1、第五講第五講 其它類型的傳感器其它類型的傳感器(二二) 電感式傳感器的定義電感式傳感器的定義: :是利用線圈的自感是利用線圈的自感或互感變化實現非電量轉換的一種裝置。或互感變化實現非電量轉換的一種裝置。 電感式傳感器的工作原理如下圖：電感式傳感器的工作原理如下圖：位移、振動、壓力、應變、流量、力、力矩、重量、密度等被測非電量電感變換元件（確定關系）電感變化量DL、DM被測電路（確定關系）可用電量U, I, f電感式傳感器一一、電感式傳感器各種電感式傳感器各種電感式傳感器非接觸式位移傳感器測厚傳感器電感粗糙度儀接近式傳感器a)氣隙型 b)截面型 c)螺管型自感式傳感器原理圖SfL, SfL2 1

2、fL 變氣隙型傳感器變截面型傳感器 線圈中放入圓形銜鐵 可變自感 螺管型傳感器。（一）、自感式傳感器（一）、自感式傳感器（1）、組成 由線圈、鐵芯及銜鐵三部分組成Dx D DRm DL 標度變換S1l1L1W23l2D1線圈；2鐵芯(定鐵芯)；3銜鐵(動鐵芯)S2 磁路總磁阻為： 002221112SSlSlRm式中： 1鐵芯材料的導磁率；2銜鐵材料的導磁率； l1磁通通過鐵芯的長度；l2磁通通過銜鐵的長度； S1鐵芯的截面積； S2銜鐵的截面積； 0空氣的導磁率； S0氣隙的截面積； 氣隙的厚度。 (5-1)mRNL2線圈中電感量：(5-2)（2 ）、工作原理通常氣隙磁阻遠大于鐵芯和銜鐵的磁

3、阻， 即 ：222001110022SlSSlS（5-3） 則式（5-2）可寫為： 002SRm（5-4） 聯立式（5-1）及式（5-4）， 可得： 20022SNRNLm（5-5） （3）、輸出特性）、輸出特性220000000000/ 22()(1/)1/NSNSLLLL D D D D200002NSL0 0LL0 L0+L L0-L22002NSNLRm量為量為特性曲線非線性特性曲線非線性/ / 1 1時，用泰勒級數展開。時，用泰勒級數展開。/ / 1 1時，可將前式用泰勒級數展開時，可將前式用泰勒級數展開, ,求出電感增量求出電感增量23000001()()LLLLDDDD 2230

4、0000001()()()LLDDDDDDD 銜鐵下移時電感的相對增量增大銜鐵下移時電感的相對增量增大銜鐵上移時電感的相對增量減小銜鐵上移時電感的相對增量減小22300000001()()()LLDDDDDDD 對上式作線性處理對上式作線性處理 定義定義變磁阻式傳感器的靈敏度為變磁阻式傳感器的靈敏度為: : / / rlr，當銜鐵工作在螺管的中部時，當銜鐵工作在螺管的中部時，可以認為線圈內磁場強度是均勻的，線圈電感量可以認為線圈內磁場強度是均勻的，線圈電感量L L與銜鐵的與銜鐵的插入深度插入深度l l大致上成正比。大致上成正比。這種傳感器結構簡單，制作容易，靈敏度較低，適用這種傳感器結構簡單，

5、制作容易，靈敏度較低，適用于測量較大的位移量。于測量較大的位移量。三種形式的差動式自感傳感器以變氣隙式電感傳三種形式的差動式自感傳感器以變氣隙式電感傳感器的應用最廣。感器的應用最廣。(a)(a)差動變氣隙差動變氣隙 (b)(b)差動螺管差動螺管差動式自感傳感器結構剖面圖差動式自感傳感器結構剖面圖 電感式傳感器的線圈并非是純電感，該電感由有功分量和無功分量兩部分組成有功分量包括：線圈線繞電阻和渦流損耗電阻及磁滯損耗電阻，這些都可折合成為有功電阻，其總電阻可用R來表示；無功分量包含：線圈的自感L, 繞線間分布電容，為簡便起見可視為集中參數，用C來表示。電感式傳感器的等效電路RCLZ(5-6) cj

