第11次课 磁电式传感器之二Word文档格式.docx

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目前，霍尔传感器已从分立元件发展到了集成电路的阶段，正越来越受到人们的重视，应用日益广泛。

利用磁阻效应和磁敏特性做成的磁阻、磁敏传感器也广泛应用于各个测量与控制技术领域。

7.2.1霍尔效应

图7.2-1霍尔效应原理图

如图7.2-1所示，在一个均匀磁场中，放置一块长为l、宽为b厚为d的半导体。

当在长度方向有电流通过半导体时，在垂直于电场和磁场的方向，即在半导体的宽度方向，产生横向电场，称为霍尔电场EH，相应的电势称为霍尔电势UH，这种现象叫霍尔效应。

此时，半导体中电子所受到的磁场力（也称为洛仑兹力）为

FL=eυB（7.2-1）

式中υ——半导体中电子运动的速度；

B——外磁场感应强度；

e——电子的电荷量。

产生霍尔效应的原因是，在磁场力FL的作用下，电子被推向半导体的一侧，并在该侧面上形成电子积累，而另一侧则形成正电荷积累；

从而在半导体的两侧面产生静电场。

此电场产生的电场力为

FE=eEH=

式中EH——电子积累形成的电场强度；

UH——半导体两侧面由于电子积累而形成的电位差，即霍尔电势；

b——霍尔元件宽度。

此电场阻止电子继续向该侧面偏移，当电子所受到的电场力FE与磁场FL相同时，电子的积累就达到动态平衡。

此时，两侧面建立的电场称为霍尔电场，相应的电势称为霍尔电势。

上述分析可表示为

eEH=eυB（7.2-2）

当电子运动的方向与外磁场强度的方向相互垂直时，则有

UH=bEH=bυB（7.2-3）

由式（7.2-3）可见，霍尔电势的大小决定于载流体中电子的运动速度，通常称为载流子迁移率。

它是指在单位电场强度作用下，载流子的平均速度值，此值与载流体材料有关。

又电流密度j=neυ，n是单位体积中的载流子数。

则流经载流体的电流

I=jbd=neυbd

式中d——霍尔元件厚度。

把电子速度υ=

代入式（4-37），则霍尔电势为

UH=

=RH

=KHIB（7.2-4）

式中RH——霍尔系数。

霍尔系数反映霍尔效应的强弱，由材料物理性质决定。

由于霍尔系数主要取决于导电粒子密度，导电粒子密度越大，霍尔系数越小，霍尔电势越小，所以金属不适于作霍尔器件。

KH——霍尔器件的灵敏度。

它表示霍尔器件在单位磁感应强度和单位激励电流作用下霍尔电势的大小。

由式（7.2-4）可知，霍尔器件的灵敏度，不仅与霍尔器件的材料有关，还与尺寸有关。

由式（7.2-4）还可以看出，当外界磁场强度B和激励电流I中的一个量为常量，而另一个作为输出量时，则输出霍尔电势正比于B或I。

当B和I均为输入变量时，则输出霍尔电势正比于B和I的乘积。

如果磁场方向与半导体薄片法线方向不垂直，其角度为α则霍尔电势为

UH=KHIBcosα

通过以上分析，可以看出：

（1）霍尔电压UH大小与材料的性质有关。

一般来说，金属材料n较大，导致RH和KH

变小，故不宜做霍尔元件。

霍尔元件一般采用N型半导体材料。

（2）霍尔电压UH与元件的尺寸关系很大，生产元件时要考虑到以下几点：

1）根据式KH＝

＝

，d愈小，KH愈大，霍尔灵敏度愈高，所以霍尔元件的厚度都比较薄。

但d太小，会使元件的输入、输出电阻增加，因此，也不宜太薄。

2）元件的长宽比对UH也有影响。

l/b加大时，控制电极对霍尔电压影响减小。

但如

果l/b过大，载流子在偏转过程中的损失将加大，使UH下降，通常要对式（4-38）加以形状

效应修正：

UH＝KHIBf（l/b）

式中，f（l/b）为形状效应系数，其修正值如表7.2-1所示。

通常取l/b＝2。

表7.2-1形状效应系数

（3）霍尔电压UH与控制电流及磁场强度有关。

根据式（7.2-4），UH正比于I及B。

当控制电流恒定时，B愈大，UH愈大。

当磁场改变方向时，UH也改变方向。

同样，当霍尔灵敏度KH及磁感应强度B恒定时，增加控制I，也可以提高霍尔电压的输出。

但电流不宜过大，否则，会烧坏霍尔元件。

7.2.2霍尔元件

通常采用N型锗（Ge）、锑化铟（InSb）和砷化铟（InAs）等半导体材料制成的具有霍尔效应的器件，即为霍尔元件。

由于半导体材料电阻率高，具有很高的载流子迁移率，霍尔系数很大，因此适合用作霍尔元件的材料。

用霍尔元件可构成各种霍尔传感器。

1、霍尔元件的构造

图7.2-2霍尔元件结构

