第6章-霍尔式传感器

OP-07的大;
OP-27 噪声电压特别小,小于OP-07的十分之一;
当霍尔元件作开关使用时，要选择灵敏度高的霍尔 器件。
例如 K H20m V/m A .kG s，如果采用2x 3x 5(mm)的
衫磁钢的器件，控制电流为2mA，施加一个距离器 件为5mm的300G s的磁场，则输出霍尔电势为
U H m a x K H I B 2 0 m V / m A . k G s 2 m A 3 0 0 1 0 3 k G s 1 2 m V
果两个霍尔电势极不在同一等位面上．电桥不平衡，
不断等应位在电 某势 一桥U臂0 上 0并。联此一时个根电据阻A．、使B电两桥点平电衡位．高从低而判
第一节 霍尔效应和工作原理
霍尔传感器是利用霍尔效应实现磁电转换的一种 传感器。霍尔效应自1879年被发现自今已有100多年 的历史，但直到本世纪50年代，由于微电子学的发展， 才被人们所重视和利用，开发了多种霍尔元件。我国 从70年代开始研究霍尔器件，经过30余年的研究和开 发、目前已经能生产各种性能的霍尔元件，例如普通 型、高灵敏度型、低温度系数型、测温测磁型和开关 式的霍尔元件。
这里所必需的包括：各种传感器、可快速处理来自传 感器的大量信息的处理器、驱动激励器的高耐压 （LSI），以及能够将LSI的可靠性提高到与飞机相媲 美的技术。所有这些元件均为尖端技术的结晶。
在机器人的发展过程中，车载元件技术起着关键 作用。因为机器人所需的关键技术包含于车载元件中。 对于两者来说，传感器、激励器和信号处理等都至关 重要。机器人也必须像汽车一样如同电子茧似地配备 传感器，并快速判断所接收到的信息。比如躲避运动 的障碍物行走的动作，必须识别障碍物、预测其动作， 并在不破坏平衡的条件下控制双足等。
场，即为霍尔电场该静电场对电子的作F 用E 力 与洛
仑兹力方向相反，将阻止电子继续偏转，其大小为：
FE
eEH
eUH b
静电场作用于运动电子上的 F E 与洛仑兹力 F L 相等
时，电子积累达到动态平衡，即
ev B eUH b
所以： UH bvB
流过霍尔元件的电流I为：Id d Q t bdvdd tn t(e)bdvn(e)
n为单位体积内自由电子数(载流子浓度)
所以：
v I bdn(e)
代入 UH bvB 中得：
UH
IB dne
若P霍为尔单元位件体为积P内型空半穴导数体(、载则流：子U浓H 度 )。PI dBe
三、 霍尔系数和灵敏度
在上式中令：
RH
1 ne
或
IB
则式
UH
和式 U
dne
H
RH
IB
1 pe
P d e 变为：U H
图4
B ——穿过手心
大拇指——指向的是力的方向
Sensor
新型传感器不断用于汽车、
机器人等行业
人们过去的常识是“汽车并不使用最尖端技术”。 要对生命负责的汽车厂商，采用实用化技术的原则今 后恐怕也不会改变。但是为了安全而必须使用最尖端 技术的话，那么强烈希望采用最尖端技术的趋势必将 越来越强。丰田汽车已经制定了在2020年把日本国内 汽车事故减少一半的目标，并将为此采取逐步把汽车 设计成“电子茧”的方针。也就是说，利用数百个传 感器把车辆包围起来，根据来自这些传感器的信息， 利用激励器对刹车和方向盘进行电控。
Ri是指控制电流极之间的电阻值， Ro指霍尔元 件电极间的电阻，单位为欧姆。 Ri和Ro可在无磁场
即B=0时，用欧姆表等测量。
3．不平衡电势Uo
在额定控制电流I之下，不加磁场时，霍尔电极间的 空载霍尔电势称为不平衡(不等)电势，单位为mv。不 平衡电势和额定控制电流I之比为不平衡电阻ro。有些 产品也提供不平衡电阻参数值。
表9—3列出中国科学院半导体研究所生产的砷化镓 (GaAs)霍尔元件的主要技术参数。
砷化镓霍尔元件的主要技术参数
第三节、霍尔元件连接方式和输出电路
1．基本测量电路
霍尔元件的基本测量电路 如图4所示,控制电流I由电源E 供给、电位器W调节控制电 流I的大小。霍尔元件输出接 负载电阻RL． RL可以是放 大器的输入电阻或测量仪表 W 的内阻。由于霍尔元件必须 在磁场与控制电流作用下， 才会产生霍尔电势，所以在 测量中．可以把I和B的乘积、 或者I，或者B作为输人信号， 则霍尔元件的输出电势分别 正比于I或B。
这时选用一般的放大器即可满足。
低失调低漂移运放OP–07
输入失调电压UIOS 和输入失调电流IIOS 很小；
输入失调电压温漂αUIOS 和输入失调电流温漂αIIOS 很小； 精度比较高；价格不高,很受欢迎。
第四节 霍尔元件的测量误差和补偿方法
霍尔元件在实际应用时，存在多种因素影响其测 量精度，造成测量误差的主要因素优两类:
一类是半导体固有特性；一类为半导体制造工艺 的缺陷。其表现为零位误差和温度引起的误差。
1、零位误误差及补偿方法：
