电路三和测量电路之间的界限，实现了材料、元件、电路三位一体。集成霍尔传感器由于减少了焊点，因此显著位一体。集成霍尔传感器由于减少了焊点，因此显著位一体。集成霍尔传感器由于减少了焊点，因此显著位一体。集成霍尔
35、传感器由于减少了焊点，因此显著地提高了可靠性。此外，它具有体积小、重量轻、功地提高了可靠性。此外，它具有体积小、重量轻、功地提高了可靠性。此外，它具有体积小、重量轻、功地提高了可靠性。此外，它具有体积小、重量轻、功耗低等优点。耗低等优点。耗低等优点。耗低等优点。 传感器原理与应用传感器原理与应用第七章第七章7.2.1 7.2.1 开关型集成霍尔传感器开关型集成霍尔传感器开关型集成霍尔传感器开关型集成霍尔传感器开关型集成霍尔传感器是把霍尔元件的输出经过处理开关型集成霍尔传感器是把霍尔元件的输出经过处理开关型集成霍尔传感器是把霍尔元件的输出经过处理开关型集成霍尔传感器是把霍尔元件的输出经过处理后输
36、出一个高电平或低电平的数字信号。后输出一个高电平或低电平的数字信号。后输出一个高电平或低电平的数字信号。后输出一个高电平或低电平的数字信号。 霍尔开关电路又称霍尔数字电路，由稳压器、霍尔片、霍尔开关电路又称霍尔数字电路，由稳压器、霍尔片、霍尔开关电路又称霍尔数字电路，由稳压器、霍尔片、霍尔开关电路又称霍尔数字电路，由稳压器、霍尔片、差分放大器，施密特触发器和输出级五部分组成。差分放大器，施密特触发器和输出级五部分组成。差分放大器，施密特触发器和输出级五部分组成。差分放大器，施密特触发器和输出级五部分组成。 传感器原理与应用传感器原理与应用第七章第七章7.2.2 7.2.2 线性集成霍尔传感器线
37、性集成霍尔传感器线性集成霍尔传感器线性集成霍尔传感器线性集成霍尔传感器是把霍尔元件与放大线路集成在一线性集成霍尔传感器是把霍尔元件与放大线路集成在一线性集成霍尔传感器是把霍尔元件与放大线路集成在一线性集成霍尔传感器是把霍尔元件与放大线路集成在一起的传感器。其输出电压与外加磁场成线性比例关系。起的传感器。其输出电压与外加磁场成线性比例关系。起的传感器。其输出电压与外加磁场成线性比例关系。起的传感器。其输出电压与外加磁场成线性比例关系。 一般由霍尔元件、差分放大、射极跟随输出及稳压四一般由霍尔元件、差分放大、射极跟随输出及稳压四一般由霍尔元件、差分放大、射极跟随输出及稳压四一般由霍尔元件、差分放大
38、、射极跟随输出及稳压四部分组成，部分组成，部分组成，部分组成， 霍尔线性集成传感器广泛用于位置、力、分量、厚度、霍尔线性集成传感器广泛用于位置、力、分量、厚度、霍尔线性集成传感器广泛用于位置、力、分量、厚度、霍尔线性集成传感器广泛用于位置、力、分量、厚度、速度、磁场、电流等的测量或控制。速度、磁场、电流等的测量或控制。速度、磁场、电流等的测量或控制。速度、磁场、电流等的测量或控制。 传感器原理与应用传感器原理与应用第七章第七章例例例例 霍尔位移传感器霍尔位移传感器霍尔位移传感器霍尔位移传感器 传感器原理与应用传感器原理与应用第七章第七章将霍尔元件置于磁场中，左半部磁场方向向上，右半将霍尔元件置
39、于磁场中，左半部磁场方向向上，右半将霍尔元件置于磁场中，左半部磁场方向向上，右半将霍尔元件置于磁场中，左半部磁场方向向上，右半部磁场方向向下，从部磁场方向向下，从部磁场方向向下，从部磁场方向向下，从 a a a a端通人电流端通人电流端通人电流端通人电流I I I I，根据霍尔效应，根据霍尔效应，根据霍尔效应，根据霍尔效应，左半部产生霍尔电势左半部产生霍尔电势左半部产生霍尔电势左半部产生霍尔电势VH1VH1VH1VH1，右半部产生露尔电势，右半部产生露尔电势，右半部产生露尔电势，右半部产生露尔电势VH2VH2VH2VH2，其方向相反。因此，其方向相反。因此，其方向相反。因此，其方向相反。因此，
40、c c c c、d d d d两端电势为两端电势为两端电势为两端电势为VH1VH1VH1VH1VH2VH2VH2VH2。如果。如果。如果。如果霍尔元件在初始位置时霍尔元件在初始位置时霍尔元件在初始位置时霍尔元件在初始位置时VH1=VH2VH1=VH2VH1=VH2VH1=VH2，则输出为零；当改变，则输出为零；当改变，则输出为零；当改变，则输出为零；当改变磁极系统与霍尔元件的相对位置时，即可得到输出电磁极系统与霍尔元件的相对位置时，即可得到输出电磁极系统与霍尔元件的相对位置时，即可得到输出电磁极系统与霍尔元件的相对位置时，即可得到输出电压，其大小正比于位移量。压，其大小正比于位移量。压，其大小
41、正比于位移量。压，其大小正比于位移量。第第4章章 磁敏传感器磁敏传感器第第4章第章第38页共页共157页页式中：式中：k是位移传感器的输出灵敏度。是位移传感器的输出灵敏度。将积分后得：将积分后得： UH=kx阐阐明明，霍霍尔尔电电势势与与位位移移量量成成线线性性关关系系。霍霍尔尔电电势势的的极极性性反反映映了了元元件件位位移移的的方方向向。磁磁场场梯梯度度越越大大，灵灵敏敏度度越越高高；磁磁场场梯度越均匀，输出线性度越好。梯度越均匀，输出线性度越好。 若磁场在一定范围内沿若磁场在一定范围内沿x方向的变化梯度方向的变化梯度dBdx为一常为一常数，则当霍尔元件沿数，则当霍尔元件沿x方向移动时，霍尔
42、电势的变化为：方向移动时，霍尔电势的变化为：式中：式中：k是位移传感器的输出灵敏度。是位移传感器的输出灵敏度。将积分后得：将积分后得： UH=kx阐阐明明，霍霍尔尔电电势势与与位位移移量量成成线线性性关关系系。霍霍尔尔电电势势的的极极性性反反映映了了元元件件位位移移的的方方向向。磁磁场场梯梯度度越越大大，灵灵敏敏度度越越高高；磁磁场场梯度越均匀，输出线性度越好。梯度越均匀，输出线性度越好。 传感器原理与应用传感器原理与应用第七章第七章霍尔式压力传感器霍尔式压力传感器霍尔式压力传感器霍尔式压力传感器图图图图7-30 7-30 7-30 7-30 霍尔压力传感器结构原理图霍尔压力传感器结构原理图霍尔压力传感器结构原理图霍尔压力传感器结构原理图霍尔元件霍尔元件霍尔元件霍尔元件磁钢磁钢磁钢磁钢压力压力压力压力P P波登管波登管波登管波登管N SN SS NS N 传感器原理与应用传感器原理与应用第七章第七章这类霍尔压力传感器是把压力先转换成位移后，再应用霍这类霍尔压力传感器是把压力先转换成位移后，再应用霍尔电势与位移关系测量压力。尔电势与位移关系测量压力。
