霍尔传感器及磁敏二极管三极管的原理及应用.docx
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霍尔传感器及磁敏二极管三极管的原理及应用
一、Hall霍尔传感器
1、霍尔传感器的定义
霍尔元件是一种基于霍尔效应的磁传感器,已发展成一个品种多样的磁传感器产品族，并已得到广泛的应用。
霍尔器件是一种磁传感器。
用它们可以检测磁场及其变化，可在各种与磁场有关的场合中使用。
霍尔器件以霍尔效应为其工作基础。
2、霍尔传感器的分类
按照霍尔器件的功能可将它们分为:
霍尔线性器件和霍尔开关器件。
前者输出模拟量，后者输出数字量。
（1）线性电路：
它由霍尔元件、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。
这类电路有很高的灵敏度和优良的线性度，适用于各种磁场检测。
霍尔线性电路的功能框图
（2）开关电路：
霍尔开关电路由稳压器、霍尔片、差分放大器、施密特触发器和输出级组成。
在外磁场的作用下，当磁感应强度超过导通阈值BOP时，霍尔电路输出管导通，输出低电平。
之后，B再增加，仍保持导通态。
若外加磁场的B值降低到BRP时，输出管截止，输出高电平。
我们称BOP为工作点，BRP为释放点，BOP－BRP=BH称为回差。
回差的存在使开关电路的抗干扰能力增强。
霍尔开关电路的功能框见图2。
图2（a）表示集电极开路（OC）输出，（b）表示双输出。
（a）单OC输出（b）双OC输出
图2霍尔开关电路的功能框图
3、原理
霍尔效应原理：
将一块半导体或导体材料，沿Z方向加以磁场
，沿X方向通以工作电流I，则在Y方向产生出电动势
，如图1所示，这现象称为霍尔效应。
称为霍尔电压。
（a） （b）
图3 霍尔效应原理图
实验表明，在磁场不太强时，电位差
与电流强度I和磁感应强度B成正比，与板的厚度d成反比，即
（1）
或
（2）
式
（1）中
称为霍尔系数，式
（2）中
称为霍尔元件的灵敏度，单位为mv/（mA·T）。
产生霍尔效应的原因是形成电流的作定向运动的带电粒子即载流子（N型半导体中的载流子是带负电荷的电子，P型半导体中的载流子是带正电荷的空穴）在磁场中所受到的洛仑兹力作用而产生的。
一快长为l、宽为b、厚为d的N型单晶薄片，置于沿Z轴方向的磁场
中，在X轴方向通以电流I，则其中的载流子——电子所受到的洛仑兹力为
（3）
式中
为电子的漂移运动速度，其方向沿X轴的负方向。
e为电子的电荷量。
指向Y轴的负方向。
自由电子受力偏转的结果，向A侧面积聚，同时在B侧面上出现同数量的正电荷，在两侧面间形成一个沿Y轴负方向上的横向电场
（即霍尔电场），使运动电子受到一个沿Y轴正方向的电场力
，A、B面之间的电位差为
（即霍尔电压），则
（4）将阻碍电荷的积聚，最后达稳定状态时有
即
得
（5）
此时B端电位高于A端电位。
若N型单晶中的电子浓度为n，则流过样片横截面的电流
I=nebdV
得
（6）
将（6）式代入（5）式得
（7）
4.霍尔效应的副效应
（1）.不等位效应
由于制造工艺技术的限制，霍尔元件的电位极不可能接在同一等位面上，因此，当电流IH流过霍尔元件时，即使不加磁场，两电极间也会产生一电位差，称不等位电位差U。
显然，U只与电流IH有关，而与磁场无关。
（2）.埃廷豪森效应（Etinghauseneffect）
