第七章 霍爾傳感器及應用

第7章霍爾傳感器及應用7.1霍爾效應及霍爾元件7.2集成霍爾傳感器7.3霍爾傳感器的應用

霍爾傳感器是基于霍爾效應的一種傳感器。1879年，美國物理學家霍爾首先在金屬材料中發(fā)現(xiàn)了霍爾效應，但由于金屬材料的霍爾效應太弱而沒有得到應用。隨著半導體技術的發(fā)展，開始用半導體材料制成霍爾元件，由于它的霍爾效應顯著而得到應用和發(fā)展?；魻杺鞲衅鲝V泛用于電磁量、壓力、加速度、振動等方面的測量。7.1霍爾效應及霍爾元件一、霍爾效應霍爾效應圖7-1霍爾效應UHbldIFLFEvB所以，霍爾電壓UH可表示為

UH=EHb=vBb

(7-3)設霍爾元件為N型半導體，當它通電流I時

FL=qvB

(7-1)

當電場力與洛侖茲力相等時，達到動態(tài)平衡，這時有

qEH=qvB故霍爾電場的強度為

EH=vB

（7-2）流過霍爾元件的電流為

I=Q/t=bdlnq/t=bdvnq得：

v=I/nqbd

(7-4)

所以：UH=BI/nqd

若取

RH=1/nq

則

RH為霍爾元件的霍爾系數(shù)。顯然，霍爾系數(shù)由半導體材料的性質決定，它反映材料霍爾效應的強弱。

UHbldIFLFEvB圖7-1霍爾效應設KH為霍爾元件的靈敏度，它表示一個霍爾元件在單位控制電流和單位磁感應強度時產生的霍爾電壓的大小。單位是mV/（mA·T）

材料中電子在電場作用下運動速度的大小常用載流子遷移率來表征，即在單位電場強度作用下，載流子的平均速度值。即所以而比較得或結論：①如果是P型半導體，其載流子是空穴，若空穴濃度為p，同理可得②霍爾電壓UH與材料的性質有關。③霍爾電壓UH與元件的尺寸有關。④霍爾電壓UH與控制電流及磁場強度有關。二、霍爾元件的構造及測量電路

基于霍爾效應工作的半導體器件稱為霍爾元件，霍爾元件多采用N型半導體材料?；魻栐奖?d越小)，kH就越大?；魻栐苫魻柶?、四根引線和殼體組成，如圖所示。1、構造

霍爾片是半導體單晶薄片(一般為4×2×0.1mm)，它的長度方向兩端面上焊有a、b兩根引線，通常用紅色導線，其焊接處稱為激勵（控制）電極；在它的另兩側端面的中間以點的形式對稱地焊有c、d兩根霍爾輸出引線，通常用綠色導線，其焊接處稱為霍爾電極。2、測量電路W1W2UHUH~（a）基本測量電路WUHRLE（b）直流激勵的連接方式（c）交流激勵時的連接方式三、霍爾元件的技術參數(shù)1.額定功耗P0

在環(huán)境溫度25℃時，允許通過霍爾元件的電流和電壓的乘積。2.輸入電阻Ri和輸出電阻RORi是指控制電流極之間的電阻值。R0指霍爾元件霍爾電極間的電阻。Ri、R0可以在無磁場時用歐姆表等測量。4.霍爾溫度系數(shù)α

在一定的磁感應強度和控制電流下，溫度變化1℃時，霍爾電勢變化的百分率。即：3.不平衡電勢U0

在額定控制電流I下，不加磁場時霍爾電極間的空載霍爾電勢。5.內阻溫度系數(shù)β

霍爾元件在無磁場及工作溫度范圍內，溫度每變化1℃時，輸入電阻與輸出電阻變化的百分率。即：6.靈敏度或：減小d；選好的半導體材料四、霍爾元件的測量誤差和補償1.不等位電勢補償：在無磁場時，霍爾元件通以控制電流I，兩輸出端產生的電壓為不等位電壓。主要是元件輸出極焊接不對稱、厚薄不均、輸出電極接觸不良等，可以通過橋路平衡加以補償。圖7-4不等位電勢圖7-5霍爾元件的等效電路AIU0BCDDR1R2R4ABCR3R4幾種常用補償方法BBBWACDWACD(b)WCADWCDAR2R3R4R1BBWDAR2R3R4R1C（a）（b）（c）WCDAR2R3R4R1B2.溫度誤差及補償(1)利用輸入回路串聯(lián)電阻進行補償（a）基本電路（b）等效電路

EIUHRRo(t)RIUHERi(t)元件霍爾系數(shù)和輸入內阻與溫度之間的關系式為：則霍爾電壓隨溫度變化的關系式為：由圖b可知：

對上式求溫度的導數(shù)，可得增量表達式：即：由上式可看出，要使溫度變化時霍爾電壓不變，必須使

當元件的α、β及內阻Ri0確定后，溫度補償電阻R便可求出。在實際應用中，當霍爾元件選定后，其α、β值可以從元件參數(shù)表中查出，而元件內阻Ri0則可由測量得到。（2）利用輸出回路的負載進行補償

