工程测试：5-1 霍尔传感器

5.1 5.1 霍尔传感器霍尔传感器 1 1 传感原理传感原理 霍尔传感器：属半导体磁敏传感器。霍尔传感器：属半导体磁敏传感器。组成材料：砷化铟（组成材料：砷化铟（InAsInAs）、锑化铟（）、锑化铟（InSbInSb）、锗（）、锗（GeGe）、砷化镓）、砷化镓（GaAsGaAs）等高电阻率半导体材料。）等高电阻率半导体材料。霍尔效应：霍尔效应：将霍尔元件（霍尔板）置于一磁场中，板厚将霍尔元件（霍尔板）置于一磁场中，板厚d d一般远小于板一般远小于板宽宽b b和板长，当在板长度方向通以控制电流和板长，当在板长度方向通以控制电流I I时，则在板的侧向（宽度方时，则在板的侧向（宽度方向）会产生电势差。向）会产生电势差。图3.7-1霍尔元件及霍尔效应（a）霍尔元件构造 （b）霍尔元件特性曲线 洛伦兹力的方向符合左手定则：洛伦兹力的方向符合左手定则：伸开左手，使大拇指跟其余四指垂直，且处于同一平面内，把手伸开左手，使大拇指跟其余四指垂直，且处于同一平面内，把手放入磁场中，磁感线垂直穿过手心，四指指向正电荷运动的方向，那放入磁场中，磁感线垂直穿过手心，四指指向正电荷运动的方向，那么，拇指所指的方向就是正电荷所受洛伦兹力的方向么，拇指所指的方向就是正电荷所受洛伦兹力的方向 若是负电荷运动的方向，那么四指应指向其反方向。若是负电荷运动的方向，那么四指应指向其反方向。(1)磁场对运动电荷的作用力叫洛伦兹力磁场对运动电荷的作用力叫洛伦兹力;(2)洛伦兹力的方向洛伦兹力的方向用左手定则判定。让磁感线穿过手心，四指指向正电荷运动的方用左手定则判定。让磁感线穿过手心，四指指向正电荷运动的方向向(或负电荷运动的反方向或负电荷运动的反方向)，大拇指所指的方向就是洛伦兹力的方向，大拇指所指的方向就是洛伦兹力的方向，洛伦兹力的方向总是既垂直于速度方向，又垂直于磁场方向，即垂直洛伦兹力的方向总是既垂直于速度方向，又垂直于磁场方向，即垂直于磁场方向和速度方向所确定的平面于磁场方向和速度方向所确定的平面;(3)洛伦兹力的大小洛伦兹力的大小当电荷在垂直于磁场的方向上运动时，磁场对运动电荷的作用力，当电荷在垂直于磁场的方向上运动时，磁场对运动电荷的作用力，等于电荷电量、速率、磁感应强度三者的乘积。即等于电荷电量、速率、磁感应强度三者的乘积。即F qvB当电荷当电荷的速度方向与磁场方向平行时的速度方向与磁场方向平行时F 0(b)图3.7-2 洛伦兹力示意 当霍尔板为当霍尔板为N型半导体材料时，在磁场作用下当通以电流型半导体材料时，在磁场作用下当通以电流I时，半导体材时，半导体材料中的载流子（电子）将沿着与电流方向相反的方向运动。带电质量点料中的载流子（电子）将沿着与电流方向相反的方向运动。带电质量点在磁场中沿着和磁力线垂直的方向运动时，都要受到磁场力亦即洛伦兹在磁场中沿着和磁力线垂直的方向运动时，都要受到磁场力亦即洛伦兹力力Fm的作用：的作用：e0带电粒子和电荷；带电粒子和电荷；B磁感应强度；磁感应强度；v电子运动速度。电子运动速度。在洛伦兹力在洛伦兹力Fm的作用下，电子向板的一方偏转，这样使板的一侧积的作用下，电子向板的一方偏转，这样使板的一侧积聚大量电子。面板的另一侧则相应地缺少电子而积累正电荷。于是便形聚大量电子。面板的另一侧则相应地缺少电子而积累正电荷。