霍尔式传感器.ppt

1、 主要学习霍尔传感器的工作原理、主要学习霍尔传感器的工作原理、霍尔集成电路的特性及其在检测技术霍尔集成电路的特性及其在检测技术中的应用，还涉及磁场测量技术。中的应用，还涉及磁场测量技术。1879年，霍尔(E.H.Hall)在研究通有电流的导体在磁场中受力的情况时，发现在垂直于磁场和电流的方向上产生了电动势，这个电磁效应称为“霍尔效应”。1985年德国克利青发现量子霍耳效应获得诺贝尔奖。1998年普林斯顿大学的崔琦、斯坦福大學的Laughlin，哥倫比亞大學的Stormer 因研究量子霍尔液体获得诺贝尔奖。半导体是指具有中等程度导电性的材料，其电导率一般在金属是指良导体，电导率的量级绝缘体是指具

2、有极低电导率的材料在相同电流强度和磁感应强度的条件下，半导体材料的霍耳效应比金属大多个数量级左右。这是因为半导体的载流子浓度比金属的自由电子浓度要小许多数量级。因此，在半导体和金属中要得到相同电流强度，半导体载流子的速度就要大许多。而速度大，所受的洛伦兹力就大，与之相平衡的静电力就大，所以霍耳效应就大。半导体的电导率介于导体和绝缘体之间。以室温下的铜和硅为例，后者小13个量级。且金属电阻随温度增加而增加，半导体则随温度增加减小，即温度越高，导电性越好。利用霍尔效应，可以确定半导体的导电类型和载流子浓度，利用霍尔系数和电导率的联合测量，可以用来研究半导体的导电机构(本征导电和杂质导电)和散射机构

3、(晶格散射和杂质散射)，进一步确定半导体的迁移率、禁带宽度、杂质电离能等基本参数。在绝对零度条件下，半导体的电子全部束缚在原子上，能量低，处于价带。温度升高时，部分电子由于热运动，脱离原子的束缚，进入导带。所以温度升高，半导体的电导率升高。而金属温度升高导致电子与原子以及电子与电子的碰撞加剧，电导降低，电阻增加。根据霍尔效应原理制成的霍尔器件，可用于磁场和功率测量，也可制成开关元件，在自动控制和信息处理等方面有着广泛的应用。一、霍尔元件的结构及工作原理一、霍尔元件的结构及工作原理 半导体薄片置于磁感应强度为半导体薄片置于磁感应强度为B 的磁场中，磁场方向的磁场中，磁场方向垂直于薄片，当有电流垂

4、直于薄片，当有电流I 流过薄片时，在垂直于电流和磁流过薄片时，在垂直于电流和磁场的方向上将产生电动势场的方向上将产生电动势EH，这种现象称为霍尔效应。，这种现象称为霍尔效应。磁感应强度磁感应强度B B为零时的情况为零时的情况c cd da ab b磁感应强度磁感应强度B B 较大时的情况较大时的情况 作作用用在在半半导导体体薄薄片片上上的的磁磁场场强强度度B越越强强，霍霍尔电势也就越高。尔电势也就越高。霍尔效应演示霍尔效应演示 当磁场垂直于薄片时，电子受到洛仑当磁场垂直于薄片时，电子受到洛仑兹力的作用，兹力的作用，向内侧偏移，在半导体薄片向内侧偏移，在半导体薄片c、d方向的端面之间建立起霍尔电

5、势。方向的端面之间建立起霍尔电势。c cd da ab b式中 RH霍尔常数（m3/C）I控制电流（A）B磁感应强度（B)d霍尔元件的厚度（m）霍尔电势：霍尔常数霍尔常数 霍尔电势与导体厚度霍尔电势与导体厚度d成反比：成反比：为了提高霍尔电势值，为了提高霍尔电势值，霍尔元件制成薄片形状。霍尔元件制成薄片形状。霍尔常数大小取决于导体的载流子密度：霍尔常数大小取决于导体的载流子密度：金属的自由电子密度太大，因而霍尔常数小，金属的自由电子密度太大，因而霍尔常数小，霍尔电势也小，故金属材料不宜制作霍尔元件霍尔电势也小，故金属材料不宜制作霍尔元件 半导体中电子迁移率（电子定向运动平均速半导体中电子迁移率