图7.2-2是霍尔元件的基本结构。

图中的矩形薄片状长方晶体称为基片。

基片一般采用半导体材料。

在它的两垂直侧面上各装有一对电极。

电极a-c用于加激励电压或电流，称为激励电极。

电极b-d作为霍尔电势的输出，故称为霍尔电极。

因为厚度值越小，即基片越薄，霍尔元件的灵敏系数越大，所以希望基片尽量薄，簿膜霍尔元件一般为1μm左右。

霍尔电极在基片上的位置以及它的宽度对霍尔电势UH值的影响较大。

如图7.2-2所示，霍尔电极的宽度bd应小于基片的长度ac，而电极位置即bd连接点，应在长度的1/2处。

2、霍尔元件基本电路

图7.2-3霍尔元件的两种符号

在电路中，霍尔元件可用两种符号表示，如图7.2-3所示。

其基本电路如图7.2-4所示。

图7.2-4霍尔元件的基本电路

激励电流由电源E供给，可变电阻用于调节激励电流I。

电阻RL为输出霍尔电势的负载电阻，通常它是显示记录装置和放大器的输入阻抗。

3.霍尔器件主要参数

霍尔灵敏系数KH：

表示在单位控制电流和单位感应强度作用下，霍尔器件输出端电压。

元件厚度对K，有很大影响，霍尔元件越薄，则霍尔灵敏系数越大。

输入电阻Rin：

电流电极端间的电阻。

它的数值一般为几欧至几百欧，T要与材料有关，也受温度影响。

输出电阻Rout：

无负载时，霍尔电势输出电极端间的电随。

它的数值与输入电阻属于同一数量级，并且也受温度影响。

选择适当的负载电阻与之匹配，可以减小温度引起的影响。

最大控制电流Imax：

在磁感应强度B=0和室温（不超过允许温升）条件下，从霍尔元件电流输入端输入的最大允许电流值。

一般为几毫安至几十毫安。

最大磁感应强度Bmax：

当磁感应强度超过某值时，霍尔电势的非线性误差将明显增大，此值即力最大磁感应强度。

不等位电势UM：

在不加外磁场时，有一定控制电流输入，在输出电压电极之间仍有一定的电位差，称为不等位电势，应设法减小此电势。

霍尔电势温度系数α：

在一定磁场强度和控制电流作用下，温度每变化l℃时，霍尔电势变化的百分数。

它与霍尔元件的材料及温度有关。

一般为0.00℃-1。

7.2.3霍尔器件的误差及补偿方法

引起霍尔电势误差的因素较多，主要可归结为温度误差和不等位电势误差。

1、温度误差及补偿

霍尔元件是由半导体制成的。

因为半导体对温度很敏感，因而其霍尔系数、电阻率、霍尔电势的输入、输出电阻等均随温度有明显变化，导致霍尔元件产生温度误差。

不同材料的霍尔元件温度系数不同，其中锑化铟对温度最敏感，温度系数最大，砷化铟温度系数最小，而且线性度也较好，是霍尔元件的常用材料。

霍尔元件的温度误差可以采用多种方法进行补偿，最常用的方法是采用恒流源供电。

为了提高霍尔电势对温度的稳定性，可采用图4-32所示恒流源电路。

此电路的温度补偿效果取决于并联电阻R值的选择。

图7.2-5恒流源温度补偿电路

由图7.2-5所示电路及前述公式，并根据温度补偿的目的是使补偿后的霍尔电势基本不受温度影响的原则，可以推导出下列关系式：

R=

Rin（7.2-5）

式中Rin——霍尔元件的输人电阻；

α——霍尔电势温度系数；

β——输出电阻温度系数。

霍尔元件的Rin，α，β值在产品说明书中给出，所以选定霍尔元件后，根据式（7.2-5）可确定并联补偿电阻的阻值。

2、不等位电势及其补偿

霍尔元件在额定激励电流作用下，当不加外磁场时，霍尔电极间的空载电势称为不等位电势。

产生不等位电势的原因，是由于在制作霍尔元件时，两个霍尔电极没有完全对称地焊在霍尔元件两侧（在工艺上不可能保证霍尔电极焊在同一等位面上）；

或霍尔元件材料的电阻率不均匀，基片宽度、厚度不一致；

或激励电流极与基片的端面接触不良等。

由于上述种种原因，即使磁场强度为零，在霍尔电极上的电势也不为零。

要完全消除以上原因弓起的不等位电势是很困难的，可通过补偿措施使不等位电势减小到一定程度，一般要求不等位电势U小于1mV。

在进行不等位电势补偿时，把霍尔元件等效为一个四臂电桥，如图4-33（a）所示。

不等位电势相当于电桥的不平衡输出，因此凡能便电桥达到平衡的方法都可用以补偿不等位电势。

图7.2-6不等位电势的几种补偿电路

图7.2-6给出了几种不等位电势的补偿电路。

其申，图（b）所示电路为不对称补偿电路，这种电路结构简单，调整方便，但因补偿电阻R与霍尔元件等效桥臂电阻的电阻温度系数不相同，因此工作温度变化后，原来的补偿关系被破坏，所以只在一定温度下能起到补偿效果；

