霍尔磁敏传感器原理与应用报告材料

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1、霍尔磁敏传感器原理与应用一 引言随着自动检测控制和信息技术的发展，对传感器的性能要求越来 越高，一方面要求尽可能精确，可靠性要求高；另一方面要求价格尽 可能廉价。霍尔传感器是一种理想器件。磁敏传感器，顾名思义就是感知磁性物体的存在或者磁性强度 （在有效范围内）这些磁性材料除永磁体外，还包括顺磁材料（铁、钴、 镍及其它们的合金）当然也可包括感知通电（直、交）线包或导线周围的 磁场。传统的磁检测中首先被采用的是电感线圈为敏感元件。特点正 是无须在线圈中通电，一般仅对运动中的永磁体或电流载体起敏感作 用。后来发展为用线圈组成振荡槽路的。如探雷器， 金属异物探测 器，测磁通的磁通计等. （磁通门，振动

2、样品磁强计）。霍尔传感器是依据霍尔效应制成的器件。霍尔效应：通电的载体在受到垂直于载体平面的外磁场作用时， 则载流子受到洛伦兹力的作用， 并有向两边聚集的倾向,由于自由电 子的聚集（一边多一边必然少）从而形成电势差， 在经过特殊工艺制 备的半导体材料这种效应更为显著。从而形成了霍尔元件。早期的霍 尔效应的材料Insb（锑化铟|）。为增强对磁场的敏感度,在材料方面半 导体IIIV元素族都有所应用。近年来，除Insb之外，有硅衬底的， 也有砷化镓的。霍尔器件由于其工作机理的原因都制成全桥路器件， 其内阻大约都在150Q500Q之间。对线性传感器工作电流大约在 210mA左右，一般采用恒流供电法。I

3、nsb与硅衬底霍尔器件典型工作电流为10mA。而砷化镓典型 工作电流为2 mA。作为低弱磁场测量，我们希望传感器自身所需的 工作电流越低越好。（因为电源周围即有磁场，就不同程度引进误差。 另外，目前的传感器对温度很敏感，通的电流大了，有一个自身加热 问题。（温升）就造成传感器的零漂。这些方面除外附补偿电路外， 在材料方面也在不断的进行改进。霍尔传感器主要有两大类，一类为开关型器件，一类为线性霍尔 器件，从结构形式（品种）及用量、产量前者大于后者。霍尔器件的 响应速度大约在1us量级。以磁场作为媒介，利用霍尔传感器可以检测多种物理量，如位移、 振动、转速、加速度、流量、电流、电功率等。它不仅可以

4、实现非接 触测量，并且采用永久磁铁产生磁场，不需附加能源。另外，霍尔传 感器尺寸小、价格便宜、应用电路简单、性能可靠，因而获得极为广 泛的应用。除了直接利用霍尔传感器外，还利用它开发出各种派生的 传感器。二 工作原理1.霍尔效应通电的导体或半导体，在垂直于电流和磁场的方向上将产生电动势的 现象。Bd霍耳效应原理图2.霍尔磁敏传感器工作原理设霍耳片的长度为I，宽度为w，厚度为d。又设电子以均匀的速度 v运动，则在垂直方向施加的磁感应强度B的作用下，它受到洛仑兹 力f = evBLe电子电量(1.62x10-19C) ; v电于运动速度。 同时，作用于电子的电场力f = eE = eV / wEH

5、H当达到动态平衡时evB = eV / wH电流密度I = jw d = 一 nevw dv = -1 / new d V =-IB / nedHV 二 IB / pedHV= R- IBHHd霍耳电势VH与I、B的乘积成正比，而与d成反比。于是可改写成:R Q-丄（N型）H enR q 丄=py（P型）H eprh 霍耳系数，由载流材料物理性质决定P材料电阻率HP载流子迁移率,M二v/E,即单位电场强度作用下载流子的平均速度。 金属材料，电子P很高但P很小，绝缘材料，P很高但P很小。故为获 得较强霍耳效应，霍耳片全部采用半导体材料制成。设 Kh=Rh /d Vh=Kh 1 BKH霍耳器件的乘