6、（电子定向运动平均速度）比空穴迁移率高，因此度）比空穴迁移率高，因此N型半导体型半导体较适合较适合于制造灵敏度高的霍尔元件。于制造灵敏度高的霍尔元件。磁场不垂直于霍尔元件时的霍尔电动势磁场不垂直于霍尔元件时的霍尔电动势 若若磁磁感感应应强强度度B B不不垂垂直直于于霍霍尔尔元元件件，而而是是与与其其法法线线成成某某一一角角度度 时时，实实际际上上作作用用于于霍霍尔尔元元件件上上的的有有效效磁磁感感应应强强度度是是其其法法线线方方向向（与与薄薄片片垂垂直直的的方方向向）的的分分量量，即即B Bcoscos，这这时时的的霍霍尔电势为尔电势为 E EH H=K KH HIBIBcoscos 结论：结

7、论：霍尔电势与输入电流霍尔电势与输入电流I、磁感应强度、磁感应强度B成成正比，且当正比，且当B和和I的方向改变时，霍尔电势的方向改变时，霍尔电势的方向也随之改变。如果所施加的磁场为的方向也随之改变。如果所施加的磁场为交变磁场，则霍尔电势为同频率的交变电交变磁场，则霍尔电势为同频率的交变电势势 二、霍尔元件的结构和基本电路二、霍尔元件的结构和基本电路图（图（a）中，从矩形薄片半导体）中，从矩形薄片半导体基片上的两个相互垂直方向侧基片上的两个相互垂直方向侧面上，引出一对电极，其中面上，引出一对电极，其中1-1电极用于加控制电流，称控制电极用于加控制电流，称控制电极。另一对电极。另一对2-2电极用于

8、引出电极用于引出霍尔电势，称输出极。在基片霍尔电势，称输出极。在基片外面用金属或陶瓷、环氧树脂外面用金属或陶瓷、环氧树脂等封装作为外壳。等封装作为外壳。图（图（b）是霍尔元件通用的图形）是霍尔元件通用的图形符号。符号。图（图（c）所示，霍尔电极在基片上的位置及它）所示，霍尔电极在基片上的位置及它的宽度对霍尔电势数值影响很大。通常霍尔电的宽度对霍尔电势数值影响很大。通常霍尔电极位于基片长度的中间，其宽度远小于基片的极位于基片长度的中间，其宽度远小于基片的长度。长度。图（图（d）是基本测量电路）是基本测量电路。差分放大电路差分放大电路 霍尔元件的输出电压一般较小，需要用放大霍尔元件的输出电压一般较

9、小，需要用放大电路放大其输出电压。为了获得较好的放大效电路放大其输出电压。为了获得较好的放大效果，需采用差分放大电路。果，需采用差分放大电路。使使用用一一个个运运算算放放大大器器时时，霍霍尔尔元元件件的的输输出出电电阻阻可可能能会会大大于于运运算算放放大大器器的的输输入入电电阻阻，从从而而产产生生误误差，采用下图所示的电路，则不存在这个问题。差，采用下图所示的电路，则不存在这个问题。三、霍尔元件的主要外特性参数三、霍尔元件的主要外特性参数 最大最大磁感应强度磁感应强度BM 上图所示霍尔元件的线性范围是负的多少上图所示霍尔元件的线性范围是负的多少高斯至正的多少高斯？高斯至正的多少高斯？(1特斯拉

10、特斯拉10000高斯高斯)线性区线性区最大最大激励电流激励电流IM:由于霍尔电势随激励电流增大而增大，故在由于霍尔电势随激励电流增大而增大，故在应用中总希望选用较大的激励电流。但激励电流应用中总希望选用较大的激励电流。但激励电流增大，霍尔元件的功耗增大，元件的温度升高，增大，霍尔元件的功耗增大，元件的温度升高，从而引起霍尔电势的温漂增大，因此每种型号的从而引起霍尔电势的温漂增大，因此每种型号的元件均规定了相应的最大激励电流，它的数值从元件均规定了相应的最大激励电流，它的数值从几毫安至十几毫安。几毫安至十几毫安。以下哪一个激励电流的数值较为妥当？以下哪一个激励电流的数值较为妥当？5 5A 0.1

11、mA 2mA 80mAA 0.1mA 2mA 80mA 四、霍尔集成电路四、霍尔集成电路 霍尔集成电路可分为霍尔集成电路可分为 （1 1）线性型）线性型 （2 2）开关型）开关型 线性型集成电路是将线性型集成电路是将霍尔元件和恒流源、线性霍尔元件和恒流源、线性差动放大器差动放大器等做在一个芯片上，输出电压为伏级，等做在一个芯片上，输出电压为伏级，比直接使用霍尔元件方便得多。比直接使用霍尔元件方便得多。（1）线性型）线性型单端输出传感器：三端器件单端输出传感器：三端器件双端输出传感器：双端输出传感器：8脚双列直插封装元件脚双列直插封装元件UGN-3501TUGN-3501T 是一种塑料扁平封装的

