*,*,5.2,、霍尔式传感器,1,霍尔元件的工作原理,2,不等位电势的误差及补偿,3,集成霍尔传感器,4,霍尔式传感器的应用,5.2、霍尔式传感器1 霍尔元件的工作原理,2024-11-17,2,霍尔传感器,是基于霍尔效应的一种传感器。,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。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。,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。,霍尔传感器,2023-10-082 霍尔传感器是基于霍尔效应的一种传,2,2024-11-17,3,1,霍尔元件的工作原理,1.1,霍尔效应、霍尔电势、霍尔系数,1,）霍尔效应,将一块通有电流,I,的导体薄片放在磁感应强度为,B,的磁场中，,B,的方向垂直于,I,，则在垂直于电流和磁场的薄片两侧，,产生一个正比于电流和磁感应强度的电势，这一物理现象称为,霍尔效应,。,2023-10-0831 霍尔元件的工作原理1.1 霍尔效应,3,2024-11-17,4,1,霍尔元件的工作原理,当磁场垂直于薄片时，电子受到洛仑兹力的作用，向内侧偏移，在半导体薄片,c,、,d,方向的端面之间建立起霍尔电势。,c,d,a,b,2023-10-0841 霍尔元件的工作原理 当磁场垂,4,2024-11-17,5,1,霍尔元件的工作原理,2,）霍尔电势、霍尔系数,洛仑兹力,即有：,霍尔电场作用力,故可得：,2023-10-0851 霍尔元件的工作原理2）霍尔电势、霍,5,2024-11-17,6,1,霍尔元件的工作原理,2,）霍尔电势、霍尔系数,因为流过薄片的电流为：,则得到,N,型半导体的,霍尔电势,为：,若是,P,型半导体，则,霍尔电势,为：,2023-10-0861 霍尔元件的工作原理2）霍尔电势、霍,6,2024-11-17,7,1,霍尔元件的工作原理,2,）霍尔电势、霍尔系数,定义,霍尔系数,为：,定义,霍尔系数,为：,则有：,霍尔系数反映了材料霍尔效应的强弱，其大小取决于载流子密度。金属材料的自由电子浓度,n,很高，因此霍尔系数很小，相应地霍尔电势极小，故不宜做霍尔元件。,2023-10-0871 霍尔元件的工作原理2）霍尔电势、,7,2024-11-17,8,霍尔效应强，则,R,H,值大，因此要求霍尔片材料有较大的,电阻率,和,载流子迁移率,。一般金属材料载流子迁移率很高，但电阻率很小；而绝缘材料电阻率极高，但载流子迁移率极低。故,只有半导体材料适于制造霍尔片,。,1,霍尔元件的工作原理,2,）霍尔电势、霍尔系数,2023-10-088 霍尔效应强，则RH值大，因此要,8,2024-11-17,9,1,霍尔元件的工作原理,3,）霍尔元件的灵敏度系数,由霍尔电势：,定义,灵敏度系数,：,或,灵敏度系数表示单位电流和单位磁场作用下，开路霍尔电势的大小，它与元件的厚度成反比，霍尔片越薄，灵敏度系数就越大。通常薄膜霍尔元件的厚度约为,1m,左右，但同时要兼顾元件的强度和内阻。,2023-10-0891 霍尔元件的工作原理3）霍尔元件的灵,9,2024-11-17,10,1,霍尔元件的工作原理,4,）霍尔电势的一般表达式,若磁感应强度,B,不垂直于霍尔元件，而是与其法线成某一角度,时，实际上作用于霍尔元件上的有效磁感应强度是其法线方向（与薄片垂直的方向）的分量，即,B,cos,，这时的霍尔电势为,结论,：,霍尔电势与输入电流,I,、磁感应强度,B,成正比，且当,B,的方向改变时，霍尔电势的方向也随之改变。如果所施加的磁场为交变磁场，则霍尔电势为同频率的交变电势。,霍尔电势是关于,I,、,B,、,三个变量的函数。利用这个关系可以使其中两个量不变，将第三个量作为变量，或者固定其中一个量，其余两个量都作为变量。这使得霍尔传感器有许多用途。