霍耳传感器及其它磁传感器

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1、第6章霍耳传感器及其它磁传感器6.1霍耳传感器工作原理6.2霍耳传感器6.3其它磁传感器6.4霍耳传感器及其它磁传感器应用实例6.5实训6.1霍耳传感器工作原理6.1霍耳传感器工作原理6.1.1霍耳效应在置于磁场中的导体或半导体内通入电流，若电流与磁场垂直，则在与磁场和电流都垂直的方向上会出现一个电势差，这种现象称为霍耳效应。如图6-1所示，长、寛、高分别为L、W、H的N型半导体薄片的相对两侧a、b通以控制电流，在薄片垂直方向加以磁场B。在图示方向磁场的作用下，电子将受到一个由c側指向d側方向力

2、的作用，这个力就是洛仑兹力，大小为：图6-1霍耳效应与霍耳元件（a）霍耳效应（b）霍耳元件结构（c）图形符号（d）外形FL=qvBc、d两端面因电荷积累而建立了一个电场EH，称为霍尔电场。该电场对电子的作用力与洛仑兹力的方向相反，即阻止电荷的继续积累。当电场力与洛仑兹力相等时，达到动态平衡。这时有：qEH=qvB霍耳电场的强度为：EH=vB在c与d两側面间建立的电势差称为霍耳电压：UH=EHW或UH=vBW当材料中的电子浓度为n时，，电子速度为：得：设：得霍耳电压：设：得：式中RH为霍耳系数，它

3、反映材料霍耳效应的强弱;KH为霍耳灵敏度，它表示一个霍耳元件在单位控制电流和单位磁感应强度时产生的霍耳电压的大小。可以看出：（1）霍耳电压UH大小与材料的性质有关。（2）霍耳电压UH大小与元件的尺寸有关。（3）霍耳电压UH大小与控制电流及磁场强度有关。6.1.2霍耳元件的主要技术参数利用霍耳效应制成的磁电转换元件称为霍耳元件也叫霍耳传感器。霍耳元件由霍耳片、引线和壳体组成,如图6-1-1(a)所示。霍耳片是矩形半导体单晶薄片，引出四个引线。1、1′两根引线加激励电流，称为激励电极；2、2′引线为

4、霍耳电压输出引线，称为霍耳电极。霍耳元件壳体由非导磁金属、陶瓷或环氧树脂封装而成。图6-1-1霍耳元件在电路中霍耳元件可用两种符号表示，如图6-1-1(b)所示。霍耳元件主要技术参数为：1.输入电阻RIN和输出电阻ROUT；2.额定控制电流IC；3.不等位电势U0，即未加磁场时的输出电压，一般小于1mV；4.霍耳电压UH；5.霍耳电压的温度特性。6.2霍耳传感器6.2霍耳传感器6.2.1霍耳开关集成传感器霍耳开关集成传感器是利用霍耳效应与集成电路技术制成的一种磁敏传感器，它能感知一切与磁信息有关

5、的物理量，并以开关信号形式输出。图6-2所示为内部组成框图。当有磁场作用在霍耳开关集成传感器上时，霍耳元件输出霍耳电压UH，一次磁场强度变化，使传感器完成一次开关动作。图6-2霍耳开关集成传感器内部框图霍耳开关集成传感器具有使用寿命长，无触点磨损，无火花干扰，无转换抖动，工作频率高，温度特性好，能适应恶劣环境等优点。常见霍耳开关集成传感器型号有UGN-3020,UGN-3030,UGN-3075。霍耳开关集成传感器常用于：点火系统、保安系统、转速测量、里程测量、机械设备限位开关、按钮开关、电流的

6、测量和控制、位置及角度的检测，等等。6.2.2霍耳线性集成传感器霍耳线性集成传感器的输出电压与外加磁场强度呈线性比例关系。这类传感器一般由霍耳元件和放大器组成，当外加磁场时，霍耳元件产生与磁场成线性比例变化的霍耳电压，经放大器放大后输出。霍耳线性集成传感器有单端输出型和双端输出型两种，典型产品分别为SL3501T和SL3501M两种。如图6-3和图6-4所示。霍耳线性集成传感器常用于：位置、力、重量、厚度、速度、磁场、电流等的测量和控制。图6-3单端输出型传感器的电路结构图6-4双端输出型传感器

7、的电路结构6.3其它磁传感器6.3其它磁传感器6.3.1磁阻元件当霍耳元件受到与电流方向垂直的磁场作用时，不仅会出现霍耳效应，而且还会出现半导体电阻率增大的现象，这种现象称为磁阻效应。利用磁阻效应做成的电路元件，叫做磁阻元件。1.基本工作原理在没有外加磁场时，磁阻元件的电流密度矢量，如图5-5(a)所示。当磁场垂直作用在磁阻元件表面上时，由于霍耳效应，使得电流密度矢量偏移电场方向某个霍耳角θ，如图5-5(b)所示。6-5(a)在无磁场时5-5(b)有磁场作用时图5-5磁阻元件工作原理示意图这使电

8、流流通的途径变长，导致元件两端金属电极间的电阻值增大。2.磁阻元件的基本特性1）B-R特性磁阻元件的B-R特性，用无磁场时的电阻R0和磁感应强度为B时的电阻RB来表示。2）灵敏度K磁阻元件的灵敏度K，可由下式表示，即K=R3/R0一般来说，磁阻元件的灵敏度K≥2.7。3）温度系数磁阻元件的温度系数约为‐2%/℃，是比较大的。可以采用两个磁敏元件串联起来，采用分压输出，可以大大改善元件的温度特性。3.磁阻元件的应用磁阻元件阻抗低、阻值随磁场变化率大、可以非接触式测量、频率响应好、动态范围广及噪声小