會計(jì)學(xué)1ch霍爾式傳感器精講實(shí)用2023-01-172霍爾傳感器是基于霍爾效應(yīng)的一種傳感器。1879年美國物理學(xué)家霍爾首先在金屬材料中發(fā)現(xiàn)了霍爾效應(yīng),但由于金屬材料的霍爾效應(yīng)太弱而沒有得到應(yīng)用。隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展,開始用半導(dǎo)體材料制成霍爾元件,由于它的霍爾效應(yīng)顯著而得到應(yīng)用和發(fā)展?；魻杺鞲衅鲝V泛用于電磁測量、壓力、加速度、振動等方面的測量?；魻杺鞲衅鞯?頁/共49頁2023-01-1731霍爾元件的工作原理1.1霍爾效應(yīng)、霍爾電勢、霍爾系數(shù)1）霍爾效應(yīng)將一塊通有電流I的導(dǎo)體薄片放在磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的磁場中，B的方向垂直于I，則在垂直于電流和磁場的薄片兩側(cè)，產(chǎn)生一個正比于電流和磁感應(yīng)強(qiáng)度的電勢，這一物理現(xiàn)象稱為霍爾效應(yīng)。第2頁/共49頁2023-01-1741霍爾元件的工作原理

當(dāng)磁場垂直于薄片時，電子受到洛侖茲力的作用，向內(nèi)側(cè)偏移，在半導(dǎo)體薄片c、d方向的端面之間建立起霍爾電勢。cdab第3頁/共49頁2023-01-1751霍爾元件的工作原理2）霍爾電勢、霍爾系數(shù)洛侖茲力即有：霍爾電場作用力故可得：第4頁/共49頁2023-01-1761霍爾元件的工作原理2）霍爾電勢、霍爾系數(shù)因?yàn)榱鬟^薄片的電流為：則得到N型半導(dǎo)體的霍爾電勢為：若是P型半導(dǎo)體，則霍爾電勢為：第5頁/共49頁2023-01-1771霍爾元件的工作原理2）霍爾電勢、霍爾系數(shù)定義霍爾系數(shù)為：定義霍爾系數(shù)為：則有：霍爾系數(shù)反映了材料霍爾效應(yīng)的強(qiáng)弱，其大小取決于載流子密度。金屬材料的自由電子濃度n很高，因此霍爾系數(shù)很小，相應(yīng)地霍爾電勢極小，故不宜做霍爾元件。第6頁/共49頁2023-01-178霍爾效應(yīng)強(qiáng)，則RH值大，因此要求霍爾片材料有較大的電阻率和載流子遷移率。一般金屬材料載流子遷移率很高，但電阻率很??；而絕緣材料電阻率極高，但載流子遷移率極低。故只有半導(dǎo)體材料適于制造霍爾片。1霍爾元件的工作原理2）霍爾電勢、霍爾系數(shù)第7頁/共49頁2023-01-1791霍爾元件的工作原理3）霍爾元件的靈敏度系數(shù)由霍爾電勢：定義靈敏度系數(shù)：或靈敏度系數(shù)表示單位電流和單位磁場作用下，開路霍爾電勢的大小，它與元件的厚度成反比，霍爾片越薄，靈敏度系數(shù)就越大。通常薄膜霍爾元件的厚度約為1μm左右，但同時要兼顧元件的強(qiáng)度和內(nèi)阻。第8頁/共49頁2023-01-17101霍爾元件的工作原理4）霍爾電勢的一般表達(dá)式若磁感應(yīng)強(qiáng)度B不垂直于霍爾元件，而是與其法線成某一角度α?xí)r，實(shí)際上作用于霍爾元件上的有效磁感應(yīng)強(qiáng)度是其法線方向（與薄片垂直的方向）的分量，即Bcosα，這時的霍爾電勢為

結(jié)論：霍爾電勢與輸入電流I、磁感應(yīng)強(qiáng)度B成正比，且當(dāng)B的方向改變時，霍爾電勢的方向也隨之改變。如果所施加的磁場為交變磁場，則霍爾電勢為同頻率的交變電勢。