,2023-10-08101 霍尔元件的工作原理4）霍尔电势的,10,2024-11-17,11,1,霍尔元件的工作原理,1.2,霍尔元件及基本电路,1,）霍尔元件的结构及符号,霍尔元件由霍尔片、四根引线和壳体组成。,420.1mm,3,2023-10-08111 霍尔元件的工作原理1.2 霍尔元,11,2024-11-17,12,1,霍尔元件的工作原理,应用霍尔传感器可以分别检测电流、磁场、电流与磁场的乘积等物理量。,建立霍尔效应所需的时间很短，大约只有,10,-13,秒左右，故输入信号的频率可以很高。,2,）霍尔元件的基本电路,2023-10-08121 霍尔元件的工作原理应用霍尔传感器,12,2024-11-17,13,1,霍尔元件的工作原理,目前常用的霍尔元件材料有,:,锗、硅、砷化铟、锑化铟,等半导体材料。其中,N,型锗,容易加工制造,其霍尔系数、温度性能和线性度都较好。,N,型硅,的线性度最好,其霍尔系数、温度性能同,N,型锗相近。,锑化铟,对温度最敏感,尤其在低温范围内温度系数大，在室温时，其霍尔系数较大。,砷化铟,的霍尔系数及温度系数较小，输出特性的线性度好。,3,）霍尔元件的主要特征参数,2023-10-08131 霍尔元件的工作原理 目前常,13,2024-11-17,14,1,霍尔元件的工作原理,3,）霍尔元件的主要特征参数,输入电阻和输出电阻,输入电阻,R,i,：控制电流极间的电阻。,输出电阻,R,v,：霍尔电极间的电阻。,（在,B=0,且温度为,205,时确定）,2023-10-08141 霍尔元件的工作原理3）霍尔元件,14,2024-11-17,15,1,霍尔元件的工作原理,3,）霍尔元件的主要特征参数,额定控制电流和最大允许控制电流,额定控制电流：,在空气介质中，对霍尔元件进行激励（由小到大通以控制电流），使之逐渐发热，当温升,10,时对应的控制电流。,最大允许控制电流：,元件最大允许温升所对应的激励电流。,改善散热条件可提高额定控制电流及最大允许控制电流。,2023-10-08151 霍尔元件的工作原理3）霍尔元件,15,2024-11-17,16,1,霍尔元件的工作原理,3,）霍尔元件的主要特征参数,灵敏度,K,H,表中给出的,K,H,是指额定工作范围内的平均值。可用直流电位差计测量空载霍尔输出,U,H,，此时通以额定控制电流，且置于均匀稳定的直流磁场中，同时测出,B,值，即可求得。,2023-10-08161 霍尔元件的工作原理3）霍尔元件,16,2024-11-17,17,1,霍尔元件的工作原理,3,）霍尔元件的主要特征参数,不等位电势与不等位电阻,当磁感应强度,B,为零、激励电流为额定值,I,H,时，霍尔电极间的空载电势称为,不等位电势（或零位电势）,U,0,。,不等位电势,U,0,与额定激励电流,I,H,之比称为,不等位电阻（零位电阻）,r,0,。,2023-10-08171 霍尔元件的工作原理3）霍尔元件,17,2024-11-17,18,1,霍尔元件的工作原理,产生不等位电势的原因主要有：,霍尔电极安装位置不正确（不对称或不在同一等电位面上）；半导体材料的不均匀造成了电阻率不均匀或是几何尺寸不均匀；激励电极接触不良造成激励电流不均匀分布等。,3,）霍尔元件的主要特征参数,不等位电势与不等位电阻,2023-10-08181 霍尔元件的工作原理 产生不等位电,18,2024-11-17,19,(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,称为寄生直流电势。,控制电极和霍尔电极与基片的连接是非完全欧姆接触时，会产生整流效应。,两个霍尔电极焊点的不一致，引起两电极温度不同产生温差电势。,(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,1C,时，霍尔电势变化的百分率。