于是便形成一个电场成一个电场E，该电场，该电场E又在电子上作用有一个反作用力又在电子上作用有一个反作用力Fe：vBeFom(3.7-1)EeFoe(3.7-2)当反作用力当反作用力Fe与洛伦兹力与洛伦兹力Fm相等时，有相等时，有E=vB。由此则在一宽度为。由此则在一宽度为b的霍的霍尔板上产生一电位差（霍尔发电机）尔板上产生一电位差（霍尔发电机）电子速度电子速度v、电子浓度、电子浓度n与电流密度与电流密度S相关联相关联 将式（将式（3.7-2）代入式（）代入式（3.7-3）中则可得）中则可得 霍尔电势霍尔电势u正比于控制电流正比于控制电流I和磁通密度和磁通密度B，且与电流，且与电流I流经的方向有关。流经的方向有关。bvBEbu(3.7-3)bdInveSo(3.7-4)IBdneuo1(3.7-5)霍尔电势霍尔电势u随电子浓度随电子浓度n的增加而降低，但随电子运动速度的增加而降低，但随电子运动速度v的增加而增大，的增加而增大，或随电子迁移率或随电子迁移率u=v/E的增加而增加。的增加而增加。令令 RH=1/ne0，则式（，则式（3.7-5）变为：）变为：RH霍尔系数，它反映了霍尔效应的强弱程度。霍尔系数，它反映了霍尔效应的强弱程度。根据材料的电导率根据材料的电导率1/ne0u的关系进一步可得：的关系进一步可得：一般电子的迁移率一般电子的迁移率u要大于空穴的迁移率，因此大都采用要大于空穴的迁移率，因此大都采用N型半导体材料型半导体材料作霍尔元件。作霍尔元件。设设 则代入式（则代入式（3.7-6）中可得）中可得 dIBRuH(3.7-6)uRH(3.7-7)dnedRKoHH1/(3.7-8)IBKuH(3.7-9)K KH H称霍尔元件灵敏度，它表示霍尔元件在单位磁感应强度称霍尔元件灵敏度，它表示霍尔元件在单位磁感应强度B B和单位控制电和单位控制电流流I I之下的霍尔电势的大小（单位之下的霍尔电势的大小（单位mV/mAmV/mA0.1T0.1T）。一般均要求）。一般均要求K KH H越大越越大越好。好。由于金属的电子浓度高，因此由于金属的电子浓度高，因此R RH H和和K KH H均不大，故不适宜于作霍尔元件。均不大，故不适宜于作霍尔元件。元件厚元件厚d d越小，灵敏度越小，灵敏度K KH H越高，因此霍尔板厚都做得较薄。越高，因此霍尔板厚都做得较薄。当磁感应强度当磁感应强度B B与霍尔板平面不垂直而是与板平面法线成一角度与霍尔板平面不垂直而是与板平面法线成一角度时，此时，此时式（时式（3.7-93.7-9）则变为）则变为 cosIBKUH(3.7-10)2 2 特性曲线特性曲线B B固定不变，输入固定不变，输入I I U UH H与与I I是线性关系，当是线性关系，当I,I,UH。但但I I过大，元件发热，影响元件过大，元件发热，影响元件能，故有额定电流限制。能，故有额定电流限制。当当I I固定不变，输入固定不变，输入B B。由于元件制。由于元件制造材质和温度等因素的影响，造材质和温度等因素的影响，与与B B是近似线性关系，特别是是近似线性关系，特别是B0.5wb/mB0.5wb/m2 2时，有明显的非线性时，有明显的非线性。UHIK IUK BHB动态响应动态响应：由于建立霍尔效应所需时间很短（约由于建立霍尔效应所需时间很短（约10-12 10-14 s）频率可达）频率可达109 Hz,动动态响应性好。