图（c），（d），（e）所示的3种电路都是对称电路，当温度在一定范围内变化时，补偿的稳定性较好。

但图（c）和图（d）两种电路减小了霍尔元件的输人电阻，降低了霍尔电势的输出；

图（e）所示电路对输入电阻的减小比图（c）所示电路要小些，但它要求霍尔元件必须做成五端元件，在制造上麻烦一些；

图（c）和图（e）电路的缺点是输出电阻增大。

7.2.4传感器的类型

7.2.4.1霍尔开关集成传感器

霍尔开关集成传感器是利用霍尔效应与集成电路技术制成的一种磁敏传感器，它能感知一切与磁信息有关的物理量，并以开关信号形式输出。

霍尔开关集成传感器具有使用寿命长，无触点磨损，无火花干扰，无转换抖动，工作频率高，温度特性好，能适应恶劣环境等优点。

图7.2-7是霍尔开关集成传感器的内部框图。

它主要由稳压电路、霍尔元件（注意电路符号）、放大器、整形电路及开关输出5部分组成。

稳压电路可使传感器在较宽的电源电压范围内工作，开关输出可使该电路方便地与各种逻辑电路连接。

当有磁场作用在霍尔开关集成传感器上时，根据霍尔效应原理，霍尔元件输出霍尔电压UH，该电压经放大器放大后，送至施密特整形电路。

当放大后的霍尔电压大于“开启”阂值时，施密特电路翻转，输出高电平，使三极管VT导通，并具有拉流的作用，整个电路处于开状态。

当磁场减弱时，霍尔元件输出的UH电压很小，经放大器放大后其值还小于施密特的“关闭”阂值时，施密特整形器又翻转，输出低电平，使三极管VT截止，电路处于关状态。

这样，一次磁场强度的变化，就使传感器完成了一次开关动作。

图7.2-7霍尔开关集成传感器内部框图

图7.2-8单端输出传感器的电路结构图7.2-9双端输出的电路结构

7.2.4.2霍尔线性集成传感器

霍尔线性集成传感器的输出电压与外加磁场强度呈线性比例关系。

这类传感器一般由霍

尔元件和放大器组成，当外加磁场时，霍尔元件产生与磁场成线性比例变化的霍尔电压，经

放大器放大后输出。

常见霍尔开关传感器型号有UGN-3020，UGN-3030，UGN-3075（可参看有关资料）。

霍尔线性集成传感器有单端输出型和双端输出型两种，典型产品分别为SL3501T和SL3501M两种，如图7.2-8和图7.2-9所示。

单端输出型是一个三端器件。

双端输出型是一个8脚双列直插封装器件，可提供差动跟随输出，图7.2-9中的电位器为失调调整。

霍尔开关集成传感器常用于：

点火系统、保安系统、转速测量、里程测量、机械设备限

位开关、按钮开关、电流的测量和控制、位置及角度的检测等等。

7.2.5传感器的特点及应用

霍尔元件可进行非接触测量，并且具有结构简单、固有频率高、体积小、无触点、频带宽、动态特性好及寿命长等许多优点，因此得到广泛应用。