,2023-10-0819(4)寄生直流电势(霍尔元件零位,19,2024-11-17,20,2,不等位电势的补偿,为了降低不等位电势，除了加工工艺上采取措施外，还应采取电路补偿，即通过,桥路平衡的原理加以补偿,。,霍尔元件有两对电极，各相邻电极之间的电阻若为,r,1,、,r,2,、,r,3,、,r,4,，霍尔元件可等效为一个四臂电阻电桥。,2023-10-08202 不等位电势的补偿 为了降低不,20,2024-11-17,21,能够使电桥达到平衡的措施均可以用于补偿不等位电势。由于霍尔元件的不等位电势同时也是温度的函数，所以同时要考虑,温度补偿,问题。,2,不等位电势的补偿,2023-10-0821 能够使电桥达到平衡的措施均可以用,21,2024-11-17,22,2.,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,。,2023-10-08222.温度误差及其补偿温度误差产生,22,2024-11-17,23,减小霍尔元件的温度误差,选用温度系数小的元件,采用恒温措施,采用恒流源供电,2023-10-0823减小霍尔元件的温度误差 选用温度系数,23,2024-11-17,24,恒流源温度补偿,霍尔元件的灵敏系数也是温度的函数，它随温度的变化引起,霍尔电势的变化，霍尔元件的灵敏系数与温度的关系,大多数霍尔元件的温度系数,是正值时，,它们的霍尔电势随温度的升高而增加（,1+t,）倍。,同时，让控制电流,I,相应地减小，能保持,K,H,I,不变就,抵消了灵敏系数,K,H,值增加的影响,2023-10-0824恒流源温度补偿 霍尔元件的灵敏系数也,24,2024-11-17,25,恒流源温度补偿电路,当霍尔元件的输入电阻随温度升高而增加时，,旁路分流电阻自动地加强分流，减少了霍尔元件的控制电流,2023-10-0825恒流源温度补偿电路 当霍尔元件的输入,25,2024-11-17,26,控制电流,温度升到,T,时，电路中各参数变为,式中，,霍尔元件输入电阻温度系数；,分流电阻温度系。,2023-10-0826控制电流 温度升到T时，电路中各参数,26,2024-11-17,27,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，,经整理，忽略 高次项后得,用上式即可计算出分流电阻及所需的温度系数值,2023-10-0827 为使霍尔电势不变，补偿电路必须,27,2024-11-17,28,3,集成霍尔传感器,霍尔集成电路可分为,开关型,和,线性型,两大类。,开关型霍尔集成电路是将霍尔元件、稳压电路、放大器、施密特触发器、,OC,门（集电极开路输出门）等电路,做在同一个芯片,上。当外加磁场强度超过规定的工作点时，,OC,门由高阻态变为导通状态，输出变为低电平；当外加磁场强度低于释放点时，,OC,门重新变为高阻态，输出高电平。较典型的开关型霍尔器件如,UGN3020,等。,（,1,）开关型集成霍尔传感器,2023-10-08283 集成霍尔传感器霍尔集成电路可分为,28,2024-11-17,29,开关型霍尔集成电路的外形及内部电路,OC,门,施密特 触发电路,双端输入、单端输出运放,霍尔 元件,.,Vcc,（,1,）开关型集成霍尔传感器,2023-10-0829开关型霍尔集成电路的外形及内部电路O,29,2024-11-17,30,（,1,）开关型集成霍尔传感器,2023-10-0830（1）开关型集成霍尔传感器,30,2024-11-17,31,线性型集成电路是将霍尔元件和恒流源、线性差动放大器等做在一个芯片上，,输出电压为伏级,，比直接使用霍尔元件方便得多。较典型的线性型霍尔器件如,UGN3501,等。,线性型三端 霍尔集成电路,（,2,）线性型集成霍尔传感器,2023-10-0831 线性型集成电路是将霍尔元件和,31,2024-11-17,32,线性型霍尔