霍爾電勢是關(guān)于I、B、α三個變量的函數(shù)。利用這個關(guān)系可以使其中兩個量不變，將第三個量作為變量，或者固定其中一個量，其余兩個量都作為變量。這使得霍爾傳感器有許多用途。第9頁/共49頁2023-01-17111霍爾元件的工作原理1.2霍爾元件及基本電路1）霍爾元件的結(jié)構(gòu)及符號霍爾元件由霍爾片、四根引線和殼體組成。4×2×0.1mm3第10頁/共49頁2023-01-17121霍爾元件的工作原理應(yīng)用霍爾傳感器可以分別檢測電流、磁場、電流與磁場的乘積等物理量。建立霍爾效應(yīng)所需的時間很短，大約只有10-13秒左右，故輸入信號的頻率可以很高。2）霍爾元件的基本電路第11頁/共49頁2023-01-17131霍爾元件的工作原理目前常用的霍爾元件材料有:鍺、硅、砷化銦、銻化銦等半導(dǎo)體材料。其中N型鍺容易加工制造,其霍爾系數(shù)、溫度性能和線性度都較好。N型硅的線性度最好,其霍爾系數(shù)、溫度性能同N型鍺相近。銻化銦對溫度最敏感,尤其在低溫范圍內(nèi)溫度系數(shù)大，在室溫時，其霍爾系數(shù)較大。砷化銦的霍爾系數(shù)及溫度系數(shù)較小，輸出特性的線性度好。3）霍爾元件的主要特征參數(shù)第12頁/共49頁2023-01-17141霍爾元件的工作原理3）霍爾元件的主要特征參數(shù)輸入電阻和輸出電阻輸入電阻Ri：控制電流極間的電阻。輸出電阻Rv：霍爾電極間的電阻。（在B=0且溫度為20±5℃時確定）第13頁/共49頁2023-01-17151霍爾元件的工作原理3）霍爾元件的主要特征參數(shù)額定控制電流和最大允許控制電流額定控制電流：在空氣介質(zhì)中，對霍爾元件進(jìn)行激勵（由小到大通以控制電流），使之逐漸發(fā)熱，當(dāng)溫升10℃時對應(yīng)的控制電流。最大允許控制電流：元件最大允許溫升所對應(yīng)的激勵電流。改善散熱條件可提高額定控制電流及最大允許控制電流。第14頁/共49頁2023-01-17161霍爾元件的工作原理3）霍爾元件的主要特征參數(shù)靈敏度KH

表中給出的KH是指額定工作范圍內(nèi)的平均值?？捎弥绷麟娢徊钣?jì)測量空載霍爾輸出UH，此時通以額定控制電流，且置于均勻穩(wěn)定的直流磁場中，同時測出B值，即可求得。第15頁/共49頁2023-01-17171霍爾元件的工作原理3）霍爾元件的主要特征參數(shù)不等位電勢與不等位電阻當(dāng)磁感應(yīng)強(qiáng)度B為零、激勵電流為額定值IH時，霍爾電極間的空載電勢稱為不等位電勢（或零位電勢）U0。不等位電勢U0與額定激勵電流IH之比稱為不等位電阻（零位電阻）r0。第16頁/共49頁2023-01-17181霍爾元件的工作原理產(chǎn)生不等位電勢的原因主要有：霍爾電極安裝位置不正確（不對稱或不在同一等電位面上）；半導(dǎo)體材料的不均勻造成了電阻率不均勻或是幾何尺寸不均勻；激勵電極接觸不良造成激勵電流不均勻分布等。3）霍爾元件的主要特征參數(shù)不等位電勢與不等位電阻第17頁/共49頁2023-01-1719(4)寄生直流電勢(霍爾元件零位誤差的一部分)當(dāng)沒有外加磁場，霍爾元件用交流控制電流時，霍爾電極的輸出有一個直流電勢,稱為寄生直流電勢。控制電極和霍爾電極與基片的連接是非完全歐姆接觸時，會產(chǎn)生整流效應(yīng)。兩個霍爾電極焊點(diǎn)的不一致，引起兩電極溫度不同產(chǎn)生溫差電勢。(5)霍爾電勢溫度系數(shù)在一定磁感應(yīng)強(qiáng)度和控制電流下，溫度每變化1oC時，霍爾電勢變化的百分率。第18頁/共49頁2023-01-17202不等位電勢的補(bǔ)償

為了降低不等位電勢，除了加工工藝上采取措施外，還應(yīng)采取電路補(bǔ)償，即通過橋路平衡的原理加以補(bǔ)償。?霍爾元件有兩對電極，各相鄰電極之間的電阻若為r1、r2、r3、r4，霍爾元件可等效為一個四臂電阻電橋。第19頁/共49頁2023-01-1721?能夠使電橋達(dá)到平衡的措施均可以用于補(bǔ)償不等位電勢。由于霍爾元件的不等位電勢同時也是溫度的函數(shù)，所以同時要考慮溫度補(bǔ)償問題。2不等位電勢的補(bǔ)償?shù)?0頁/共49頁2023-01-17222.溫度誤差及其補(bǔ)償溫度誤差產(chǎn)生原因： 霍爾元件的基片是半導(dǎo)體材料，因而對溫度的變化很敏感。其載流子濃度和載流子遷移率、電阻率和霍爾系數(shù)都是溫度的函數(shù)。 當(dāng)溫度變化時，霍爾元件的一些特性參數(shù)，如霍爾電勢、輸入電阻和輸出電阻等都要發(fā)生變化，從而使霍爾式傳感器產(chǎn)生溫度誤差。