（a）基本電路（b）等效電路

UHIIRLULtRi(t)Ro(t)RLIUHtI

霍爾元件的輸入采用恒流源，使控制電流Ｉ穩(wěn)定不變。即，可以不考慮輸入回路的溫度影響。

在溫度影響下，元件輸出電阻和電勢變?yōu)椋捍藭r，RL上的電壓為負載電阻RL上電壓隨溫度變化最小的極值條件為根據

當負載電阻比霍爾元件輸出電阻大得多時，輸出電阻變化對霍爾電壓輸出的影響很小。在這種情況下，只考慮在輸入端進行補償即可。若采用恒流源，輸入電阻隨溫度變化而引起的控制電流的變化極小，從而減少了輸入端的溫度影響。（3）利用恒流源進行補償

對于溫度系數(shù)大的半導體材料常使用。霍爾輸出隨溫度升高而下降，只要能使控制電流隨溫度升高而上升，就能進行補償。例如在輸入回路串入熱敏電阻，當溫度上升時其阻值下降，從而使控制電流上升。（4）利用熱敏電阻進行補償（a）輸入回路補償RRt（b）輸出回路補償

或在輸出回路進行補償。負載RL上的霍爾電勢隨溫度上升而下降的量被熱敏電阻阻值減小所補償。實際使用時，熱敏電阻最好與霍爾元件封在一起或靠近，使它們溫度變化一致。RRLRt（5）利用補償電橋進行補償

調節(jié)電位器W1可以消除不等位電勢。電橋由溫度系數(shù)低的電阻構成，在某一橋臂電阻上并聯(lián)一熱敏電阻。溫度變化時，熱敏電阻將隨溫度變化而變化，電橋的輸出電壓相應變化，仔細調節(jié)，即可補償霍爾電勢的變化，使其輸出電壓與溫度基本無關。w1w2E1w3R2R3R4R1E2RtUHt7.2集成霍爾元件

霍爾電壓UH正比于控制電流和磁感應強度。在實際應用中，總是希望獲得較大的霍爾電壓。通過霍爾元件的最大允許控制電流為：霍爾元件在最大允許溫升下的最大開路霍爾電壓：霍爾元件的組成：由霍爾片、四根引線和殼體組成，如下圖示。集成霍爾元件：

集成霍爾傳感器是利用硅集成電路工藝將霍爾元件和測量線路集成在一起的一種傳感器。它取消了傳感器和測量電路之間的界限，實現(xiàn)了材料、元件、電路三位一體。集成霍爾傳感器與分立器件相比，由于減少了焊點，因此顯著地提高了可靠性。此外，它具有體積小、重量輕、功耗低等優(yōu)點，正越來越受到重視。一、開關型集成霍爾傳感器開關型集成霍爾傳感器是把霍爾元件的輸出經過處理后輸出一個高電平或低電平的數(shù)字信號。霍爾開關電路又稱霍爾數(shù)字電路，由穩(wěn)壓器、霍爾片、差分放大器，斯密特觸發(fā)器和輸出級組成。較典型的開關型霍爾器件如UGN3020等。雙入單出運放當外加磁場強度超過規(guī)定的工作點時，輸出級由高阻態(tài)變?yōu)閷顟B(tài)，輸出變?yōu)榈碗娖?；當外加磁場強度低于釋放點時，輸出級重新變?yōu)楦咦钁B(tài)，輸出高電平。開關型霍爾集成電路的史密特輸出特性

回差越大，抗振動干擾能力就越強。

當磁鐵從遠到近地接近霍爾IC，到多少特斯拉時輸出翻轉？當磁鐵從近到遠地遠離霍爾IC，到多少特斯拉時輸出再次翻轉？回差為多少特斯拉？二、線性集成霍爾傳感器線性集成霍爾傳感器是把霍爾元件與放大線路集成在一起的傳感器。其輸出信號與磁感應強度成比例。通常由霍爾元件、差分放大、差動輸出電路及穩(wěn)壓源四部分組成，它的電路比較簡單，用于精度要求不高的一些場合。線性型三端霍爾集成電路二、線性集成霍爾傳感器

單端輸出的傳感器是一個三端器件，它的輸出電壓對外加磁場的微小變化能做出線性響應，通常將輸出電壓用電容交連到外接放大器，將輸出電壓放大到較高的電平。其典型產品是SL3501T。單端輸出傳感器的電路結構框圖23輸出+－穩(wěn)壓VCC1霍耳元件放大地H線性型霍爾特性請畫出線性范圍

右圖示出了具有雙端差動輸出特性的線性霍爾器件的輸出特性曲線。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。三、差動霍爾電路(雙霍爾電路)