由于霍尔片内部的载流子速度服从统计分布，有快有慢，由于它们在磁场中受的洛伦兹力不同，则轨道偏转也不相同。
动能大的载流子趋向霍尔片的一侧，而动能小的载流子趋向另一侧，随着载流子的动能转化为热能，使两侧的温升不同，形成一个横向温度梯度，引起温差电压UE，UE的正负与IH、B的方向有关。
（3）.能斯特效应（Nernsteffect）
由于两个电流电极与霍尔片的接触电阻不等，当有电流通过时，在两电流电极上有温度差存在，出现热扩散电流，在磁场的作用下，建立一个横向电场EN，因而产生附加电压UN。
UN的正负仅取决于磁场的方向。
（4）.里纪-勒杜克效应（Righi-Leduceffect）
由于热扩散电流的载流子的迁移率不同，类似于埃廷豪森效应中载流子速度不同一样，也将形成一个横向的温度梯度而产生相应的温度电压URL，URL的正、负只与B的方向有关，和电流IH的方向无关。
5.霍尔效应的副效应的消除方法
由于附加电压的存在，实测的电压，既包括霍尔电压UH，也包括U0、UE、
UN和URL等这些附加电压，形成测量中的系统误差来源。
但我们利用这些附加电压与电流IH和磁感应强度B的方向有关，测量时改变IH和B的方向，基本上可以消除这些附加误差的影响。
具体方法如下：
当（+B，+IH）时测量，U1＝UH＋U0＋UE＋UN＋URL
（1）
当（+B，-IH）时测量，U2＝－UH－U0－UE＋UN＋URL
（2）
当（-B，-IH）时测量，U3＝UH－U0+UE－UN－URL （3）
当（-B，+IH）时测量，U4＝－UH＋U0－UE－UN－URL（4）
式
（1）－
（2）＋（3）－（4）并取平均值，则得
这样处理后，除埃廷豪森效应引起的附加电压外，其它几个主要的附加电
压全部被消除了。
其中UE＜＜UH。
二.技术性能分析
1电流传感器特性参数
（1）、标准额定值IPN和额定输出电流ISN
IPN指电流传感器所能测试的标准额定值，用有效值表示（A.r.m.s），IPN的大小与传感器产品的型号有关。
ISN指电流传感器额定输出电流，一般为100~400mA，某些型号可能会有所不同。
（2）、传感器供电电压VA
VA指电流传感器的供电电压，它必须在传感器所规定的范围内。
超过此范围，传感器不能正常工作或可靠性降低，另外，传感器的供电电压VA又分为正极供电电压VA+和负极供电电压VA-。
（3）、测量范围Ipmax
（1）测量范围指电流传感器可测量的最大电流值，测量范围一般高于标准额定值IPN。
（2）要注意单相供电的传感器，其供电电压VAmin是双相供电电压VAmin的2倍，所以其测量范围要高于双相供电的传感器。
（4）、过载
发生电流过载时，在测量范围之外，原边电流仍会增加，而且过载电流的持续时间可能很短，而过载值有可能超过传感器的允许值，过载电流值传感器一般测量不出来，但不会对传感器造成损坏。
（5）、精度
霍尔效应传感器的精度取决于标准额定电流IPN。
在+25℃时，传感器测量精度受原边电流影响。
计算精度时必须考虑偏移电流、线性度、温度漂移的影响。
（1.偏移电流ISO
偏移电流也叫残余电流或剩余电流，它主要是由霍尔元件或电子电路中运算放大器工作状态不稳造成的。
电流传感器在生产时，在25℃，IP=0时的情况下，偏移电流已调至最小，但传感器在离开生产线时，都会产生一定大小的偏移电流。
产品技术文档中提到的精度已考虑了偏移电流增加的影响。
（2.线性度
