第九章磁敏传感器.

9.1霍尔传感器9.2磁敏电阻9.3结型磁敏管第9章磁敏传感器磁场电信号9.1霍尔传感器磁场电压UH9.1.1霍尔效应当把一块金属或半导体簿片垂直放在磁感应强度为B的磁场中，沿着垂直于磁场的方向通以电流I，就会在薄片的另一对侧面间产生电动势UH，如图9-1所示。这种现象称为霍尔效应，所产生的电动势称为霍尔电动势，这种薄片（一般为半导体）称为霍尔片或霍尔元件。图9-1霍尔效应原理图9.1霍尔传感器在磁场B中运动的电子将受到Lorentz力fLfL=evB(9-1)偏转,建立的霍尔电场EH对随后的运动电子施加一电场力fEfE=eEH=eUH/b(9-2)平衡时，fL=fE，即evB=eUH/b(9-3)由于电流密度J=-nev(v为电子运动速度)，则电流强度为I=-nevbd(9-4)所以(9-5)式中，d—霍尔片度；n—电子浓度；RH=1/ne—霍尔系数；KH=RH/d=1/ned—霍尔灵敏度。IBKdIBRnedIBUHHH9.1霍尔传感器从式(9-3)知，霍尔电压UH与载流子的运动速度v有关，即与载流子的迁移率有关。由于=v/El(El为电流方向上的电场强度)，材料的电阻=1/ne，所以霍尔系数RH与载流体材料的电阻率和载流子的迁移率的关系为RH=（9-6）金属导体：大，但小（n大）；绝缘体：大（n小），但小；它们都不宜作霍尔元件(RH太小)。半导体：、适中—适宜作霍尔元件。9.1霍尔传感器霍尔电压UH还与元件的几何尺寸有关：KH=1/ned厚度d越小越好，一般d=0.01mm；宽度b加大，或长宽比（l/b）减小时，将会使UH下降，应加以修正式中，f(l/b)—形状效应系数，如表9-2所示。一般取l/b=2~2.5，则f(l/b)1，就足够了。blfdIBRUHH9.1霍尔传感器图9-1霍尔元件示意图a)原理图；b)结构图；c)图形符号；d)外形图9.1霍尔传感器9.1.2霍尔元件主要技术参数1.输入电阻Ri和输出电阻RoRiRo，Ri、Ro=100~2000。2.额定控制电流Ic—使霍尔元件在空气中产生10C温升的控制电流Ic=(几~几十)mA。3.不等位电势U0和不等为电阻R0霍尔元件在额定控制电流作用下，不加外磁场时其霍尔电极间的电势为不等位电势U0，主要是由于两电极不在同一等位面上以及材料电阻率不均匀等因素引起的，一般U010mV。等效为不等为电阻R0=U0/Ic。4.灵敏度KH在单位磁感强度下，通以单位控制电流时所产生的开路霍尔电压（mV/mA·T或mV/mA·kGs）。9.1霍尔传感器5.寄生直流电势UoD在不加外磁场时，交流控制电流通过霍尔元件而在霍尔电极间产生的直流电势为寄生直流电势UoD。它主要是由于电极与霍尔片间的非完全欧姆接触所产生的整流效应造成的。6.霍尔电势温度系数为温度变化1C时，霍尔电势变化的百分率（%/C）。7.电阻温度系数为温度变化1C时，霍尔元件电阻变化的百分（%/C）8.灵敏度温度系数为温度变化1C时，霍尔元件灵敏度的变化率。9.线性度表9-3列出几种霍尔元件的主要技术性能。9.1霍尔传感器9.1.3基本误差及其补偿9.1.3.1温度误差及其补偿温度变化，导致霍尔元件内阻（Ri、Ro)和霍尔灵敏度（KH）等变化，给测量带来一定误差，即温度误差。为了减温度误差，需采取温度补偿措施。9.1霍尔传感器1.采用恒流源供电和输入回路并联电阻温度变化引起霍尔元件输入电阻Ri变化，在稳压源供电时，使控制电流变化，带来误差。为了减小这种误差，最好采用恒流源(稳定度0.1%)提供控制电流。但灵敏度系数KH也是温度的函数，因此采用恒流源后仍有温度误差。为了进一步提高UH的温度稳定性，对于具有正温度系数的霍尔元件，可在其输入回路并联电阻R，如图9-2所示。