例如，在电子测量中，磁感应强度、功率、相位、电能等参量的测量，还有位移、转速、压力、加速度等非电量的测量都可使用霍尔元件。

下面介绍霍尔元件在非电量测量方面应用的几个例子。

1微位移的测量

如果保持霍尔元件的激励电流不变，便其在一个均匀梯度的磁场中移动，则其输出的霍尔电势值，只与它在磁场中的位移量成正比。

根据这一原理，县p可对微位移进行电测量。

通过测量位移，可以测量许多与微位移有关的非电量，例如，力、压力、应变、振动等。

理论与实践证明，磁场梯度越大，灵敏度越高；

梯度变化越均匀，霍尔电势与位移的关系越接近于线性。

图7.2-10所示是两种位移传感器的工作原理。

图7.2-10（a）中磁系统由两块场强相同，同极性相对放置的磁铁组成。

霍尔元件置于梯度磁场的中间，两磁铁正中间处作为位移参考原点，Δz=0。

此处磁感应强度B=0，霍尔电势UH=0。

当霍尔元件在z轴方向有位移时，即有霍尔电势输出。

当两块磁铁越接近时，磁场梯度越大，灵敏度越高。

在位移量Δz＜2mm范围内，UH与x有良好的线性关系。

其磁场梯度一般大于0.03T/mm，其分辨率可达0.01mm。

图7.2-10（b）中是两个直流磁系统共同形成的一个高梯度磁场，磁场梯度可达1T/mm，灵敏度较高，但其可测量的位移量特别小，一般Δz≤0.5mm。

因此最适合于测振动等微小位移，特性曲线在±

0.5mm范围内线性好。

图7.2-10霍尔位移传感器的工作原理

图7.2-11霍尔转速传感器的工作原理

2转速测量

在控制电流恒定条件下，当霍尔元件所处磁场的磁场强度大小发生突变时，输出电压也产生突变，相当于产生一个脉冲信号。

单位时间内脉冲数与转速对应，构成数字量传感器。

图7.2-11所示为两种形式的霍尔转速传感器工作原理图。

这两种传感器都是采取将开关霍尔集成电路或霍尔元件固定在永磁体路径附近的方法。

其中，图（a）是把永磁体粘贴在旋转体上部，图（b）是把永磁体粘贴在旋转体边缘。

每个永磁体都形成一个小磁场，当旋转体转动时，则霍尔电势发生突变。

图（c）是其输出信号波形。

永磁体越多，分辨率越高，但最小脉冲周期不能小于计数周期。

测量是非接触式的，对被测件影响很小，输出电压信号幅值与转速无关。

测转速范围为1~l05r/min，测量频率范围为10kHz。

3霍尔汽车无触点点火器

传统的汽车汽缸点火装置使用机械式的分电器，存在着点火时间不准确、触点易磨损等缺点。

采用霍尔开关无触点晶体管点火装置可以克服上述缺点，提高燃烧效率。

四汽缸汽车点火装置如图7.2-12所示，图中的磁轮鼓代替了传统的凸轮及白金触点。

发动机主轴带动磁轮鼓转动时，霍尔器件感受的磁场极性交替改变，输出一连串与汽缸活塞运动同步的脉冲信号去出发晶体管功率开关，点火线圈两端产生很高的感应电压，使火花塞产生火花放电，完成汽缸点火过程。