6、LjRcjLjRZ)( 兩個橋臂由相同線圈組成差動形式，另外兩個為平衡電阻兩個橋臂由相同線圈組成差動形式，另外兩個為平衡電阻 等效電路等效電路1012020c0340,cRZZjL ZZjLZRj L ZZRDD為線圈銅阻142301234ACZ ZZ ZUUZZZZ 電橋的兩臂是傳感器線圈阻電橋的兩臂是傳感器線圈阻抗臂、另外兩個臂是交流變壓抗臂、另外兩個臂是交流變壓器次級線圈各占器次級線圈各占1/21/2，交流供電。，交流供電。 橋路輸出電壓為：橋路輸出電壓為：1201121222ZZUUUUZZZZZ 當銜鐵在中間位置當銜鐵在中間位置：Z1 = Z2 = Z， U0 = 0 銜鐵上下移動相

7、同距離時，輸出電壓大小相等方向相反，相差銜鐵上下移動相同距離時，輸出電壓大小相等方向相反，相差180180，要判斷銜鐵方向就是判斷信號相位，可采用相敏檢波電路，要判斷銜鐵方向就是判斷信號相位，可采用相敏檢波電路解決。該電路最大特點是輸出阻抗較小，其輸出阻抗為解決。該電路最大特點是輸出阻抗較小，其輸出阻抗為 當銜鐵偏移時，當銜鐵偏移時，Z Z1 1ZZ2 2，輸出電壓為輸出電壓為 02ULULD 當銜鐵偏向另一方向當銜鐵偏向另一方向 Z Z1 1Z0 0 在在y y、z z方向上的分量為方向上的分量為: : (P P1 1+P+P2 2+P+P3 3)y=0 (P P1 1+P+P2 2+P+P

8、3 3)z =0+ + + + +X XY Y+ + + +- - - -P P1 1P P2 2P P3 3F FX XF FX X在在x x軸的正向出現正電荷，軸的正向出現正電荷，在在y y、z z方向不出現電荷方向不出現電荷。晶體受到沿晶體受到沿x方向的拉力方向的拉力P P1 1增大，增大， P P2 2、P P3 3減小減小 (P(P1 1+P+P2 2+P+P3 3) )x0 0 0 在在x x軸的正向出現正電荷，在軸的正向出現正電荷，在y y、z z方向不出現電荷方向不出現電荷。Y+-X-P2P3P1+ + + + +FYFY晶體受到沿晶體受到沿Y方向的壓力方向的壓力與與X X方向

9、拉力相同方向拉力相同 (P (P1 1+P+P2 2+P+P3 3) )x0 0 在在x x軸的正向出現負電荷，在軸的正向出現負電荷，在y y、z z方向不出現電荷方向不出現電荷。 這種沿這種沿Y Y軸施加力，而在垂直于軸施加力，而在垂直于X X軸晶面上產生電軸晶面上產生電荷的現象即為荷的現象即為橫向壓電效應橫向壓電效應。Y Y+ + + +- - - -X XP P1 1P P2 2P P3 3Z Z軸方向受力軸方向受力: :晶體沿晶體沿x x方向和沿方向和沿y y方向所產生的正應變完全相同，所以，正、方向所產生的正應變完全相同，所以，正、負電荷中心保持重合，電偶極矩矢量和等于零。負電荷中心

10、保持重合，電偶極矩矢量和等于零。在沿在沿z( z(即光軸即光軸) )方向的力方向的力Fz Fz 作用下，晶體不產生壓電作用下，晶體不產生壓電效應。效應。11xxQdFFXFX+ + + + + +XX11dxFxQ為產生的電荷；為產生的電荷；為為x x方向受力的壓電系數；方向受力的壓電系數；為作用力。為作用力。實驗結果表明：實驗結果表明：+ + + + + FYXFYX12yyaQdFb12d為為y y方向受力的壓電系數方向受力的壓電系數yQ為產生的電荷為產生的電荷為作用力。為作用力。yFa a：厚度：厚度 b b：寬度：寬度 當晶片受到當晶片受到x x方向的壓力作用時，方向的壓力作用時，q

11、qx x只與作用只與作用力力x x成正比，而與晶片的幾何尺寸無關；成正比，而與晶片的幾何尺寸無關； 沿機械軸沿機械軸y y方向向晶片施加壓力時，產生的電方向向晶片施加壓力時，產生的電荷是與幾何尺寸有關的；荷是與幾何尺寸有關的； 石英晶體在石英晶體在Z Z軸方向受力時，沒有壓電效應；軸方向受力時，沒有壓電效應； 晶體在哪個方向上有正壓電效應，則在此方晶體在哪個方向上有正壓電效應，則在此方向上一定存在逆壓電效應；向上一定存在逆壓電效應； 無論是正或逆壓電效應，其作用力與電荷之無論是正或逆壓電效應，其作用力與電荷之間皆呈線性關系。間皆呈線性關系。6、結論：、結論：無外電場作用時無外電場作用時總極化強