图9-2恒流源及输入并联电阻温度补偿电路9.1霍尔传感器由补偿电路图知，在温度t0和t时RRIRIic00/(9-8))(RRIRIitct(9-9)001ttKKHHt(9-10)001ttRRiit(9-11)当温度影响完全补偿时，UH0=UHt，则BIKBIKctHt0c0H(9-12)将式(9-8)~式(9-11)代入式(9-12)，可得RRttRRRttiii0000010iRR0iRR(9-13,14)9.1霍尔传感器2．选取合适的负载电阻RL霍尔元件的输出电阻R。和霍尔电势都是温度的函数(设为正温度系数)，霍尔元件应用时，其输出总要接负载RL(如电压表内阻或放大器的输入阻抗等)。当工作温度改变时，输出电阻R。的变化必然会引起负载上输出电势的变化。RL上的电压为000011ttRRttURRRRUUOLHLLOtLHtL1RR0OL式中，Ro0—温度为t0时霍尔元件的输出电阻。要使负载电压UL不随温度变化，即00ttd/dUL9.1霍尔传感器3.采用恒压源和输入回路串联电阻当霍尔元件采用稳压源供电，且霍尔输出开路状态下工作时，可在输入回路中串人适当电阻来补偿温度误差，其分析过程与结果同式(9-14)。9.1霍尔传感器4．采用温度补偿元件这是一种常用的温度误差补偿方法，尤其适用于锑化铟材料的霍尔元件。图9-3示出了采用热敏元件进行温度补偿的几种不同连接方式的例子。图中ri为激励源内阻r(t)、R(t)为热敏元件如热电阻或热敏电阻。通过对电路的简单计算便可求得有关的R(t)和r(t)的阻值。图9—3采用热敏元件的温度误差补偿电路(a)、(b)、(c)为电压源激励；(d)为电流源激励9.1霍尔传感器9.1.3.2零位误差及其补偿霍尔元件的零位误差主要有不等位电势Uo和寄生直流电势UoD等。不等位电势Uo如图9-4(a)所示。霍尔元件可等效为一个四臂电桥，如图9-4(b)所示。除了工艺上采取措施降低Uo外，还需采用补偿电路加以补偿。如图9-4(c)所示。改变工作电流方向，取其霍尔电势平均值，或采用交流供电亦可以。图9-4不等位电势补偿电路(a)不等位电路；(b)等效电路；(c)补偿电路9.1霍尔传感器9.1.4霍尔元件的应用电路1.基本应用电路图9-5所示为霍尔元件的基本应用电路。由于霍尔元件必须在磁场B与控制电流Ic作用下才会产生霍尔电势UH，所以在实际应用中，可以把Ic和B的乘积、或者Ic、或者B作为输入信号，则霍尔元件的输出电势分别正比于IcB或Ic或B。通过霍尔元件的电流Ic为则HBAcRRREIcHcBAIRIERR9-5霍尔元件基本应用电路9.1霍尔传感器图9-6为霍尔元件的几种偏置电路：(a)是无外接偏置电阻的电路。适用于RH较大的霍尔元件(b)是在电源正端与霍尔片之间串接偏置电阻R的电路。适用RH较小的霍尔元件；(c)是在电源负端与霍尔片之间串接电阻R的电路。适用于RH较小元件。图9-6霍尔元件偏置电路9.1霍尔传感器2．霍尔元件的驱动方式霍尔元件的控制电流可以采用恒流驱动或恒压驱动，如图9-7所示。图9-7霍尔元件的驱动方式(a)恒流驱动；(b)恒压驱动9.1霍尔传感器3．霍尔元件的连接方式为了获得较大的霍尔输出电势，可以采用几片霍尔元件叠加的连接方式。如图9-8(a)所示，直流供电，输出电势UH为单片的两倍。图9-8(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的初级绕阻，变压器的次级便有霍尔电势信号叠加值输出。图9-8霍尔元件叠加连接方式(a)直流供电；(b)交流供电9.1霍尔传感器图9-9GaAs霍尔元件的输出电路(a)线性应用；(b)开关应用4．霍尔电势的输出电路霍尔元件是一种四端器件，本身不带放大器。霍尔电势一般在毫伏数量级，在实际使用时，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，输出电路有两种结构，如图9-9所示。9.1霍尔传感器如果霍尔电压信号仅为交流输出时，可采用图9-10所示差动放大电路，用电容隔掉直流信号即可。