态响应性好。图3.7-3 特性曲线1图3.7-4 特性曲线2 3 霍尔元件主要误差及补偿霍尔元件主要误差及补偿 （1）不等位电势）不等位电势 在无外磁场作用且控制电流为额定值时，霍尔空载电势在无外磁场作用且控制电流为额定值时，霍尔空载电势 UH 0不为零，不为零，该电势称为不等位电势。该电势称为不等位电势。不等位电势造成的非线性误差，主要是霍尔不等位电势造成的非线性误差，主要是霍尔输出电极不在同一等位面上所致，由于制造原因，不能完全消除。输出电极不在同一等位面上所致，由于制造原因，不能完全消除。不等位电阻不等位电阻 ：不等位电势：不等位电势 补偿方法：在电极间并接补偿电阻补偿方法：在电极间并接补偿电阻0r0U/HI额 A B两点电位差不为零 并入R1 R2使A B两点点位一致 图3.7-5 不等位电势与补偿 （2）温度误差）温度误差 由于霍尔元件由半导体材料组成，随工作时间增加，霍尔元件温度由于霍尔元件由半导体材料组成，随工作时间增加，霍尔元件温度上升，半导体材料的电阻率、迁移率和载流子浓度都发生变化（上升，半导体材料的电阻率、迁移率和载流子浓度都发生变化（，迁移率迁移率，载流子浓度，载流子浓度）霍尔元件输出灵敏度、内阻都发生变化，）霍尔元件输出灵敏度、内阻都发生变化，影响测量线性度，造成温度误差。影响测量线性度，造成温度误差。补偿方法：补偿方法：采用恒流供电，克服内阻变化，保证控制电路不变采用恒流供电，克服内阻变化，保证控制电路不变 在控制极并联一个，起分流作用，通过减小控制电流在控制极并联一个，起分流作用，通过减小控制电流 办法补偿办法补偿增加。增加。经过计算：经过计算：prRi 温度为温度为ToTo时，霍尔元件内阻，时，霍尔元件内阻，输入电阻输入电阻 霍尔电势温度系数霍尔电势温度系数 Ri000(1)HHHHHHHUKI BKtI BKt I B霍尔元件电阻温度系数霍尔元件电阻温度系数、可从霍尔元件参数表查得，可从霍尔元件参数表查得，Ri可在室温无外磁场条件下可在室温无外磁场条件下测取。测取。(3.7-11)图3.7-6 不等位电势补偿 4 霍尔效应的应用霍尔效应的应用 由霍尔元件组成的传感器为霍尔传感器，主要应用于微位移由霍尔元件组成的传感器为霍尔传感器，主要应用于微位移和机械振动测量，还可以扩展到压力、加速度和功率等测量，还和机械振动测量，还可以扩展到压力、加速度和功率等测量，还可以用作控制用的开关。可以用作控制用的开关。霍尔传感器属于有源传感器，具有动态范围大（输出电势变霍尔传感器属于有源传感器，具有动态范围大（输出电势变化大）、频率范围宽等特点，无论在测量或控制计算机方面都有化大）、频率范围宽等特点，无论在测量或控制计算机方面都有广泛的应用。广泛的应用。（1 1）霍尔元件的技术参数）霍尔元件的技术参数 控制电流控制电流I I（mAmA）使霍尔元件温升使霍尔元件温升10所施加的额定控制电流值，一般工作不所施加的额定控制电流值，一般工作不超过此值，否则影响温度误差。超过此值，否则影响温度误差。