12、度為零總極化強度為零外電場去掉后外電場去掉后具剩余極化強度具剩余極化強度施加外電場時施加外電場時電疇自發極化方向電疇自發極化方向與外電場一致與外電場一致自由電荷自由電荷束縛電荷束縛電荷電極電極電極電極 極化方向極化方向無外力作用時電壓表不能測出陶瓷片內的極化程度無外力作用時電壓表不能測出陶瓷片內的極化程度束縛電荷會吸附自由電荷束縛電荷會吸附自由電荷陶瓷片對外不表現極性陶瓷片對外不表現極性這種由機械效應轉變為電效應，或者由機械能轉變為這種由機械效應轉變為電效應，或者由機械能轉變為電能的現象，就是電能的現象，就是正壓電效應正壓電效應。 Fdq33d33 :壓電陶瓷壓電系數壓電陶瓷壓電系數F：作用力

13、作用力 加外力加外力 極化方向極化方向F電疇偏轉，極化強度電疇偏轉，極化強度變小，自由電荷釋放變小，自由電荷釋放 逆壓電效應：逆壓電效應：由于電效應而轉變為機械效應或者由由于電效應而轉變為機械效應或者由電能轉變為機械能的現象。電能轉變為機械能的現象。 極 化極 化方向方向電場方向電場方向指壓電材料開始喪失壓電特性的溫度）指壓電材料開始喪失壓電特性的溫度） 1 1、石英晶體、石英晶體 石英（石英（SiOSiO2 2）是一種具有良好壓電特性的壓電晶）是一種具有良好壓電特性的壓電晶體。其體。其壓電系數壓電系數的溫度穩定性的溫度穩定性相當好。相當好。 在在2020200200范圍內，溫度每升高范圍內，

14、溫度每升高11，壓電系數，壓電系數僅減少僅減少0.0160.016。但是當到。但是當到573573時，它完全失去了壓時，它完全失去了壓電特性，這就是它的電特性，這就是它的居里點居里點。 斜率：0.016/1.000.990.980.970.960.9520406080 100 120 140 160 180 200dt/d20t石英的d11系數系數相對于20的d11溫度變化特性 優點：優點： 性能非常穩定性能非常穩定，機械強度高，絕緣性能也相當好。，機械強度高，絕緣性能也相當好。 缺點：缺點： 價格昂貴價格昂貴，且，且壓電系數比壓電陶瓷低得多壓電系數比壓電陶瓷低得多。用于。用于標準儀器標準儀器

15、或要求較高的傳感器中。或要求較高的傳感器中。 切割：切割： 各向異性晶體各向異性晶體，按不同方向切割，物理性質，按不同方向切割，物理性質（如彈性、壓電效應、溫度特性等）相差很大。根（如彈性、壓電效應、溫度特性等）相差很大。根據不同使用要求正確地選擇據不同使用要求正確地選擇石英片的切型石英片的切型。 組成：組成： 天然天然和和人工培養人工培養兩種類型。因其物理和化學性質兩種類型。因其物理和化學性質幾乎沒有區別，廣泛應用成本較低的人造石英晶體。幾乎沒有區別，廣泛應用成本較低的人造石英晶體。天然形成的石英晶體外形天然形成的石英晶體外形雙面鍍銀并封裝雙面鍍銀并封裝石英晶體薄片石英晶體薄片石英晶體切片及

16、封裝 鈦酸鋇壓電陶瓷鈦酸鋇壓電陶瓷 鈦酸鋇（鈦酸鋇（BaTiO3）是由碳酸鋇（）是由碳酸鋇（BaCO3）和二）和二氧化鈦（氧化鈦（TiO2）按）按1：1比例，在高溫下合成的壓電比例，在高溫下合成的壓電陶瓷。陶瓷。 它具有較大的它具有較大的壓電系數壓電系數約為石英晶體的約為石英晶體的50倍。不倍。不足之處是居里溫度低（足之處是居里溫度低（120），溫度穩定性和機），溫度穩定性和機械強度不如石英晶體。械強度不如石英晶體。2 2、壓電陶瓷、壓電陶瓷 鋯鈦酸鉛系壓電陶瓷（鋯鈦酸鉛系壓電陶瓷（PZT） 鋯鈦酸鉛與鈦酸鋇相比，鋯鈦酸鉛與鈦酸鋇相比，壓電系數更大，居里壓電系數更大，居里溫度在溫度在30030