图7.2-12霍尔点火装置示意图

1-齿轮鼓；

2-开关型霍尔集成电路；

3-晶体管功率开关；

4-点火线圈；

5-火花塞

4霍尔无刷直流电动机

采用霍尔元件做直流电动机的整流子可以达到高速转换、可靠性高、转矩一重量比高及速度一转矩的线性度好、可用低功率信号控制等要求。

由于取消了电刷，不存在电刷磨损问题，使电机的使用寿命大大增加。

霍尔无刷直流电动机的结构，如图7.2-13所示。

电动机的磁场由永久磁铁做成的转子产生。

在定子上安有12只霍尔元件，各与一个电枢线圈相连，线圈被安放在定子槽中。

各线圈激励电压是来自于电源由霍尔元件的输出电压激励，使其产生一个磁场，与相应的霍尔元件相差90o，这时，转子为了要跟上电枢线圈产生的定子磁场，于是就转动起来。

当转子的磁通通过霍尔元件时，磁场反相，使霍尔元件输出的极性也反相，结果，相应的电枢线圈磁场就产生了磁场转换，使定子的磁场始终超前于转子磁场90o，从而使定子沿同一方向继续转动。

图7.2-13霍尔无刷电机的结构图

1-轴；

2-外壳；

3-电路；

4-定子；

5-线圈；

6-霍尔元件；

7-永磁转子

5自动供水装置

自动供水装置可实现凭票定量自动供应开水，具有节约用水而又卫生的优点，特别适用

于单位水房安装使用。

图7.2-14自动供水装置构造示意图

1-锅炉；

2-电磁阀；

3-投卡；

4-水龙头；

5-水瓶；

6-收卡箱；

7-磁铁；

8-磁传感器；

9-滑道

自动供水装置的结构见图7.2-14所示。

锅炉中的水由电磁阀控制流出与关闭，电磁阀的打开与关闭，则受控于控制电路。

当用水者打水时，需将铁制的取水卡从投放口投人，取水卡沿非磁性物质制作的滑槽向下滑行，当滑行到磁传感部位时，传感器输出信号经控制电路驱动电磁阀打开，让水从水龙头流出。

经延时一定时间后，控制电路使电磁阀关闭，水流停止，又恢复到停止供水状态。

图7.2-15自动供水装置电路原理图

自动供水装置的电路，如图7.2-15所示。

它主要由磁传感器装置单稳态电路、固态继电器、电源电路及电磁阀等组成。

磁传感装置由磁铁及SL3020霍尔开关集成传感器构成。

平时，S13020传感器因空气隙的存在受磁铁磁场的作用较小，其输出为低电平，晶体管VT1处于截止状态，由IC1组成的单稳态电路复位，IC1的输出端3脚输出低电平，固态继电器SSR由于无控制电流而处于常开状态，电磁阀Y断电而关闭，水龙头无水流出。

单稳态电路在复位状态时，IC1内部将电容C2短路。

当取水者投入铁制的取水牌时，取水牌沿滑槽迅速下滑，在通过磁传感装置时，铁制取水牌将磁铁的磁力线短路，SL3020传感器受较强磁场的作用输出为高电平脉冲，经晶体管VT1反相后触发单稳态电路翻转进人暂稳状态。

此时IC1的3脚输出为高电平，使固态继电器SSR有电流流通而闭合，电磁阀Y通电工作自动开阀放水。

单稳态翻转后，IC1内部电路将C2原短路状态释放，C2通过RP1和R4开始充电。

当C2上的电位充电到IC1的阈值电压时，触发单稳态电路又翻转复位，IC1输出端第3脚又恢复到低电平，固态继电器SSR断开，

电磁阀Y断电关闭，水龙头自行停止出水，电路又恢复到平时状态。

单稳态电路每次由稳态翻转进人暂稳态状态的时间长短，也就是每次供水的时间长短，该时间取决于C2、R4、RP1的时间常数，调节RP1可在3～20s范围内改变这一时间。