第21頁/共49頁2023-01-1723減小霍爾元件的溫度誤差

選用溫度系數(shù)小的元件采用恒溫措施采用恒流源供電第22頁/共49頁2023-01-1724恒流源溫度補(bǔ)償

霍爾元件的靈敏系數(shù)也是溫度的函數(shù)，它隨溫度的變化引起霍爾電勢的變化，霍爾元件的靈敏系數(shù)與溫度的關(guān)系大多數(shù)霍爾元件的溫度系數(shù)α是正值時，它們的霍爾電勢隨溫度的升高而增加（1+α△t）倍。同時，讓控制電流I相應(yīng)地減小，能保持KHI不變就抵消了靈敏系數(shù)KH值增加的影響第23頁/共49頁2023-01-1725恒流源溫度補(bǔ)償電路

當(dāng)霍爾元件的輸入電阻隨溫度升高而增加時，旁路分流電阻自動地加強(qiáng)分流，減少了霍爾元件的控制電流第24頁/共49頁2023-01-1726控制電流溫度升到T時，電路中各參數(shù)變?yōu)槭街校摹魻栐斎腚娮铚囟认禂?shù)；

β——分流電阻溫度系。第25頁/共49頁2023-01-1727

為使霍爾電勢不變，補(bǔ)償電路必須滿足:

升溫前、后的霍爾電勢不變，經(jīng)整理，忽略高次項(xiàng)后得用上式即可計(jì)算出分流電阻及所需的溫度系數(shù)值第26頁/共49頁2023-01-17283集成霍爾傳感器霍爾集成電路可分為開關(guān)型和線性型兩大類。開關(guān)型霍爾集成電路是將霍爾元件、穩(wěn)壓電路、放大器、施密特觸發(fā)器、OC門（集電極開路輸出門）等電路做在同一個芯片上。當(dāng)外加磁場強(qiáng)度超過規(guī)定的工作點(diǎn)時，OC門由高阻態(tài)變?yōu)閷?dǎo)通狀態(tài)，輸出變?yōu)榈碗娖?；?dāng)外加磁場強(qiáng)度低于釋放點(diǎn)時，OC門重新變?yōu)楦咦钁B(tài)，輸出高電平。較典型的開關(guān)型霍爾器件如UGN3020等。（1）開關(guān)型集成霍爾傳感器第27頁/共49頁2023-01-1729開關(guān)型霍爾集成電路的外形及內(nèi)部電路OC門施密特觸發(fā)電路雙端輸入、單端輸出運(yùn)放霍爾元件.Vcc（1）開關(guān)型集成霍爾傳感器第28頁/共49頁2023-01-1730（1）開關(guān)型集成霍爾傳感器第29頁/共49頁2023-01-1731線性型集成電路是將霍爾元件和恒流源、線性差動放大器等做在一個芯片上，輸出電壓為伏級，比直接使用霍爾元件方便得多。較典型的線性型霍爾器件如UGN3501等。線性型三端霍爾集成電路（2）線性型集成霍爾傳感器第30頁/共49頁2023-01-1732線性型霍爾特性右圖示出了具有雙端差動輸出特性的線性霍爾器件的輸出特性曲線。當(dāng)磁場為零時，它的輸出電壓等于零；當(dāng)感受的磁場為正向（磁鋼的S極對準(zhǔn)霍爾器件的正面）時，輸出為正；磁場反向時，輸出為負(fù)。第31頁/共49頁2023-01-17334霍爾式傳感器的應(yīng)用根據(jù)霍爾電勢表達(dá)式UH=KHIB，決定了霍爾傳感器可用于下列情況：I=常數(shù)，則可測任意能轉(zhuǎn)換為磁感應(yīng)強(qiáng)度變化的量，如磁場、位移、角度、轉(zhuǎn)速、加速度等；B=常數(shù)，則可測任意能轉(zhuǎn)換成電流變化的量；IB均變化，可作乘、除、平方、開方等運(yùn)算。第32頁/共49頁2023-01-17344霍爾式傳感器的應(yīng)用從a端通入電流I，根據(jù)霍爾效應(yīng)，左半部產(chǎn)生霍爾電勢VH1，，右半部產(chǎn)生霍爾電勢VH2，其方向相反。因此，c、d兩端電勢為VH1-VH2。如果霍爾元件在初始位置時VH1=VH2，則輸出為零；當(dāng)改變磁極系統(tǒng)與霍爾元件的相對位置時，即可得到輸出電壓，其大小正比于位移量?；魻柺轿灰苽鞲衅鞯?3頁/共49頁2023-01-17354霍爾式傳感器的應(yīng)用如左圖所示，當(dāng)壓力發(fā)生變化時，膜盒4會相應(yīng)發(fā)生膨脹或收縮，通過杠桿3帶動霍爾元件1，在永久磁鐵內(nèi)運(yùn)動，根據(jù)霍爾元件位移原理，霍爾元件1便會產(chǎn)生反映壓力變化的霍爾電勢?；魻枆毫鞲衅鞯?4頁/共49頁2023-01-1736在被測轉(zhuǎn)速的轉(zhuǎn)軸上安裝一個齒盤，也可選取機(jī)械系統(tǒng)中的一個齒輪，將線性型霍爾器件及磁路系統(tǒng)靠近齒盤。齒盤的轉(zhuǎn)動使磁路的磁阻隨氣隙的改變而周期性地變化，霍爾器件輸出的微小脈沖信號經(jīng)隔直、放大、整形后可以確定被測物的轉(zhuǎn)速。SN線性霍爾磁鐵4霍爾式傳感器的應(yīng)用霍爾轉(zhuǎn)速表第35頁/共49頁2023-01-1737當(dāng)齒對準(zhǔn)霍爾元件時，磁力線集中穿過霍爾元件，可產(chǎn)生較大的霍爾電動勢，放大、整形后輸出高電平；反之，當(dāng)齒輪的空擋對準(zhǔn)霍爾元件時，輸出為低電平。4霍爾式傳感器的應(yīng)用霍爾轉(zhuǎn)速表第36頁/共49頁2023-01-1738霍爾轉(zhuǎn)速傳感器在汽車防抱死裝置（ABS）中的應(yīng)用