17、0以上以上，各項機電參數受溫度影響小，各項機電參數受溫度影響小，時間穩定性好。此外，在鋯鈦酸中添加一種或兩種時間穩定性好。此外，在鋯鈦酸中添加一種或兩種其它微量元素（如銻、錫、錳、鎢等）還可以獲得其它微量元素（如銻、錫、錳、鎢等）還可以獲得不同性能的不同性能的PZTPZT材料。因此鋯鈦酸鉛系壓電陶瓷是材料。因此鋯鈦酸鉛系壓電陶瓷是目前壓電式傳感器中目前壓電式傳感器中應用最廣泛應用最廣泛的壓電材料。的壓電材料。 壓電陶瓷外形超聲波美容儀器用壓電陶瓷晶片超聲波美容儀器用壓電陶瓷晶片醫用醫用B超換能器用晶片超換能器用晶片 由于外力作用而使壓電材料上產生電荷，該電荷只由于外力作用而使壓電材料上產生電荷

18、，該電荷只有在無泄漏的情況下才會長期保存，因此需要測量電有在無泄漏的情況下才會長期保存，因此需要測量電路具有無限大的輸入阻抗，而實際上這是不可能的。路具有無限大的輸入阻抗，而實際上這是不可能的。 所以壓電傳感器不宜作靜態測量，只能在其上加交所以壓電傳感器不宜作靜態測量，只能在其上加交變力，電荷才能不斷得到補充，可以供給測量電路變力，電荷才能不斷得到補充，可以供給測量電路定的電流，故壓電傳感器只宜作定的電流，故壓電傳感器只宜作動態動態測量。測量。在實際應用中，由于單片的輸出電荷很小，因此，組在實際應用中，由于單片的輸出電荷很小，因此，組成壓電式傳感器的晶片不止一片，常常將兩片或兩片成壓電式傳感器

19、的晶片不止一片，常常將兩片或兩片以上的晶片粘結在一起。粘結的方法有兩種，即并聯以上的晶片粘結在一起。粘結的方法有兩種，即并聯和串聯。和串聯。并聯連接并聯連接+ + + -+ + + + -qq2CC2UU 并聯接法輸出電荷大，本身電容大，并聯接法輸出電荷大，本身電容大， 時間常數大，適時間常數大，適宜用在宜用在測量低頻信號測量低頻信號并且以并且以電荷作為輸出量電荷作為輸出量的場合。的場合。串聯連接串聯連接+ + + -+ + + -+ qq 2CC UU2串聯接法輸出電壓大，本身電容小，適宜用于測量串聯接法輸出電壓大，本身電容小，適宜用于測量電電壓作輸出信號壓作輸出信號和和快變化信號快變化信號

20、的場合。的場合。 由壓電元件的工作原理可知，壓電式傳感器可以看作一由壓電元件的工作原理可知，壓電式傳感器可以看作一個電荷發生器。同時，它也是一個電容器，晶體上聚集等個電荷發生器。同時，它也是一個電容器，晶體上聚集等量的正負電荷的兩表面相當于電容的兩個極板，極板間物量的正負電荷的兩表面相當于電容的兩個極板，極板間物質等效于一種介質，則其電容量為質等效于一種介質，則其電容量為: :eACd AA壓電片的面積；壓電片的面積； dd壓電片的厚度；壓電片的厚度； 壓電材料介電常數。壓電材料介電常數。 q電極電極壓電晶體壓電晶體qCedAdACre0eCqU 靜電發生靜電發生器器電容器電容器 壓電傳感器可

