项目五 电磁式传感器 n任务一 n1.1霍尔效应 n1.2霍尔元件和测量电路 n1.3霍尔元件主要特性参数 n1.4霍尔元件的误差补偿 n1.5集成霍尔传感器 n1.6霍尔传感器的应用 项目五 磁电式传感器 n电动自行车是一种轻便快捷、简单安全的交通工具，受到了广大 消费者的普遍欢迎，如图5 1所示。在电动自行车中重要的一个 部件就是电机，它是一种无刷直流电机。由于无刷直流电动机没 有电刷和换向器，它的绕组里电流的通、断是通过电子换向电路 及功率放大器实现的。为确保换向准确，一般采用位置传感器来 完成，这种位置传感器就是一种磁学量霍尔传感器。 霍尔传感器是一种磁敏传感器 n霍尔传感器是一种磁敏传感器，磁敏传感器是把磁学 物理量转换成电信号的装置，它广泛地应用于自动控 制、信息传递、电磁测量、生物医学等各个领域。磁 敏式传感器按其结构可分为体型和结型两大类，前者 有霍尔传感器(其材料主要有InSb，InAs，Ge，Si， GaAs等)和磁敏电阻(InSb，InAs)，后者有磁敏二极管 (Ge，Si)、磁敏晶体管(Si等)，它们都是利用半导体 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的 磁敏传感器。 一、霍尔效应 金属或半导体薄片置于磁 感应强度为B的磁场(磁场方 向垂直于薄片)中，如图5 2所 示, 任务一 霍尔式传感器 n当有电流I通过时，在垂直于电流和磁场的方向上将产 生电动势UH，这种物理现象称为霍尔效 n应。该电势UH称霍尔电势。 在薄片左右两端通以控制电流I，那么半导体中的载流子(电 子)将沿着与电流I相反的方向运动。由于外磁场B 的作用，使电子受到磁场力FL(洛仑兹力)而发生偏 转，结果在半导体的前端面上电子积累带负电，而后 端面缺少电子带正电，在前后断面间形成电场。该电 场产生的电场力FE阻止电子继续偏转。当FE和FL相 等时，电子积累达到动态平衡。这时在半导体前后两 端面之间(即垂直于电流和磁场方向)建立电场，称 为霍尔电场EH，相对的电势UH称为霍尔电势。 假设薄片为N型半导体，磁感应强度为B的磁场方向垂直于薄片，如 图5 2所示。 n如图5 2所示，一块长为L、宽为W、厚为d的N型半导体薄片， 位于磁感应强度为B的磁场中，B垂直于L W平面，沿L通电流I ，N型半导体的载流体 电子将受到B产生的洛仑兹力FB的作用 。 (5-1) 图5 2霍尔效应原理图 式中：e为电子的电量， e=1 60210-19C；v为半导 体中电子的运动速度，其方向 与外电路I的 方向相反，在讨论霍尔效应时 ，假设所有电子载流子的运动 速度相同。 在力FB的作用下，电子向半导 体片的一个侧面偏转 n在力FB的作用下，电子向半导体片的一个侧面偏转，在该侧面 上形成电子的积累，而在相对的另一侧面上因缺少电子而出现 等量的正电荷。在这两个侧面上产生霍尔电场EH。该电场使运 动电子受有电场力FE n (5-2) n电场力阻止电子继续向原侧面积累，当电子所受电场力和洛仑 兹力相等时，电荷的积累达到动态平衡，由于存在EH，半导体 片两侧面间出现电位差UH，称为霍尔电势，即 n (5-3) n式中：RH为霍尔系数；KH为霍尔元件的灵敏度。 由式(5 3)可见， n由式(5 3)可见，霍尔电势正比于激励电流及磁感应强度，其灵敏 度与霍尔系数RH成正比而与霍尔片厚度d成反比。为了提高灵敏度 ，霍尔元件常制成薄片形状。 n如果磁场与薄片法线夹角为那么 (5-4) n又因RH=，即霍尔系数等于霍尔片材料的电阻率与电子迁移 率的乘积。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。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。 