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

霍尔传感器·磁敏二极管

·磁敏三极管的原理及应用

物理与电子技术学院

电子信息工程

霍尔传感器的原理及应用

一、传感器的概述                                     

信息处理技术取得的进展以及微处理器和计算机技术的高速发展，都需要在传感器的开发方面有相应的进展。

微处理器现在已经在测量和控制系统中得到了广泛的应用。

随着这些系统能力的增强，作为信息采集系统的前端单元，传感器的作用越来越重要。

传感器已成为自动化系统和机器人技术中的关键部件，作为系统中的一个结构组成，其重要性变得越来越明显。

二、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）线形电路：

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，它的功能框图和输出特性示于图1。

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。

图1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，斯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。

它们的输出特性见图5，图5（a）表示普通霍尔开关，（b）表示锁定型霍尔开关的输出特性。

（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。

如图3（a）所示，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

在测量霍尔电压时，会伴随产生一些副效应，影响到测量的精确度，这些副效应是：

（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，U0只与电流IC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。

但因UE＜＜UH，故可将上式写为  

三.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。

四．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

发生性思维：

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。

与交流互感器不同的是：

可以测量直流电压，如右图所示。

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图5所示。

在图5b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。