6、积灵敏度。它与载流材料的物理性质和几何尺寸 有关，表示在单位磁感应强度和单位控制电流时霍耳电势的大小。 若磁感应强度b的方向与霍耳器件的平面法线夹角为e时，霍耳电势 应为:VH= Kh I B cose注意:当控制电流的方向或磁场方向改变时，输出霍耳电势的方向也 改变。但当磁场与电流同时改变方向时，霍耳电势并不改变方向。三霍耳磁敏传感器（霍耳器件）adB0.50.2去斗(b)D R2霍耳器件片何实际结构(mm); (b)简化结构;等效电路外形尺寸:6.4X3.1X02;有效尺寸：5.4X2.7X02电霉耳电极器件电流(控制电流或输入电流):流入到器件内的电流。电流端子 A、B 相应地称为器件电

7、流端、控制电流端或输入电流端 霍耳输出端的端子c、D相应地称为霍耳端或输出端。若霍耳端子间连接负载,称为霍耳负载电阻或霍耳负载。 电流电极间的电阻，称为输入电阻，或者控制内阻。霍耳端子间的电阻，称为输出电阻或霍耳侧内部电阻。控制电流Z； 霍耳电势 控制电压仝 输出电阻览： 输入电阻纯： 霍耳负载电阻堆； 霍耳电流/护图中控制电流I由电源E供给,R为调节电阻，保证器件内所需控制电 流I。霍耳输出端接负载R3,R3可是一般电阻或放大器的输入电阻、或表头内阻等。磁场 B 垂直通过霍耳器件,在磁场与控制电流作用下，由负载上获得电压。实际使用时,器件输入信号可以是I或B,或者IB,而输出可以正比于I或

8、B, 或者正比于其乘积 IB。实际使用时,器件输入信号可以是I或B,或者IB,而输出可以正比于I或 B, 或者正比于其乘积 IB。RV = H BI = K IHd1同样，若给出控制电压V,由于V二R1I，可得控制电压和霍耳电势的 关系式RKV = h BV =V = K VH RdR 1 Vii上两式是霍耳器件中的基本公式。即：输入电流或输入电压和霍耳输出电势完全呈线性关系。如果输入电流或电压中任一项固定时，磁感应强度和输出电势之间也完全呈线性关系。1、直线性：指霍耳器件的输出电势VH分别和基本参数I、V、B之间呈线性关系。2、灵敏度：可以用乘积灵敏度或磁场灵敏度以及电流灵敏度、电势 灵敏度

9、表示：VH=KHBIKH乘积灵敏度，表示霍耳电势VH与磁感应强度B和控制电流 I乘积之间的比值，通常以mV/(mAO1T)。因为霍耳元件的输出电 压要由两个输入量的乘积来确定,故称为乘积灵敏度。若控制电流值固定，则：VH二KBBKB场灵敏度，通常以额定电流为标准。磁场灵敏度等于霍耳元件通以额定电流时每单位磁感应强度对应的霍耳电势值。常用于磁 场测量等情况。若磁场值固定，则：VH 二 KIIKI电流灵敏度，电流灵敏度等于霍耳元件在单位磁感应强度下电流对应的霍耳电势值。3、额定电流：霍耳元件的允许温升规定着一个最大控制电流。4、最大输出功率 在霍耳电极间接入负载后，元件的功率输出与负载的大小有关，

10、当霍耳电极间的内阻R2等于霍耳负载电阻R3时，霍 耳输出功率为最大。P= V 2/4 RO max H25. 最大效率霍耳器件的输出与输入功率之比，称为效率，和最大输出对应的效率，称为最大效率，即：,PV 2/4 R耳=O max=H2maxP12 Rin16、负载特性 当霍耳电极间串接有负载时，因为流过霍耳电流，在其内阻上将产生压降，故实际霍耳电势比理论值小。由于霍耳电极间内阻和磁阻效应的影响，霍耳电势和磁感应强度之间便失去了线性关系。如图所示霍耳电势随负载电阻值而改变的情况理论值实际值IV-LJ1霍耳岂势的负载特性7、温度特性：指霍耳电势或灵敏度的温度特性，以及输入阻抗和输出阻抗的温度特性