若汽車在剎車時車輪被抱死，將產(chǎn)生危險。用霍爾轉(zhuǎn)速傳感器來檢測車輪的轉(zhuǎn)動狀態(tài)有助于控制剎車力的大小。帶有微型磁鐵的霍爾傳感器鋼質(zhì)霍爾4霍爾式傳感器的應(yīng)用第37頁/共49頁2023-01-1739霍爾轉(zhuǎn)速傳感器在汽車防抱死裝置（ABS）中的應(yīng)用

霍爾輪速傳感器具有以下優(yōu)點(diǎn)：其一是輸出信號電壓幅值不受轉(zhuǎn)速的影響；其二是頻率響應(yīng)高。其響應(yīng)頻率高達(dá)20kHz，相當(dāng)于車速為1000km/h時所檢測的信號頻率；其三是抗電磁波干擾能力強(qiáng)。因此，霍爾傳感器不僅廣泛應(yīng)用于ABS輪速檢測，也廣泛應(yīng)用于其控制系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速檢測。4霍爾式傳感器的應(yīng)用第38頁/共49頁2023-01-1740汽車制動防抱死裝置(英文為AntilockBrakingSystem簡稱ABS)的基本功能就是可感知制動輪每一瞬時的運(yùn)動狀態(tài)，并根據(jù)其運(yùn)動狀態(tài)相應(yīng)地調(diào)節(jié)制動器制動力矩的大小，避免出現(xiàn)車輪的抱死現(xiàn)象，因而是一個閉環(huán)制動系統(tǒng)。它是電子控制技術(shù)在汽車上最有突出成就的一項(xiàng)應(yīng)用?？墒沟闷囋谥苿訒r維持方向穩(wěn)定性和縮短制動距離，有效地提高了行車的安全性。

據(jù)歐洲各國統(tǒng)計(jì)，應(yīng)用了制動防抱死技術(shù)后，交通事故摩托車減少10%，轎車和輕型貨車減少8%，公共汽車減少4%，重型貨車減少10%，平均起來減少7.5%。

4霍爾式傳感器的應(yīng)用第39頁/共49頁2023-01-17414霍爾式傳感器的應(yīng)用霍爾轉(zhuǎn)速表的其他安裝方法

只要黑色金屬旋轉(zhuǎn)體的表面存在缺口或突起，就可產(chǎn)生磁場強(qiáng)度的脈動，從而引起霍爾電勢的變化，產(chǎn)生轉(zhuǎn)速信號。

霍爾元件磁鐵第40頁/共49頁2023-01-1742當(dāng)磁鐵的有效磁極接近、并達(dá)到動作距離時，霍爾式接近開關(guān)動作。4霍爾式傳感器的應(yīng)用霍爾式接近開關(guān)第41頁