第八章 磁敏传感器 电子信息及电气工程系.

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1 第八章 磁敏传感器 电子信息及电气工程系

2 8-1 概述 一、定义 磁敏传感器是基于磁电转换原理的传感器。 1856年发现磁阻效应， 1879年发现霍尔效应 60年代初开始应用。
8-1 概述 一、定义 磁敏传感器是基于磁电转换原理的传感器。 1856年发现磁阻效应， 1879年发现霍尔效应 60年代初开始应用。 二、分类 体型：霍尔传感器，磁敏电阻 结型：磁敏二极管，磁敏晶体管

3 8-2 霍尔传感器 一、霍尔效应 在金属或半导体薄片的两端通过控制电流I,并在薄片的垂直方向施加磁感应强度为B的磁场,
霍尔传感器 B 一、霍尔效应 在金属或半导体薄片的两端通过控制电流I,并在薄片的垂直方向施加磁感应强度为B的磁场, FL FE v I UH 那么,在垂直于电流和磁场方向上将产生电动势UH（霍尔电压）. 霍尔效应的产生是由于运动电荷受磁场中洛伦兹力作用的结果： UH=KHIB

4 当控制电流方向或磁场方向改变时，输出电动势方向也将改变 KH= RH / d
UH = KH I B 霍尔电势的大小正比于控制电流I和磁感应强度B的乘积。KH称为霍尔元件的灵敏度，它是表征在单位磁感应强度和单位控制电流时输出霍尔电压大小的重要参数 当控制电流方向或磁场方向改变时，输出电动势方向也将改变 KH= RH / d 灵敏度 1）RH = (μ,ρ) (RH= 1 / [n( - e)]) 2）KH= RH / d ，则d要小，霍尔片要薄（1μm） 3）霍尔片长边/短边>4，输出不受影响（一般长边/短边=2, 短边通以电流，长边输出UH ）

5 二、材料及结构特点 一般采用以下半导体单晶材料制成： N型锗、砷化铟、锑化铟 线形度好 输出大 受温度影响比锑化铟小 受温度影响大
输出没有锑化铟大 输出大 受温度影响大 输出小 温度和线形度较好 一般 测量 敏感 元件

6 接触要求：欧姆接触（无PN结） 老式：焊接 新方法：离子注入工艺 溅射工艺 霍尔元件外形及结构： 尺寸：4mm × 2mm × 0.1mm
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7 实际使用时,以I或B,或同时作为输入信号，而输出信号则正比于I或B,或两者的乘积。
三、基本电路 控制电流由E供给 RP为调节电阻 Rf为负载电阻 在磁场作用下，负载上有电压输出。 实际使用时,以I或B,或同时作为输入信号，而输出信号则正比于I或B,或两者的乘积。 由于建立霍尔效应的时间很短，因此控制电流用交流时，频率 可以很高（几千兆赫） 建立霍尔效应的时间很短：10-2～ 10-14ｓ 控制电流用交流时，频率可以很高（几千兆赫）

8 四、电磁特性 1）ＵH—I特性：UH = KH I B
在磁场和环境温度一定时，霍尔输出电动势UH与控制电流I之间呈线性关系，直线的斜率称为控制电流灵敏度用KI表示。 KI = KH B → UH = KI I （线性） KH↑ → KI ↑ KI ↑ 、 I ↑ → UH ↑

9 2）ＵH—B特性 UH = KH I B KB = KH I → UH = KB B
　 　当控制电流一定时，元件的开路霍尔输出随磁场的增加不完全呈线性关系，只有当元件工作在０.５Wb/m2时线性度才比较好。 UH = KH I B KB = KH I → UH = KB B 霍尔元件的电磁特性包括控制电流与输出之间的关系、霍尔输出与磁场之间的关系

10 要求：线性好，稳定， KH可低，不等位电势小 选低噪声放大器
五、连接方式 +15v 1 Rf R1 - 3 R2 + U0 R3 R4 -15v 线性测量： UH → mV级 要求：线性好，稳定， KH可低，不等位电势小 选低噪声放大器