nN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，但在室温时其霍尔系数较大。砷化铟 的霍尔系数较小，温度系数也较小，输出特性线性度 好。表5 1为常用国产霍尔元件的技术参数。 N型锗容易加工制造 二、霍尔元件和测量电路 n1 霍尔元件 n霍尔元件的结构很简单，它由霍尔片、引线和壳体组成，如图5 3(a)所示。霍尔 片是一块矩形半导体单晶薄片，引出四个引线。1、1两根引线加激励电压或电 流，称为激励电极； n2、2引线为霍尔输出引线，称为霍尔电极，如图5 3(b)所示。霍尔元件壳体由 非导磁金属、陶瓷或环氧树脂封装而成。在电路中霍尔元件可用两种符号表示， 如图5 3(c)所示。 n图5 3霍尔元件 （a a）霍尔元件实物图；（）霍尔元件实物图；（b b）外形结构示意图；（）外形结构示意图；（c c）图形符号）图形符号 n2霍尔元件的测量电路 n(1)基本测量电路 n霍尔元件的基本测量电路如图5-4所示。激励电 流由电压源E供给，其大小由可变电阻来调节。 n(2)霍尔元件的输出电路 n在实际应用中，要根据不同的使用要求采用不同 的连接电路方式。如在直流激励电流情况下，为 了获得较大的霍尔电压，可将几块霍尔元件的输 出电压串联，如图5-5(a)所示。在交流激励电流 情况下，几块霍尔元件的输出可通过变压器接成 如图5-5(b)的形式，以增加霍尔电压或输出功率 。 图5 5霍尔元件的输出电路 (a)直流激励；(b)交流激励 图5 4基本测量电路 (1)霍尔灵敏度KH 在单元控制电流和单位磁感应强度作用下，霍尔器件输出端的开 路电压，称为霍尔灵敏系数KH，霍尔灵敏系数KH的单位为V/(AT) 。 (2)额定激励电流IN和最大允许激励电流Imax 霍尔元件在空气中产生的温升为10时，所对应的激励电流称为 额定激励电流IN。以元件允许的最大温升为限制，所对应的激励电 流称为最大允许激励电流Imax。 (3)输入电阻Ri、输出电阻R0 Ri为霍尔器件两个激励电极之间的电阻，R0为两个输出电极之间 的电阻。 三、霍尔元件主要特性参数 不等位电势U0和不等位电阻R0 n(4)不等位电势U0和不等位电阻R0。 n当霍尔元件的激励电流为额定值IN时，若元件所处位 置的磁感应强度为零，则它的霍尔电势应该为零，但 实际不为零，这时测得的空载霍尔电势称为不等位电 势。不等位电势主要由霍尔电极安装不对称造成的， 由于半导体材料的电阻率不均匀、基片的厚度和宽度 不一致、霍尔电极与基片的接触不良(部分接触)等原 因，即使霍尔电极的装配绝对对称，也会产生不等位 电势。 n不等位电阻定义为R0=U0/IN，R0越小越好。 寄生直流电势UOD n(5)寄生直流电势UOD n当不加磁场，器件通以交流控制电流，这时器件输出 端除出现交流不等位电势以外，如果还有直流电势， 则此直流电势称为寄生直流电势UOD。 n产生交流不等位电势的原因与直流不等位电势相同。 产生UOD的原因主要是器件本身的四个电极没有形成 欧姆接触，有整流效应。 n(6)霍尔电势温度系数 n在一定磁感应强度和激励电流下，温度每变化1时， 霍尔电势变化的百分率，称为霍尔电势温度系数。 越小越好。 四、霍尔元件的误差补偿 n1不等位电势的补偿 n在制造霍尔器件的过程中，要使不等位电势为零是相当困 难的，所以有必要利用外电路对不等位电势进行补偿，以 便能反映霍尔电势的真实值。 n为分析不等位电势，可将霍尔器件等效为一电阻电桥，不 等位电势U0就相当于电桥的不平衡输出。因此，所有能 使电桥平衡的外电路都可用来补偿不等位电势。但应指出 ，因U0随温度变化，在一定温度下进行补偿后，当温度 变化时，原来的补偿效果会变差。 n图图56为为常用的不等位电势电势 的补偿电补偿电 路 不对称补偿电路 n图(a)是不对称补偿电路，在不加磁场时，可 调节RW可使U0为零。