21、等效為電壓源壓電傳感器可等效為電壓源Ua和一個電容器和一個電容器Ce的串聯電路，如圖的串聯電路，如圖(a)。 （a）電壓等效電路CeUq/ Ce 壓電傳感器本身的內阻抗很高壓電傳感器本身的內阻抗很高(大于大于1010歐姆），歐姆），輸出能量較小，給后續測量電路（放大電路）提出輸出能量較小，給后續測量電路（放大電路）提出很高要求。很高要求。 為了保證壓電傳感器的測量誤差較小，它的測量電為了保證壓電傳感器的測量誤差較小，它的測量電路通常需要接入一個高輸入阻抗的前置放大器，其路通常需要接入一個高輸入阻抗的前置放大器，其作用為：作用為：一是把它的高輸出阻抗變換為低輸出阻抗；一是把它的高輸出阻抗變換為低

22、輸出阻抗；二是放大傳感器輸出的微弱信號。二是放大傳感器輸出的微弱信號。 壓電傳感器的輸出可以是電壓信號，也可以是電荷壓電傳感器的輸出可以是電壓信號，也可以是電荷信號，因此前置放大器也有兩種形式：電壓放大器信號，因此前置放大器也有兩種形式：電壓放大器和電荷放大器。和電荷放大器。超小型電荷放大器模塊超小型電荷放大器模塊主要指標主要指標:靈靈 敏敏 度度：1、10、100mV/pC(任選一檔任選一檔)頻率范圍頻率范圍：0.3100kHz(上、下限可選上、下限可選)噪聲噪聲(最大靈敏度最大靈敏度)：輸出端小于：輸出端小于1mV歸歸 一一 化化：外接電阻調整：外接電阻調整線性誤差線性誤差：1%最大輸出最

23、大輸出：5V或或10V電電 源源：6V15V特特 點點：可組成經濟的多點測試系統：可組成經濟的多點測試系統四通道電荷放大器外形四通道電荷放大器外形上圖所示的四通道電荷放大器指標上圖所示的四通道電荷放大器指標靈靈 敏敏 度：度：0.11000mV/pC頻率范圍：頻率范圍：0.3100kHz噪聲噪聲(最大增益最大增益)：折合至輸入端小于：折合至輸入端小于5V準準 確確 度：度：1%最大輸出：最大輸出：10V/10mA電電 源：源：220V/50Hz控制方式：控制方式： 計算機或手動計算機或手動例：壓電式加速度傳感器例：壓電式加速度傳感器madFdq3333傳感器輸出電荷與加速度傳感器輸出電荷與加速

24、度a成正比。因此，測得加速度傳感器成正比。因此，測得加速度傳感器輸出的電荷便可知加速度的大小。輸出的電荷便可知加速度的大小。 例例 壓電式聲傳感器壓電式聲傳感器當一定頻率的聲頻信號加在換能器上時，換能器上的壓電陶當一定頻率的聲頻信號加在換能器上時，換能器上的壓電陶瓷片受到外力作用而產生壓縮變形，由于壓電陶瓷的正壓電瓷片受到外力作用而產生壓縮變形，由于壓電陶瓷的正壓電效應，壓電陶瓷上將出現充、放電現象，即將聲頻信號轉換效應，壓電陶瓷上將出現充、放電現象，即將聲頻信號轉換成了交變電信號。這時的聲傳感器就是聲頻信號接收器。成了交變電信號。這時的聲傳感器就是聲頻信號接收器。例例 壓電式傳感器在測漏中的

25、應用壓電式傳感器在測漏中的應用 如果地面下一均勻的自來水直管道某處如果地面下一均勻的自來水直管道某處OO發生漏水，水漏發生漏水，水漏引起的引起的振動振動從從O O點向管道兩端傳播，在管道上點向管道兩端傳播，在管道上A、B B兩點放兩兩點放兩只壓電傳感器，由從兩個傳感器接收到的由只壓電傳感器，由從兩個傳感器接收到的由O O點傳來的點傳來的t t0 0時刻時刻發出的振動信號所用時間差可計算出發出的振動信號所用時間差可計算出L LA A或或L LB B。當使用者將開關往里按時，壓縮一個彈簧并釋放，有一很大的力沖擊壓電陶瓷，由于壓電效應，在壓電陶瓷上產生數千伏高壓脈沖，通過電極尖端放電，產生了電火花；