11 +15v 1 R1 - 3 R2 + U0 R3 R4 -15v 开关状态： 要求：灵敏度高，选一般放大器即可

12 当L/l>2 时,形状系数fH(L/l)接近于1 实际上,取L/l=2
七、误差分析及误差补偿方法 １） 元件的几何尺寸、电极的接点大小对性能 　　的影响 UH= fH( ) RHIB d L l a) fH(L/l)为元件的 形状系数 当L/l>2　时,形状系数fH(L/l)接近于1 实际上,取L/l=2 b) 霍尔电极的大小对霍尔电动势输出有影响 当S/L<0.1时,电极宽度的影响才可以忽略不计.

13 UH= fH( ) RHIB d L l S/L<0.1

14 2） 不等位电动势及其补偿 主要零位误差，制作时不能保证将霍尔电动 势极焊在同一等位面上.

15 补偿方法： 类似电桥调平衡

16 3） 寄生直流电动势 a） 非欧姆接触造成控制电流极和霍尔电动势极上的整流效应 b） 电动势极的的焊点不一致,两焊点的热容量不一致产生温差寄生直流电动势

17 在交变磁场中工作时,在输出回路中产生附加感应电动势,其大小正比于磁场变化的频率和磁感应强度的幅值,并与霍尔电动势极引线构成的感应面积成正比
4） 感应电动势 在交变磁场中工作时,在输出回路中产生附加感应电动势,其大小正比于磁场变化的频率和磁感应强度的幅值,并与霍尔电动势极引线构成的感应面积成正比 a 合理布线：在磁路气隙中安置一辅助霍尔元件(特性相同) b 自身补偿法 自身补偿法

18 5） 温度误差补偿 由于半导体材料的电阻率、迁移率和载流子浓度随温度变化，故霍尔元件的内阻、霍尔电动势也将随温度变化 a 选用温差系数小的元件（砷化铟） b 恒流供电：减少元件内阻随温度变化引起的控制电流变化。 c 其它温度补偿法

19 八、霍尔传感器的特点： 霍尔传感器基于霍尔效应将被测量转换成电动势输出的一种传感器。虽然其转换效率低，温度影响大，但简单、体积小、频率响应宽（从直流到微波）、可靠性高、易于集成化 九、应用 1、功能可分为： 霍尔线性器件（输出模拟量） 霍尔开关器件（输出数字量）

20 　2）按被检测的对象的性质可分为： 直接应用：直接检测出受检测对象本身 的磁场或磁特性（高斯计） 间接应用：检测受检对象上人为设置的 磁场，用这个磁场来作被检 测的信息的载体，通过它将 许多非电、非磁的物理量例 如力、位移、速度以及工作 状态发生变化的时间等，转 变成电量来进行检测和控制 电流传感器 电功率计 电机控制 （直流无刷电机） 为了精确地测量磁场,常用恒流源供电,使被测磁场的磁感应强度B可用霍尔电压来量度

21 例1：霍尔式位移 传感器 UH = KH I B B = k B x UH = KH I k B x K= KH I k B
UH = K x ±0.5mm的位移 可测±0.5mm的位移

22 例2：霍尔式压力传感器： UH = KP P

23 十、集成霍尔传感器 1、霍尔器件： 霍尔元件：一个简单的霍尔片，使用时常常需要将获得的霍尔电压进行放大。 霍尔集成电路：将霍尔片和它的信号处理电路集成在同一个芯片上。　　 2、霍尔线性电路 　 由霍尔元件、差分放大器和射极跟随器组成。其输出电压和加 在霍尔元件上的磁感 强度B成比例，灵敏度 高，线性度好，适用 于各种磁场检测。

24 3）霍尔开关电路（霍尔数字电路） 双输出 集电极开路(OC)输出 斯密特触发器 回差 锁定型 霍尔开关 工作点 释放点 普通霍尔开关

25 霍尔电流传感器的构成原理