线性度决定了传感器输出信号（副边电流IS）与输入信号（原边电流IP）在测量范围内成正比的程度，
（3.温度漂移
偏移电流ISO是在25℃时计算出来的，当霍尔电极周边环境温度变化时，ISO会产生变化。
因此，考虑偏移电流ISO的最大变化是很重要的。
（6）、抗干扰性
（1.电磁场
闭环霍尔效应电流传感器，利用了原边导线的电磁场原理。
因此下列因素直接影响传感器是否受外部电磁场干扰。
<1>传感器附近的外部电流大小及电流频率是否变化；
<2>外部导线与传感器的距离、外部导线的形状、位置和传感器内霍尔电极的位置；
<3>安装传感器所使用的材料有无磁性；
<4>所使用的电流传感器是否屏蔽；
为了尽量减小外部电磁场的干扰，最好按安装指南安装传感器。
（2.电磁兼容性
电磁兼容性EMC，（Electro-MagneticCompatibility）是研究电气及电子设备在共同的电磁环境中能执行各自功能的共存状态，即要求在同一电磁环境中的上述各种设备都能正常工作而又互不干扰，达到“兼容”状态的一门学科。
空间电磁环境的恶化越来越容易使电子元器件之间因互不兼容而引发系统的错误动作，因此电工、电子设备电磁兼容性检测极有必要。
由于实际生产、科研及市场推广的迫切需要，采用已通过电磁兼容性检测的电流和电压传感器已形成共识，并已成为一个强制性标准。
三．霍尔传感器的应用
霍尔电动势是关于I、B、θ三个变量的函数，即EH=KHIBcosθ，使其中两个量不变，将第三个量作为变量，或者固定其中一个量、其余两个量都作为变量，三个变量的多种组合等。
1）维持I、θ不变，则EH=f（B），这方面的应用有：
测量磁场强度的高斯计、测量转速的霍尔转速表、磁性产品计数器、霍尔角编码器以及基于微小位移测量原理的霍尔加速度计、微压力计等。
2）维持I、B不变，则EH=f（θ），这方面的应用有角位移测量仪等。
3）维持θ不变，则EH=f（IB），即传感器的输出EH与I、B的乘积成正比，这方面的应用有模拟乘法器、霍尔功率计、电能表等。
1．角位移测量仪
角位移测量仪结构示意图如图4所示。
霍尔器件与被测物连动，而霍尔器件又在一个恒定的磁场中转动，于是霍尔电动势EH就反映了转角θ的变化。
图4 角位移测量仪结构示意图
1－极靴 2－霍尔器件 3－励磁线圈
发散性思维：
将图4的铁芯气隙减小到夹紧霍尔IC的厚度。
则B正比于Ui，霍尔IC的Uo正比于B，可以改造为霍尔电压传感器。
2．霍尔接近开关
用霍尔接近开关也能实现接近开关的功能，但是它只能用于铁磁材料，并且还需要建立一个较强的闭合磁场。
霍尔接近开关应用示意图如图5所示。
图中磁极的轴线与霍尔接近开关的轴线在同一直线上。
当磁铁随运动部件移动到距霍尔接近开关几毫米时，霍尔接近开关的输出由高电平变为低电平，经驱动电路使继电器吸合或释放，控制运动部件停止移动（否则将撞坏霍尔接近开关）起到限位的作用。
图5 霍尔接近开关应用示意图
a）外形 b）接近式 c）滑过式 d）分流翼片式
1－运动部件 2－软铁分流翼片
在图5中，磁铁和霍尔接近开关保持一定的间隙、均固定不动。
软铁制作的分流翼片与运动部件联动。
当它移动到磁铁与霍尔接近开关之间时，磁力线被屏蔽（分流），无法到达霍尔接近开关，所以此时霍尔接近开关输出跳变为高电平。
改变分流翼片的宽度可以改变霍尔接近开关的高电平与低电平的占空比。
3．霍尔电流传感器
能够测量直流电流，弱电回路与主回路隔离，能够输出与被测电流波形相同的“跟随电压”，容易与计算机及二次仪表接口，准确度高、线性度好、响应时间快、频带宽，不会产生过电压等。