零位误差是霍尔元件在加控制电流或不加外磁场 时，而出现的霍尔电势称为零位误差。由制造霍尔元 件的工艺问题造成的不等位电势是主要的零位误差。 因为在工艺上难以保证霍尔元件两侧的电级焊接在同 一等电位面上．
电流方向正交，则在半导体另外两边将产生一个大小
与控制电流I和磁感应强度B乘积成正比的电势 U
rr
H
，
即UHKHIB，其中 K H为霍尔元件的灵敏度。这
一现象称为霍尔效应，该电势 U H 称为霍尔电势，半
导体薄片就是霍尔元件。
图1
二、工作原理:
霍尔效应是半导体中自由电荷受磁场中洛仑兹力 作用而产生的。
第六章 霍尔式传感器
第一节 霍尔效应和工作原理 第二节霍尔元件的主要技术参数 第三节、霍尔元件连接方式和输出电路 第四节 霍尔元件的测量误差和补偿方法 第五节 霍尔式传感器应用
霍尔式传感器简介
霍尔式传感器是利用霍尔元件基于霍尔效应原 理而将被测量，如电流、磁场、位移、压力等转换 成电动势输出的一种传感器。虽然它的转换效率较 低，温度影响大，要求转换精度较高时必须进行温 度补偿，但霍尔式传感器结构简单，体积小，坚固， 频率响应宽(从直流到微波)，动态范围(输出电势的 变化)大，无触点，使用寿命长，可靠性高，易微型 化和集成电路化，因此在测量技术、自动化技术和 信息处理等方面得到广泛的应用。
B
RL UH
E
图4基本测量电路
2．连接方式
除了霍尔元件基本电路形式之外，如果为了获得 较大的霍尔输出电势，可以采用几片叠加的连接方式、 如图5(a)所示。
图5（a）为直流供电情况。控制电流端并联，由w1、 w2调节两个元件的输出霍尔电势，A、B为输出端，则 它的输出电势为单块的两倍。
图 5(b)为交流供电情况。控制电流端串联，各元件 输出端接输出变压器B的初级绕组，变压器的次级便有 霍尔电势信号叠加值输出。
第二节、霍尔元件的主要技术参数
1．额定功耗P0
霍尔元件在环境温度T＝25c时，允许通过霍尔元 件的电流I和电压E的乘积，分最小、典型、最大三档， 单位为mw。当供给霍尔元件的电压确定后，根据额 定功耗可以知道额定控制电流I，因此有些产品则提 供额定控制电流I，不给出额定功耗P0。
2．输入电阻Ri和输出电阻Ro。
4．霍尔电势稳定系数
在一定的磁感应强度和控制电流下，温度变化1℃时， 霍尔电势变化的百分率，称为霍尔电势温度系数.
5．内阻温度系数
霍尔元件在无磁场及工作温度范围内，温度每变化1℃ 时，输入电阻与输出电阻变化的百分率称为内阻温度 系数，一般取不同温度时的平均值。
6．灵敏度系数 K H
其定义同前述，有时某些产品给出无负载时灵敏度， 在某一控制电流和一定强度磁场中，输出极开路时元件 的灵敏度。
ne
则有 RH 由此可见，要想霍尔电势强，半导体
材料的电阻率必须要高，且迁移率也要大。虽然，金 属导体的载流子迁移率很大，但其电阻率低；绝缘体 电阻率很高，但其载流于迁移率低。因此，只有半导 体材料为最佳霍尔传感器的材料。表9—1列出了一些 霍尔元件材料特性。霍尔电势除了与材料的载流子迁 移率和电阻率有关，同时还与霍尔元件的几何尺寸有 关。
由于霍尔传感器具有灵敏度高、线性度好、稳定 性高、体积小和耐高温等特性，它已广泛应用于非电 量测量、自动控制、计算机装置和现代军事技术等各 个领域。
一、霍尔效应
如图1所示的一块半导体薄片，其长度为L，宽度
为b，厚度为d，当它被置于磁感应强度为B的磁场中，
如果在它相对的两边通以控制电流I，且磁场方向与
图5霍尔元件输出叠加连接方式
3．霍尔电势的输出电路
霍尔器件是一种四端器件．本身不带放大器。霍 尔电势一般在毫伏量级，在实际使用中必须加差分放 大器。霍尔元件大体分为线性测量和开关状态两种使 用方式。
因此，输出电路如图6所示两种结构。下面以我国 科学院半导体研究所生产的GaAs霍尔元件为例，给 出两种参考电路，分别如图6(a)和(b)所示。
RH
IB d
则 R H 被定义为霍尔传感器的霍尔系数。很明显，霍
尔系数由半导体材料性质决定。它决定霍尔电势的强弱。
设：
KH
R H则有： d
rr UHKHIB
霍尔元件的灵敏度就是指在单位磁感应强度B和单位 控制电流I作用时，所能输出的霍尔电势的大小。
n 由于材料电阻率 与超流子浓度 和其迁移率
有关，即 1 则： R H
图6 霍尔元件的输出电路
当霍尔元件作线性测量时．最好选用灵敏度低一点、 不等位电势小、稳定性和线性度优良的霍尔元件。 例如，选用 KH5m V/m A.kG s，控制电流为5mA的霍 尔元件作线性测量元件，若要测量1Gs一10kGs的磁场，
则霍尔器件最低输出电势 U H m in为：
U H m i n K H I B 5 m V / m A . k G s 5 m A 1 0 3 k G s 2 5 V