输入电阻输入电阻Ri与输出电阻与输出电阻Ro()Ri 控制电流极之间的电阻控制电流极之间的电阻 Ro霍尔电极之间的电阻，可在无外磁场室温下进行测量霍尔电极之间的电阻，可在无外磁场室温下进行测量 不等位电势不等位电势Uo(mV)和不等位电阻和不等位电阻r0()灵敏度灵敏度KH,单位单位B单位单位I 空载霍尔电势空载霍尔电势 寄生直流电势寄生直流电势U（mV）在无外磁场情况下，霍尔元件通以交流控制电流，开路的霍尔在无外磁场情况下，霍尔元件通以交流控制电流，开路的霍尔电极间输出的交流电势称为交流不等位电势电极间输出的交流电势称为交流不等位电势Uf(mVUf(mV)，在此情况下，在此情况下输出的直流电势称为寄生直流电势输出的直流电势称为寄生直流电势U U（V V）霍尔电势温度系数霍尔电势温度系数 （1/）在一定磁感应强度和控制电流下，温度每改变在一定磁感应强度和控制电流下，温度每改变1，霍尔电势，霍尔电势值变化的百分率称为值变化的百分率称为 内阻温度系数内阻温度系数 （1/）元件在无外磁场和工作温度范围内，温度每变化元件在无外磁场和工作温度范围内，温度每变化1时，时，Ri、Ro变化的百分率变化的百分率 热阻热阻R （/mV）在霍尔电极开路时，元件的电功率损耗在霍尔电极开路时，元件的电功率损耗 每改变每改变1mW时，时，元件的温度变化值元件的温度变化值 常用的霍尔元件常用的霍尔元件Hz-1型、型、Hz-4型、型、HT-1型、型、HS-1型型 国产国产 日本日本THS-102型型 (2)霍尔元件应用霍尔元件应用 霍尔位移传感器（微位移）霍尔位移传感器（微位移）当当 IH 不变，不变，HHHUK I BHUB由于磁场一定范围内，沿由于磁场一定范围内，沿x方向方向B变化梯度变化梯度dB/dx为常数为常数 HHdUdBK IKdxdx积分得HUK x两组磁极距离越近两组磁极距离越近dB/dx越大，越大，UH 灵敏度越高，灵敏度越高，dB/dx越均匀，越均匀，输出线性好，所以霍尔元件适用于测微位移。输出线性好，所以霍尔元件适用于测微位移。例：西南结构力学研究所产例：西南结构力学研究所产HL-1型传感器，适于测量静位移和振型传感器，适于测量静位移和振动振幅动振幅量程(mm)非线性度(%)输出(mV)零位漂移(%R)测力量程(g)02 5 150.05 200 图3.7-7 不等位电势与补偿 位置测量位置测量 用作终端位置开关，用于无接触地监测机器部件的位置。用作终端位置开关，用于无接触地监测机器部件的位置。图图3.7-8 霍尔传感器测量物体位置霍尔传感器测量物体位置 转速测量转速测量 测量齿轮的转速。测量齿轮的转速。图3.7-9 霍尔效应齿轮测速传感器（1）霍尔转速传感器霍尔转速传感器 60Nnf图3.7-9 霍尔效应齿轮测速传感器（2）图3.7-10霍尔效应接近式传感器 测量位移，力，加速度等参量。测量位移，力，加速度等参量。钢丝绳断丝检测。钢丝绳断丝检测。图图3.7-11 霍尔效应钢丝绳断丝检测装置霍尔效应钢丝绳断丝检测装置 电流传感器电流传感器 当电流流过导线时，将在导线周围产生磁场，磁场大小与流过导线当电流流过导线时，将在导线周围产生磁场，磁场大小与流过导线的电流大小成正比，这一磁场可以通过软磁材料来聚集，然后用霍尔器的电流大小成正比，这一磁场可以通过软磁材料来聚集，然后用霍尔器件进行检测。件进行检测。图图3.7-12 电流传感器电流传感器霍尔开关霍尔开关 霍尔元件输出端接入开关电路构成霍尔开关，是一种无霍尔元件输出端接入开关电路构成霍尔开关，是一种无触点开关。触点开关。图图3.7-13 霍尔开关霍尔开关