C1和C3中的旁路电容器，主要用来消除各种杂波的干扰。

7.2.6其他磁传感器

7.2.6.1磁阻元件

当霍尔元件受到与电流方向垂直的磁场作用时，不仅会出现霍尔效应，而且还会出现半导体电阻率增大的现象，这种现象称为磁阻效应。

利用磁阻效应做成的电路元件，叫做磁阻元件。

1．基本工作原理

图7.2-16磁阻元件构造原理示意图

（a）在无磁场时（b）有磁场作用时

在没有外加磁场时，磁阻元件的电流密度矢量，如图7.2-16a所示。

当磁场垂直作用在磁阻元件表面上时，由于霍尔效应，使得电流密度矢量偏移电场方向某个霍尔角B，如图7.2-16b所示。

这使电流流通的途径变长，导致元件两端金属电极间的电阻值增大。

电极间的距离越长，电阻的增长比例就越大，所以在磁阻元件的结构中，大多数是把基片切成薄片，然后用光刻的方法插人金属电极和金属边界。

2．磁阻元件的基本特性

（1）B-R特性磁阻元件的B-R特性，用无磁场时的电阻R0和磁感应强度为B时的电阻RB来表示。

Ro随元件的形状不同而异，约为数十欧至数千欧。

RB随磁感应强度的变化而成倍变化。

（2）灵敏度K磁阻元件的灵敏度K，可由下式表示，即

K＝R3／Ro

上式中，R3为当磁感应强度为0.3T时的RB；

Ro为无磁场时的电阻。

一般来说，磁阻元件的灵敏度K≥2.7。

（3）温度系数磁阻元件的温度系数约为－2％／℃，是比较大的。

为了补偿磁敏电阻的温度特性，可以采用两个磁敏元件串联起来，采用分压输出，可以大大改善元件的温度特性。

3.磁阻元件的应用

由于磁阻元件具有阻抗低、阻值随磁场变化率大、非接触式测量、频率响应好、动态范围广及噪声小等特点，可广泛应用于无触点开关、压力开关、旋转编码器、角度传感器、转速传感器等场合。

7.2.6.2磁敏二极管

磁敏二极管是一种磁电转换元件，可以将磁信息转换成电信号，具有体积小、灵敏度高、响应快、无触点、输出功率大及性能稳定等特点。

它可广泛应用于磁场的检测、磁力探伤、转速测量、位移测量、电流测量、无触点开关和无刷直流电机等许多领域。

1．磁敏二极管的基本结构及工作原理

图7.2-17磁敏感二极管的结构

磁敏二极管的结构如图7.2-17所示。

它是平面P＋-i-N＋型结构的二极管。

在高纯度半导体锗的两端掺高杂P型区和N型区。

i区是高纯空间电荷区，i区的长度远远大于载流子扩散的长度。

在i区的一个侧面上，再做一个高复合区r，在r区域载流子的复合速率较大。

图7.2-18

a）无磁场b）加正向磁场c）加反向磁场

在电路连接时，P十区接正电压，N＋区接负电压，即在给磁敏二极管加电压时，P+区向i区注入空穴，N+区向i区注入电子。

在没有外加磁场情况下，大部分的空穴和电子分别流入N区和P区而产生电流，只有很少部分载流子在r区复合，如图7.2-18a所示。

此时i区有恒定的阻值，器件呈稳定状态。

若给磁敏二极管外加一个磁场B，在正向磁场的作用下，空穴和电子受洛仑兹力的作用偏向r区，如图7.2-18b所示。

由于空穴和电子在r区的复合速率大，因此载流子复合掉的数量比在没有磁场时大得多，从而使i区中的载流子数量减少，i区电阻增大，i区的电压降也增加。

这又使P+与N+结的结压降减小，导致注入到i区的载流子的数目减少，其结果使i区的电阻继续增大，其压降也继续增大，形成正反馈过程，直到进入某一动平衡状态为止。

当在磁敏二极管上加一个反向磁场B时，载流子在洛仑磁力的作用力下，均偏离复合区r，见图7.2-18c所示。

其偏离r区的结果与加正向磁场时的情况恰好相反，此时磁敏二极管正向电流增大，电阻减小。

由此可见，磁敏二极管是采用电子与空穴双重注入效应及复合效应原理工作的。

在磁场作用下，两效应是相乘的，再加上正反馈的作用，磁敏二极管有着很高的灵敏度。

由于磁敏二极管在正负磁场作用下输出信号增量方向不同，因此，利用它可以判别磁场方向。

2．磁敏二极管的主要技术参数和特性

（1）灵敏度当外加磁感应强度B为

0.1T时，输出端电压增量与电流增量之比称为灵敏度。

（2）工作电压U0和工作电流I0在零磁场时加在磁敏二极管两端的电压、电流值。

（3）磁电特性磁电特性为在给定条件下，磁敏二极管输出电压变化与外加磁场的关系。

在弱磁场及