26、將開關旋轉，把氣閥門打開，電火花就將燃燒氣體點燃了。燃氣點火器燃氣點火器煤氣灶電子點火裝置示意圖產品產品壓力變送器壓力變送器加速度計加速度計力傳感器力傳感器 脈搏計脈搏計三、三、 霍爾傳感器（霍爾傳感器（Hall effect sensorHall effect sensor）（1）工作原理工作原理 （2 2）主要技術參數主要技術參數（3 3）結構結構（4 4）主要特性參數主要特性參數（5 5）誤差及補償誤差及補償（6 6）應用應用1 1、霍爾元件的工作原理、霍爾元件的工作原理 半導體薄片置于磁感應強度為B 的磁場中，磁場方向垂直于薄片，當有電流I 流過薄片時，在垂直于電流和磁場的方向上將產生

27、電動勢UH，這種現象稱為霍爾效應。 （1）霍爾效應（2）UH的產生是電子受到磁場力作用的結果。（3）UH的出現阻止電子進一步積累，最終達到平 衡，稱霍爾電勢。（4）平衡時的電場稱為霍爾電場。（5）實驗結果表明，霍爾電勢UH可用下式表示：HHHIBURk IBddRKHHRH 靈敏度系數；靈敏度系數；d d為半導體片的厚度；為半導體片的厚度；I為控制電流為控制電流； B B為磁感應強度；為磁感應強度；KH為霍爾系數。為霍爾系數。（6）半導體的半導體的KH比金屬的大得多，一般采用比金屬的大得多，一般采用N型半導體。型半導體。（7）目前最常用的霍爾元件材料有鍺）目前最常用的霍爾元件材料有鍺(Ge)、

28、硅、硅(Si)、銻化銦、銻化銦(InSb)、砷化銦、砷化銦(InAs)等半導體材料。等半導體材料。（8 8）霍爾元件的電磁特性）霍爾元件的電磁特性 霍爾元件的電磁特性包括：控制電流（直流或交流）與霍霍爾元件的電磁特性包括：控制電流（直流或交流）與霍爾輸出電勢之間的關系，即爾輸出電勢之間的關系，即U UH H-I-I特性；霍爾輸出與磁場（恒定特性；霍爾輸出與磁場（恒定或交變）之間的關系，即或交變）之間的關系，即U UH H-B-B特性；元件的輸入或輸出電阻與特性；元件的輸入或輸出電阻與磁場之間的關系，即磁場之間的關系，即R-BR-B特性。特性。U UH H-I-I特性特性磁場恒定，在一定環境磁場

29、恒定，在一定環境溫度下，控制電流溫度下，控制電流I與與霍爾輸出電勢霍爾輸出電勢UH之間之間呈線性關系。呈線性關系。霍爾元件的霍爾元件的R-B特性特性U UH H-B-B特性特性 當控制電流恒定時，霍當控制電流恒定時，霍爾元件的開路霍爾輸出隨磁爾元件的開路霍爾輸出隨磁感應強度增加并不完全呈線感應強度增加并不完全呈線性關系。性關系。R-BR-B特性特性 實驗得出，霍爾元件的實驗得出，霍爾元件的內阻內阻R R隨磁場的絕對值增加而隨磁場的絕對值增加而增加，這種現象稱為磁阻效增加，這種現象稱為磁阻效應。應。3、 霍爾元件的結構霍爾元件的結構 霍爾元件常用非導磁金屬、陶瓷或環氧樹脂封裝而成；1和1 為控制

30、電極。2和2 為霍爾電極。 霍爾片是一半導體單晶薄片霍爾片是一半導體單晶薄片(4mm2mm0.1mm)，兩端面，兩端面上所焊上所焊a、b兩根引線為兩根引線為紅色紅色稱為稱為控制電極，控制電極，通控制電流通控制電流I；在它；在它的另兩側端面的中間對稱地焊有的另兩側端面的中間對稱地焊有c、d兩根霍爾電壓輸出引線，通兩根霍爾電壓輸出引線，通常為常為綠色綠色，稱為，稱為霍爾電極霍爾電極。霍爾元件的殼體是用非導磁金屬、陶。霍爾元件的殼體是用非導磁金屬、陶瓷或環氧樹脂封裝。瓷或環氧樹脂封裝。 霍爾元件的結構與其制造工藝有關。霍爾元件的結構與其制造工藝有關。 體型霍爾元件是體型霍爾元件是將半導體單晶材料定向