（1）工作原理：
用一环形（或方形）导磁材料作成铁心，套在被测电流流过的导线（也称电流母线）上，将导线中电流感生的磁场聚集在铁心中。
在铁心上开一与霍尔传感器厚度相等的气隙，将霍尔线性IC紧紧地夹在气隙中央。
电流母线通电后，磁力线就集中通过铁心中的霍尔IC，霍尔IC就输出与被测电流成正比的输出电压或电流。
图6 霍尔电流传感器原理及外形
a）基本原理 b）外形
1－被测电流母线 2－铁心 3－线性霍尔IC
（2）技术指标及换算 霍尔电流传感器可以测量高达2000A的电流；电流的波形可以是高达100kHz的正弦波和电工技术较难测量的高频窄脉冲；它的低频端可以一直延伸到直流电源；响应时间小于1μs，电流上升率（di/dt）大于200A/μs。
被测电流称为一次测电流IP，将霍尔电流传感器的输出电流称为“二次侧电流”IS（霍尔传感器中并不存在二次侧）。
“匝数比”概念：
IS/IP和NP/NS。
在霍尔电流传感器中，NP被定义为“一次测线圈”的匝数，一般取NP=1；NS为厂家所设定的“二次侧线圈的匝数”。
因此有：
依据霍尔电流传感器的额定技术参数和输出电流IS，就可以计算得到被测电流。
如果将一只负载电阻RS并联在“二次侧”的输出电流端，就可以得到一个与“一次测电流”（被测电流）成正比的、大小为几伏的电压输出信号。
隔离作用：
霍尔电流传感器的“一次测”与“二次侧”电路之间的击穿电压可以高达6kV，可直接将“二次侧”的输出信号接到计算机电路。
4．检测铁磁物质
在霍尔线性电路背面偏置一个永磁体，如图所示。
图7表示检测铁磁物体的缺口，图（b）表示检测齿轮的齿。
图7用霍尔线性电路检测铁磁物体
图8用霍尔线性电路检测齿口的线路
注意事项：
霍尔开关电路的输出级一般是一个集电极开路的NPN晶体管，其使用规则和任何一种相似的NPN开关管相同。
输出管截止时，输出漏电流很小，一般只有几nA，可以忽略，输出电压和其电源电压相近，但电源电压最高不得超过输出管的击穿电压。
输出管导通时，它的输出端和线路的公共端短路。
因此，必须外接一个电阻器（即负载电阻器）来限制流过管子的电流，使它不超过最大允许值（一般为20mA），以免损坏输出管。
输出电流较大时，管子的饱和压降也会随之增大，使用者应当特别注意，仅这个电压和你要控制的电路的截止电压（或逻辑“零”）是兼容的。
以与发光二极管的接口为例，对负载电阻器的选择作一估计。
若在Io为20mA（霍尔电路输出管允许吸入的最大电流），发光二极管的正向压降VLED=1.4V，当电源电压VCC=12V时，所需的负载电阻器的阻值
（4）
和这个阻值最接近的标准电阻为560Ω，因此，可取560Ω的电阻器作为负载电阻器。
图9 简化的霍尔开关示意图
图10霍尔开关与电路接口举例
5．霍尔传感器用于开门报警电路
开门报警器主要用于汽车、工业设备和家用电器。
这类电路能检测出电冰箱门开着与否。
当门开着时，一个三端双向可控硅开关就被触发，以控制内部的灯。
图11示出一种门位置报警器。
当门开时，发光二极管发光，压电蜂鸣器发出报警声，发光和发出警声的时间均为5秒左右。
这一电路使用一个TL3019霍尔效应器件作为门传感器。
这种常开开关装在门框中，磁铁装在门中。
当门处于关闭位置时，TL3019的输出变为逻辑低电平，并保持到门打开为止。
这一装置由一个TLC555单稳态定时电路组成。