图9-10交流霍尔电压放大电路9.1.5集成霍尔器件将霍尔元件及其放大电路、温度补偿电路和稳压电源等集成在一个芯片上构成独立器件—集成霍尔器件，不仅尺寸紧凑便于使用，而且有利于减小误差，改善稳定性。根据功能的不同，集成霍尔器件分为霍尔线性集成器件和霍尔开关集成器件两类。9.1霍尔传感器9.1.5集成霍尔器件9.1霍尔传感器图9-02线性集成霍尔器件输出特性(a)(b)图9-01线性集成霍尔器件(a)外形尺寸；(b)内部电路框图9.1.5集成霍尔器件9.1霍尔传感器(a)(b)图9-03开关型集成霍尔器件(a)外形尺寸；(b)内部电路框图图9-04开关型线性集成霍尔器件的施密特输出特性9.1.5集成霍尔器件9.1霍尔传感器(a)(b)图9-05差动输出线性集成霍尔器件(a)外形；(b)内部电路框图图9-06差动输出线性集成霍尔器件输出特性9.1霍尔传感器1．霍尔线性集成器件霍尔线性集成器件的输出电压与外加磁场强度在一定范围内呈线性关系，它有单端输出和双端输出(差动输出)两种电路。其内部结构如图9-11所示。图9-11霍尔线性集成器件(a)单端输出(UGN3501T)；(b)差动输出(UGN3501M)9.1霍尔传感器UGN3501T的电源电压与相对灵敏度的特性如图9-12所示，由图可知Ucc高时，输出灵敏度高。UGN3501T的温度与相对灵敏度的特性如图9-13所示，随着温度的升高，其灵敏度下降。因此，若要提高测量精度，需在电路中增加温度补偿环节。图9-12Ucc与相对灵敏度关系图9-13温度与相对灵敏度关系9.1霍尔传感器UGN3501T的磁场强度与输出电压特性如图9-14所示，由图可见，在0.15T磁场强度范围内，有较好的线性度，超出此范围时呈饱和状态。UGN3501的空气间隙与输出电压特性如图9-15所示，由图可见，输出电压与空气间隙并不是线性关系。图9-14磁场强度与输出电压关系图9-15空气间隙与输出电压关系9.1霍尔传感器UGN3501M为差动输出，输出与磁场强度成线性。UGN3501M的1、8两脚输出与磁场的方向有关，当磁场的方向相反时，其输出的极性也相反，如图9-16所示。图9-16UGN3501M的输出与磁场方向关系9.1霍尔传感器UGN3501M的5、6、7脚接一调整电位器时，可以补偿不等位电势，并且可改善线性，但灵敏度有所下降。若允许一定的不等位电势输出，则可不接电位器。输出特性如图9-17所示。图9-17UGN3501M输出与磁场强度关系路9.1霍尔传感器若以UGN3501M的中心为原点，磁钢与UGN3501M的顶面之间距离为D，则其移动的距离与输出的差动电压如图9-18所示，由图可以看出，在空气间隙为零时，每移动0.01英寸(0.254mm)输出为3mV，即相当11.8mV/mm，当采用高能磁钢(如钐钴磁钢或钕铁硼磁钢)，每移动1mm时，能输出30mV，并且在一定距离内呈线性。图9-18移动距离与输出关系9.1霍尔传感器2．霍尔开关集成器件常用的霍尔开关集成器件有UGN3000系列，其外形与UGN3501T相同。+图9-19霍尔开关集成器件(a)内部结构框图；（b）工作特性；（c）工作电路；（d）锁定型器件工作特性9.1霍尔传感器9.1.6霍尔传感器的应用1．位移测量图9-20霍尔位移测量（a）结构；（b）输出特性9.1霍尔传感器2．力(压力)测量如图9-21所示，当力F作用在悬臂梁上时，梁将发生变形，霍尔器件将有与力成正比的电压输出，通过测试电压即可测出力的大小。力与电压输出有一些非线性时，可采用电路或单片机软件来补偿。图9-21霍尔力传感器9.1霍尔传感器3．角度测量如图9-22(a)所示，将霍尔器件置于永久磁铁的磁场中，其输出霍尔电势UH为cosIBKUHH图9-22霍尔角度检测9.1霍尔传感器4．霍尔加速度传感器霍尔加速度传感器的结构原