31、切片，研將半導體單晶材料定向切片，研磨拋光，用蒸發合金法或其它方法制作歐姆接觸電磨拋光，用蒸發合金法或其它方法制作歐姆接觸電極，焊上引線封裝。極，焊上引線封裝。薄膜霍爾元件薄膜霍爾元件則是在一片極薄則是在一片極薄的基片上用蒸發或的基片上用蒸發或外延外延的方法做成霍爾片，再制作的方法做成霍爾片，再制作歐姆接觸電極，焊引線最后封裝。相對來說，薄膜歐姆接觸電極，焊引線最后封裝。相對來說，薄膜霍爾元件的厚度比體型霍爾元件小一、二個數量級霍爾元件的厚度比體型霍爾元件小一、二個數量級，可以與放大電路一起集成在一塊很小的晶片上，可以與放大電路一起集成在一塊很小的晶片上，便于微型化。便于微型化。 在超高真空條

32、件下，將各組成元素的分子束流以一個個分子的形式噴射到襯底表面，在適當的溫度下外延沉積成膜。4、霍爾元件的主要特性參數(1) 輸入電阻和輸出電阻輸入電阻和輸出電阻 輸入電阻：控制電極間的電阻輸入電阻：控制電極間的電阻 輸出電阻：霍爾電極之間的電阻輸出電阻：霍爾電極之間的電阻(2) 額定控制電流和最大允許控制電流額定控制電流和最大允許控制電流 額定控制電流：當霍爾元件有控制電流使其本身在空氣中額定控制電流：當霍爾元件有控制電流使其本身在空氣中 產生產生10溫升時，對應的控制電流值溫升時，對應的控制電流值 最大允許控制電流：以元件允許的最大溫升限制所對最大允許控制電流：以元件允許的最大溫升限制所對

33、應應的控制電流值的控制電流值 （3）不等位電勢和不等位電阻）不等位電勢和不等位電阻 當霍爾元件的控制電流為額定值時，元件所處位置的磁感應當霍爾元件的控制電流為額定值時，元件所處位置的磁感應強度為零時，測得的空載霍強度為零時，測得的空載霍爾電勢稱不等位電勢；是由霍爾電勢稱不等位電勢；是由霍爾電極爾電極2和和2之間的電阻決定，之間的電阻決定， r 0稱不等位電阻稱不等位電阻(4) 寄生直流電勢 當沒有外加磁場，霍爾元件用交流控制電流時，霍爾電極的輸出有一個直流電勢。控制電極和霍爾電極與基片的連接是非完全歐姆接觸時，會產生整流效應。兩個霍爾電極焊點的不一致，引起兩電極溫度不同產生溫差電勢。(5) 霍

34、爾電勢溫度系數 在一定磁感應強度和控制電流下，溫度每變化1度時，霍爾電勢變化的百分率。（1）不等位電勢誤差的補償）不等位電勢誤差的補償 霍爾元件可等效為一個四臂電橋。 B=0時理想狀況下UH=0，但由于霍爾元件的某種結構（引出電極不再同一等位線上或制造霍爾片的材料不均勻）原因造成UH0，則電橋處于不平衡狀態，即四個分布電阻的阻值不等。 可采用幾種不等位電勢補償線路。5、霍爾元件誤差及補償不等位電勢的補償電路 對稱電路，當溫度變化時，補償的穩定性要好些對稱電路，當溫度變化時，補償的穩定性要好些 （2）溫度誤差及其補償）溫度誤差及其補償 溫度誤差產生原因：霍爾元件的基片是半導體材料，因而對溫度的變

35、化很敏感。其載流子濃度和載流子遷移率、電阻率和霍爾系數都是溫度的函數。霍爾片與引出電極材料性質不同，各接點溫度不同時，產生熱電勢。實際使用中，由于接觸電阻不同、材料不均勻、散熱條件不同等都可能造成霍爾元件溫度場不均勻。 溫度升高時溫度升高時KH增加，控制電流增加，控制電流I相應地減小，能保持相應地減小，能保持KHI不變，就抵消了靈敏系數值增加的影響。當霍爾元件的不變，就抵消了靈敏系數值增加的影響。當霍爾元件的輸入電阻隨溫度升高而增加時，旁路分流電阻自動地加強輸入電阻隨溫度升高而增加時，旁路分流電阻自動地加強分流，減少了霍爾元件的控制電流。分流，減少了霍爾元件的控制電流。)1 (TKKHOHD恒