引脚6和7上的1uF电容器和和5.1MΩ电阻器确定单稳态RC时间常数。
这些元件值能使发光二极管和压电蜂鸣报警器分别发光和发出报警声5秒左右。
这一电路的一个与众不同之处在于触发方法。
通常情况下，TLC555电路的触发方法是触发器（引脚2）处于低电平，从而使输出端（引脚3）处于高电平。
在这一电路中，门处于关闭位置时，TL3019的输出保持低电平。
触发器（引脚2）连接到1/2电源电压处。
当门开着时，一个高电平正脉冲通过一个0.1uF的电容加到控制引脚5，也加到复位引脚4上。
这就开始定时周期。
压电蜂鸣器和发光二极管指示器均被启动。
图11霍尔传感器用于开门报警电路
磁敏二极管的原理与应用
磁敏晶体管是继霍尔元件之后发展起来的一种新型磁电转换器件，它具有磁灵敏度高、响应快、无触点、输出功率大等特点，因此在电磁测量、工业控制及检测技术方面得到广泛应用。
一.磁敏二极管的结构与工作原理
1.结构与原理
电路符号:
中间为I区（高纯度锗）P区N区r区（高复合区,可复合空穴和电子）
磁敏二极管的结构如上图所示，它是一种电阻随磁场的大小和方向均改变的结型两端器件，在一块高纯本征半导体材料锗的两端用合金法或扩散法分别制成P型和N型区，i是本征区或空间电荷区，其长度L比载流子扩散长度大数倍，并在i区的一个侧面制成高复合区，其作用是增加电子和空穴在这一区域的复合率，与区相对的面为光滑面。
下图是2ACM型磁敏二极管的外型及电路符号，磁敏二极管有两条引出线，其中较长的引线为正极，较短的引线为负极，电流方向如箭头所示。
当磁敏二极管两端加正向电压，但没有磁场作用时，在正偏压的作用下，大部分载流子注入i区产生电流，只有很少部分在i区和r区复合掉，此时i区有固定阻值，形成稳定的电流I，磁敏二极管呈稳定状态。
如下图（a）所示。
当磁敏二极管两端加正向电压，而且外加磁场H+作用时，正偏压下运动的载流子受洛伦兹力的作用向光滑面偏转，并被反射回i区，使本征区载流子浓度增加，电阻减小，电流增大。
如下图（b）所示。
当磁敏二极管两端加正向电压，并外加磁场H-作用时，从P区注入i区的空穴和从N区注入i区的电子两种载流子在H-的作用下，由于洛伦兹力的作用，两种载流子均偏高复合区r，载流子复合率增加，其浓度减少，i区电阻增大，使电流减小。
如下图（c）所示。
当磁场的大小变化，磁敏二极管的电阻也随着改变，当磁场大到一定程度（约0.3T）时，i区阻值不再随磁场强度增加而增大，即磁敏二极管趋向饱和稳定状态。
由以上分析可知，因为磁敏二极管在不同磁场的作用下其输出信号的增量方向和大小不同，因此它可用来检测磁场的方向和大小。
2.磁敏二极管的重要特性
①伏安特性:
a.给定磁场下，锗磁敏二极管两端正向偏压和通过它的电流关系曲线
b.开始电流变化平坦，而后伏安特性曲线上升加快，动态电阻阻值减小
c.具负阻现象（硅管）
②磁电特性
③温度特性
④频率特性
硅管 响应时间t<1us 频率1MHz
锗管 响应时间t<1us 频率10KHz
⑤磁灵敏度
a.恒流条件下,电压相对磁灵敏度hu:
U0——磁感应强度为零时，磁敏二极管两端电压
UB——磁感应强度为B时，磁敏二极管两端电压
b.恒压条件下,电流相对磁灵敏度hi：
I0——给定偏压下，磁场为零时通过磁敏二极管的电流
IB——给定偏压下，磁场为B时通过磁敏二极管的电流
c.给定电压﹑电流和负载R, 电压磁灵敏度和电流磁灵敏度