11、。它们可归结为霍耳系数和电阻率（或电导率）与温度的关系。LnSb40SO120100150500200150100200 r C16&200 T/V霍耳材料的温度特征(a) R占温度的关系；(h) 口与温度的关系Rjj/cur/X - A-1P/7XKHQ-CU1LoAsLnSb8、频率特性lr V.场恒定，而通过传感器的电流是交变的。器件的频率特性很好，到 10kHz 时交流输出还与直流情况相同。因此,霍耳器件可用于微波范围,其输出不受频率影响。Ir V.场交变。霍耳输出不仅与频率有关，而且还与器件的电导率、周围介质的磁导率及磁路参数(特别是气隙宽度)等有关。这是由于在交变磁场作用下，元件与

12、导体一样会在其内部产生涡流的缘故。总之，在交变磁场下，当频率为数十 kHz 时，可以不考虑频率对器 件输出的影响，即使在数MHz时，如果能仔细设计气隙宽度，选用 合适的元件和导磁材料，仍然可以保证器件有良好的频率特性的 五应用举例利用霍耳效应制作的霍耳器件，不仅在磁场测量方面，而且在测量技术、无线电技术、计算技术和自动化技术等领域中均得到了广泛应用利用霍耳电势与外加磁通密度成比例的特性，可借助于固定元件的 控制电流，对磁量以及其他可转换成磁量的电量、机械量和非电量等 进行测量和控制。应用这类特性制作的器具有磁通计、电流计、磁读 头、位移计、速度计、振动计、罗盘、转速计、无触点开关等。 利用霍耳

13、传感器制作的仪器优点：(1) 体积小，结构简单、坚固耐用。(2) 无可动部件，无磨损，无摩擦热，噪声小。(3) 装置性能稳定，寿命长，可靠性高。(4) 频率范围宽，从直流到微波范围均可应用。(5) 霍耳器件载流子惯性小，装置动态特性好。 霍耳器件也存在转换效率低和受温度影响大等明显缺点。但是， 由于新材料新工艺不断出现，这些缺点正逐步得到克服。1. 检测磁场 检测磁场是霍尔式传感器最典型的应用之一。将霍尔器件做成各种形 式的探头，放在被测磁场中，使磁力线和器件表面垂直，通电后即可 输出与被测磁场的磁感应强度成线性正比的电压。2. 霍尔位移传感器将霍尔元件置于磁场中，左半部磁场方向向上，右半部磁

14、场方向向下，从a端通人电流I,根据霍尔效应，左半部产生霍尔电势VH1,右半 部产生露尔电势VH2，其方向相反。因此，c、d两端电势为VH1VH2。如果霍尔元件在初始位置时VH1=VH2，则输出为零；当改变磁极系统与霍尔元件的相对位置时，即可得到输出电压，其大小 正比于位移量。3. 霍尔式压力传感器霍尔元件4. 霍尔转速传感器输入轴输入轴a)b)5. 霍尔计数装置(a)工作示意图绝缘板( b) 电路隔磁罩 缺口磁钢霍尔传感器隔磁罩 缺口磁钢当缺口对准霍尔元件时，磁通通过霍尔传感器形成闭合回路，电路导通雇尔电路输出0.4 V的低电平；当隔磁罩竖边的凸出部分挡在霍尔元件和磁体之间时，电路截止，霍尔电路输出高电平。_ +12VDiIR RIr5VVR! rQ 空 tc1i 外 IIrAdw111 I i 1DWi当霍尔传感器输出低电平时，V1截止，V2、V3导通，点火器的初Dd11I级绕组有恒定的电流通过；当霍尔传感器输出高电平时，V1导通，V2、V3 截止，点火器的初级绕组电流截止，此时储存在点火线圈中 的能量由初级绕组以高压放电的形式输出，即放电点火 六参考文献罗四维 传感器应用电路详解郁有文 传感器原理及工程应用康维新 传感器与检测技术