36、流源溫度補償 當當霍霍爾爾元元件件選選定定后，后，它它的的輸輸入入電電阻阻 和和溫溫度度系系數數 及及霍霍爾爾電電勢勢溫溫度度系系數數 可可以以從從元元件件參參數數表表中中查查到到（ 可可以以測測量量出出來）來），用用上上式式即即可可計計算算出出分分流流電電阻阻 及及所所需需分分流流電電阻阻溫溫度度系系數數 值。值。 0 iR0 pR0 iR恒流源溫度補償恒流源溫度補償 (1)(1)按功能分按功能分: :霍爾線性器件和霍爾開關器件霍爾線性器件和霍爾開關器件。 線性器件線性器件輸出模擬量，其輸出電壓和加在霍爾元件上的磁感輸出模擬量，其輸出電壓和加在霍爾元件上的磁感強度強度B B成比例，精度高、線

37、性度好，成比例，精度高、線性度好，適用于各種磁場檢測適用于各種磁場檢測； 開關器件開關器件輸出數字量，無觸點、輸出波形清晰、無抖動、位輸出數字量，無觸點、輸出波形清晰、無抖動、位置重復精度高（可達置重復精度高（可達mm級）。級）。(2)(2)按應用分按應用分 直接應用：直接應用：直接檢測出被檢測對象本身的磁場或磁特性直接檢測出被檢測對象本身的磁場或磁特性, ,將霍將霍爾器件做成各種形式的探頭，放在被測磁場中，使磁力線和器件爾器件做成各種形式的探頭，放在被測磁場中，使磁力線和器件表面垂直，通電后即可輸出與被測磁感應強度成線性正比的電壓。表面垂直，通電后即可輸出與被測磁感應強度成線性正比的電壓。

38、間接應用：間接應用：后者是檢測被測對象上人為設置的磁場，用這個后者是檢測被測對象上人為設置的磁場，用這個磁場來作被檢測的信息的載體，通過它，將許多非電、非磁的物磁場來作被檢測的信息的載體，通過它，將許多非電、非磁的物理量例如力、力矩、壓力、應力、位置、位移、速度、加速度、理量例如力、力矩、壓力、應力、位置、位移、速度、加速度、角度、角速度、轉數、轉速以及工作狀態發生變化的時間等，轉角度、角速度、轉數、轉速以及工作狀態發生變化的時間等，轉變成電量來進行檢測和控制。變成電量來進行檢測和控制。6、霍爾式傳感器的應用霍爾集成電路霍爾集成電路 線性集成電路是將霍爾元件和恒流源、線性差動放大器等做在一個芯

39、線性集成電路是將霍爾元件和恒流源、線性差動放大器等做在一個芯片上，輸出電壓為伏級，比直接使用霍爾元件方便得多。片上，輸出電壓為伏級，比直接使用霍爾元件方便得多。 較典型的線性型霍爾器件如較典型的線性型霍爾器件如UGN3501等。霍爾線性接近傳感器主要用等。霍爾線性接近傳感器主要用于黑色金屬的厚度檢測、距離檢測、齒輪數齒、轉速檢測、測速調速、缺口于黑色金屬的厚度檢測、距離檢測、齒輪數齒、轉速檢測、測速調速、缺口傳感、張力檢測、棉條均勻檢測、電磁量檢測、角度檢測等。傳感、張力檢測、棉條均勻檢測、電磁量檢測、角度檢測等。 線性型霍爾特性線性型霍爾特性 右圖示出了具有雙端差動輸出特性的線性霍爾器件的輸

40、出特性曲線。當磁場為零時，它的輸出電壓等于零；當感受的磁場為正向（磁鋼的S極對準霍爾器件的正面）時， 輸出為正；磁場反向時，輸出為負。 線性范圍線性范圍開關型霍爾集成電路開關型霍爾集成電路 開關型霍爾集成電路是將霍爾元件、穩壓電路、放大器、施密特觸發器、OC門（集電極開路輸出門）等電路做在同一個芯片上。當外加磁場強度超過規定的工作點時，OC門由高阻態變為導通狀態，輸出變為低電平；當外加磁場強度低于釋放點時，OC門重新變為高阻態，輸出高電平。 開關型霍爾元件有單穩態和雙穩態兩種：較典型的單穩態開關型霍爾器件如UGN3019 、UGN3020等，雙穩態有UGN3030 、 UGN3075 。雙穩態特點是當外加磁場達到規定工作點時，器件導通，磁場消失后仍保持導通。只有施加反向磁場且達到規定工作點時才會到關閉狀態。 霍爾接近開關主要用于各