U0、I0——磁场为零时，磁敏二极管两端流过的电压和电流
UB、IB——磁场为B时，磁敏二极管两端流过的电压和电流
3.温度补偿及提高灵敏度的措施
①互补式电路
②差分式电路
③全桥式电路
要求:
灵敏度高，用交流电源或脉冲电压源
二．应用实例
1．磁场传感器在探矿、地下钻孔、位置检测、航海系统等方面得到广泛的应用。
下图为磁场传感器的电原理图，图中4个参数相同的磁敏二极管，（mA）接成桥式电路，并采用互补接法，即相邻臂上的磁敏二极管磁敏感面相对或背靠背地连接，供以电源电压V，则产生流过磁敏二极管的电流。
垂直方向的磁场，使相对臂的磁敏二极管的电阻值减少，使另外的两个磁敏二极管。
磁敏三极管的工作原理及应用
1.磁敏三极管的结构与工作原理
在弱P型或弱N型本征半导体上用合金法或扩散法形成发射极、基极和集电极。
基区较长。
基区结构类似磁敏二极管，有高复合速率的r区和本征I区。
长基区分为运输基区和复合基区。
工作原理:
当磁敏三极管未受磁场作用时，由于基区宽度大于载流子有效扩散长度，大部分载流子通过e-I-b形成基极电流，少数载流子输入到c极。
因而形成基极电流大于集电极电流的情况，使β＜l。
当受到正向磁场（H+）作用时，由于磁场的作用，洛仑兹力使载流子偏向发射结的一侧，导致集电极电流显著下降，当反向磁场（H-）作用时，在H-的作用下，载流子向集电极一侧偏转，使集电汲电流增大。
图磁敏三极管工作原理
由此可知、磁敏三极管在正、反向磁场作用下，其集电极电流出现明显变化。
这样就可以利用磁敏三极管来测量弱磁场、电流、转速、位移等物理量。
2.磁敏三极管的主要特性
（1）伏安特性
与普通晶体管的伏安特性曲线类似。
由图可知，磁敏三极管的电流放大倍数小于1。
（2）磁电特性
磁敏三极管的磁电特性是应用的基础，右图为国产NPN型3BCM（锗）磁敏三极管的磁电特性，在弱磁场作用下，曲线接近一条直线。
（3） 温度特性及其补偿
磁敏三极管对温度比较敏感，使用时必须进行温度补偿。
对于锗磁敏三极管如3ACM、3BCM，其磁灵敏度的温度系数为0.8％/0C；硅磁敏三极管（3CCM）磁灵敏度的温度系数为-0.6％/0C。
因此，实际使用时必须对磁敏三极管进行温度补偿。
对于硅磁敏三极管因其具有负温度系数，可用正温度系数的普通硅三极管来补偿因温度而产生的集电极电流的漂移。
具体补偿电路如图所示当温度升高时，V1管集电极电流IC增加．导致Vm管的集电极电流也增加，从而补偿了Vm管因温度升高而导致IC的下降。
利用锗磁敏二极管电流随温度升高而增加的特性，使其作为硅磁敏三极管的负载，从而当温度升高时，可补偿硅磁敏三极管的负温度漂移系数所引起的电流下降。
补偿电路（b）
下图是采用两只特性一致、磁极相反的磁敏三极管组成的差动电路。
这种电路既可以提高磁灵敏度，又能实现温度补偿，它是一种行之有效的温度补偿电路。
补偿电路（c）
（4）频率特性
3BCM锗磁敏三极管对于交变磁场的频率响应特性为10kHz。
（5）磁灵敏度
磁敏三极管的磁灵敏度有正向灵敏度h+和负向灵敏度h-两种。
其定义如下：
磁敏管的应用
漏磁探伤仪的原理如图：
a.钢棒被磁化局部表面时，若无缺陷，探头附近没有泄漏磁通，无信息输出
b.缺陷处的泄漏磁通将作用于探头上，使其产生输出信号
探伤仪探头结构和原理框图如下
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