12、三端元件，它有是一种塑料扁平封装的三端元件，它有T T、U U两种两种型号，型号，T T型与型与U U型的区别仅是厚度的不同，型的区别仅是厚度的不同，T T型厚型厚度为度为2.03mm2.03mm，U U型厚度为型厚度为1.54mm1.54mm。UGN-3501MUGN-3501M 双端输出线形集成电路双端输出线形集成电路UGN-3501MUGN-3501M采用采用8 8脚封装。脚封装。1 1、8 8两脚为输出，两脚为输出，5 5、6 6、7 7三脚之间接一个电位器，三脚之间接一个电位器，对不等位电动势进行补偿。对不等位电动势进行补偿。线性型霍尔特性线性型霍尔特性 右图示出了具有右图示出了具有

13、双端差动输出特性的线双端差动输出特性的线性霍尔器件的输出特性性霍尔器件的输出特性曲线。当磁场为零时，曲线。当磁场为零时，它的输出电压等于零；它的输出电压等于零；当感受的磁场为正向当感受的磁场为正向（磁钢的（磁钢的S S极对准霍尔极对准霍尔器件的正面）时，器件的正面）时，输输出为正；磁场反向时，出为正；磁场反向时，输出为负。输出为负。请画出线性范围请画出线性范围（2 2）开关型）开关型 开关型霍尔集成电路是将霍尔元件、稳压电开关型霍尔集成电路是将霍尔元件、稳压电路、放大器、施密特触发器、路、放大器、施密特触发器、OC门（集电极开路输门（集电极开路输出门）等电路做在同一个芯片上。当外加磁场强度出门

14、）等电路做在同一个芯片上。当外加磁场强度超过规定的工作点时，超过规定的工作点时，OC门由高阻态变为导通状态，门由高阻态变为导通状态，输出变为低电平；当外加磁场强度低于释放点时，输出变为低电平；当外加磁场强度低于释放点时，OC门重新变为高阻态，输出高电平。较典型的开关门重新变为高阻态，输出高电平。较典型的开关型霍尔器件如型霍尔器件如UGN3020等。等。开关型霍尔集成电路的开关型霍尔集成电路的外形及内部电路外形及内部电路OCOC门门 施密特施密特 触发电路触发电路 双端输入、双端输入、单端输出运放单端输出运放霍尔霍尔 元件元件.VccVcc 当放大后的电压当放大后的电压U UO O大于施密特触发

15、器大于施密特触发器“开启开启”阈值电压时，施密特整形电路翻转，输出高电平，阈值电压时，施密特整形电路翻转，输出高电平，使使V V导通，这种状态我们称之为导通，这种状态我们称之为开状态开状态。当磁场减。当磁场减弱时，霍尔元件输出的弱时，霍尔元件输出的U UO O很小，经放大器放大后其很小，经放大器放大后其值仍然小于施密特整形电路的值仍然小于施密特整形电路的“关闭关闭”阈值电压，阈值电压，施密特整形电路再次翻转，输出低电平，使施密特整形电路再次翻转，输出低电平，使V V截止，截止，这种状态称为这种状态称为关状态关状态。工作原理：工作原理：开关型霍尔集成电路的史密特输出特性开关型霍尔集成电路的史密特

16、输出特性 回差越大，抗回差越大，抗振动干扰能力振动干扰能力就越强。就越强。当磁铁从远到近地接近霍尔当磁铁从远到近地接近霍尔IC，到多少特斯拉，到多少特斯拉时输出翻转？当磁铁从近到远地远离霍尔时输出翻转？当磁铁从近到远地远离霍尔IC，到多，到多少特斯拉时输出再次翻转？回差为多少特斯拉？相少特斯拉时输出再次翻转？回差为多少特斯拉？相当于多少高斯（当于多少高斯（Gs）？）？五、霍尔传感器的应用五、霍尔传感器的应用 霍尔电势是关于霍尔电势是关于I、B、三个变三个变量的函数，即量的函数，即 EH=KHIBcos 。利用。利用这个关系可以使其中两个量不变，将这个关系可以使其中两个量不变，将第三个量作为变量，或者固定其中一第三个量作为变量，或者固定其中一个量，其余两个量都作为变量。这使个量，其余两个量都作为变量。这使得霍尔传感器有许多用途。得霍尔传感器有许多用途。1.霍尔特斯拉计霍尔特斯拉计（高斯计）（高斯计）霍尔元件霍尔元件高斯计：高斯计：接受所测物体的电磁波频率，然后接受所测物体的电磁波频率，然后转换成参数量显示出来。主要用来测试高转换成参数量显示出来。主要用来测试高电压环境电磁波电压环境电磁波