但RW与霍尔器件的等 效电桥臂电阻的电阻温度系数不相同，所以当 温度变化，原来的补偿关系将被破坏。但这种 方法简单，在U0不大时，对器件的输入、输出 信号的削弱也不大。 n图(b)、(c)、(d)三种电路为对称补偿电路， 因而对温度变化的补偿稳定性要好一些。但图 (b)、(c)会减小输入电阻，降低霍尔电势输出 。图(d)的上述影响要小一些，但要求把器件 做成五端电极。图(c)、(d)都使输出电阻增大 不等位电势的补偿电路 n图5-6不等位电势的补偿电路 n当控制电流为交流，可用图(e)的补偿电路，这时不仅 要进行幅值补偿，还要进行相位补偿。图(f)中不等位 电势U0分成恒定部分UOL和随温度变化部分U0，分 别进行补偿。UOL相当于允许工作温度下限tL时的不 等位电势。电桥的一个桥臂接入热敏电阻Rt。设温度 为tL时电桥已平衡，调节RW1可补偿不平衡电势UOL 。当工作温度为上限tH时，不等位电势增加U0，可 调节RW2进行补偿。适当选择热敏电阻Rt，可使从tL 到tH之间各温度下也能得到较好的补偿。当Rt与霍尔 器件的材料相同时，则可以达到相当高的补偿精度。 2 温度补偿 霍尔元件温度补偿的方法很多，下面介绍三种常用的方法 。 (1)恒流源供电，输入端并联电阻；或恒压源供电，输入 端串联电阻，如图5 7、图5 8所示。 图5-7输入端并联电阻补偿 图5 8输入端串联电阻补偿 合理选择负载电阻 n(2)合理选择负载电阻 n霍尔电势的负载通常是放大器、显示器或记录仪的输入电阻，其值一定，可用串、并联电阻 的方法使输出负载电压不变，但此时，灵敏度将相应有所降低。 n(3)采用热敏元件 n这是最常采用的补偿方法。图59给出了几种补偿电路的例子。其中(a)、(b)、(c)为恒压 源输入，(d)为恒流源输入，Ri为恒压源内阻；Rt和Rt为热敏电阻，其温度系数的正、负和 数值要与UH的温度系数匹配选用。例如对于图(b)的情况，如果UH的温度系数为负值，随 着温度上升，UH要下降，则选用电阻温度系数为负的热敏电阻Rt。当温度上升，Rt变小， 流过器件的控制电流变大，使UH回升。当Rt阻值选用适当，就可使UH在精度允许范围内保 持不变。 n经过简单计算，不难预先估算出所需Rt。 n霍尔电势的负载通常是放大器、显示器或记录仪的输入电阻，其值一定，可用串、并联电阻 的方法使输出负载电压不变，但此时，灵敏度将相应有所降低。 n(3)采用热敏元件 n这是最常采用的补偿方法。图59给出了几种补偿电路的例子。其中(a)、(b)、(c)为恒压 源输入，(d)为恒流源输入，Ri为恒压源内阻；Rt和Rt为热敏电阻，其温度系数的正、负和 数值要与UH的温度系数匹配选用。例如对于图(b)的情况，如果UH的温度系数为负值，随 着温度上升，UH要下降，则选用电阻温度系数为负的热敏电阻Rt。当温度上升，Rt变小， 流过器件的控制电流变大，使UH回升。当Rt阻值选用适当，就可使UH在精度允许范围内保 持不变。 n经过简单计算，不难预先估算出所需Rt。 图5 9采用热敏元件的温度误差补偿电路 a）并联补偿电路；（b）串联补偿电路；（c）串、并联补偿电路;(d)电流源的补偿电路 五、集成霍尔传感器 n集成霍尔传感器是利用硅集成电路工艺将霍尔元件、 放大器、施密特触发器以及输出电路等集成在一起的 一种传感器。它取消了传感器和测量电路之间的界限 ，实现了材料、元件、电路三位一体。集成霍尔传感 器与分立相比，由于减少了焊点，因此显著地提高了 可靠性。 n集成霍尔传感器的输出是经过处理的霍尔输出信号。 其输出信号快，传送过程中无抖动现象，且功耗低， 对温度的变化是稳定的，灵敏度与磁场移动速度无关 。按照输出信号的形式，可以分为开关型集成霍尔传 感器和线性型集成霍尔传