它的霍爾電壓發(fā)生器由一對相距2.5mm的霍爾元件組成，使用時在電路背面放置一塊永久磁體，當用鐵磁材料制成的齒輪從電路附近轉過時，一對霍爾片上產生的霍爾電壓相位相反，經差分放大后，使器件靈敏度大為提高。一、霍爾式傳感器的典型應用7.3霍爾傳感器的應用利用霍爾效應制作的霍爾器件，不僅在磁場測量方面，而且在測量技術、無線電技術、計算技術和自動化技術等領域中均得到了廣泛應用。利用霍爾電勢與外加磁通密度成比例的特性，可借助于固定元件的控制電流，對磁量以及其他可轉換成磁量的電量、機械量和非電量等進行測量和控制。應用這類特性制作的器具有磁通計、電流計、磁讀頭、位移計、速度計、振動計、羅盤、轉速計、無觸點開關等。利用霍爾傳感器制作的儀器優(yōu)點：(1)體積小，結構簡單、堅固耐用。(2)無可動部件，無磨損，無摩擦熱，噪聲小。(3)裝置性能穩(wěn)定，壽命長，可靠性高。(4)頻率范圍寬，從直流到微波范圍均可應用。(5)霍爾器件載流子慣性小，裝置動態(tài)特性好?；魻柶骷泊嬖谵D換效率低和受溫度影響大等明顯缺點。但是，由于新材料新工藝不斷出現(xiàn)，這些缺點正逐步得到克服。

霍爾電勢是關于I、B、KH三個變量的函數(shù)，即EH=KHIBcos

。利用這個關系可以使其中兩個量不變，將第三個量作為變量，或者固定其中一個量，其余兩個量都作為變量。這使得霍爾傳感器有許多用途?；魻杺鞲衅髦饕糜跍y量能夠轉換為磁場變化的其他物理量。例1檢測磁場

檢測磁場是霍爾式傳感器最典型的應用之一。將霍爾器件做成各種形式的探頭，放在被測磁場中，使磁力線和器件表面垂直，通電后即可輸出與被測磁場的磁感應強度成線性正比的電壓。測量鐵心氣隙的B值霍爾元件例2霍爾位移傳感器

將霍爾元件置于磁場中，左半部磁場方向向上，右半部磁場方向向下，從a端通人電流I，根據霍爾效應，左半部產生霍爾電勢VH1，右半部產生露爾電勢VH2，其方向相反。因此，c、d兩端電勢為VH1—VH2。如果霍爾元件在初始位置時VH1=VH2，則輸出為零；當改變磁極系統(tǒng)與霍爾元件的相對位置時，即可得到輸出電壓，其大小正比于位移量。例3霍爾式壓力傳感器圖8-30霍爾壓力傳感器結構原理圖霍爾元件磁鋼壓力P波登管NSSN霍爾式壓力傳感器由兩部分組成，一部分是彈性敏感元件的膜盒用以感受壓力P，并將P轉換為彈性元件的位移量x，即x=KpP，其中系數(shù)Kp為常數(shù)。另一部分是霍爾元件和磁系統(tǒng)，磁系統(tǒng)形成一個均勻梯度磁場，在其工作范圍內，B=x，其中斜率為常數(shù)；霍爾元件固定在彈性元件上，因此霍爾元件在均勻梯度磁場中的位移也是x?；魻栯妱菖c被測壓力P之間的關系就可表示為式中K為霍爾式壓力傳感器的輸出靈敏度?；魻栐配搲毫波登管SNSNSN線性霍爾磁鐵例4霍爾轉速傳感器1

在被測轉速的轉軸上安裝一個齒盤，也可選取機械系統(tǒng)中的一個齒輪，將線性型霍爾器件及磁路系統(tǒng)靠近齒盤。齒盤的轉動使磁路的磁阻隨氣隙的改變而周期性地變化，霍爾器件輸出的微小脈沖信號經隔直、放大、整形后可以確定被測物的轉速?；魻栟D速表原理

當齒對準霍爾元件時，磁力線集中穿過霍爾元件，可產生較大的霍爾電動勢，放大、整形后輸出高電平；反之，當齒輪的空擋對準霍爾元件時，輸出為低電平。例4霍爾轉速傳感器2圖8-31霍爾轉速傳感器結構輸入軸輸入軸霍爾傳感器（a）（b）圖8-32a霍爾計數(shù)裝置例5霍爾計數(shù)裝置1例5霍爾計數(shù)裝置2圖8-32b霍爾計數(shù)裝置及電路(a)工作示意圖霍爾開關傳感器絕緣板磁鐵NS(b)電路圖+12VSL3051ASVT+VCR5RLR4R3R1R2計數(shù)器當鋼球通過霍爾開關傳感器時，傳感器可輸出毫伏脈沖電壓，該電壓經運算放大器A放大后，驅動三極管VT工作，VT輸出端便可接計數(shù)器進行計數(shù)，并由顯示器顯示檢測數(shù)值。+12VSL3051ASVT+VCR5RLR4R3R1R2計數(shù)器例6汽車霍爾電子點火器霍爾傳感器隔磁罩磁鋼缺口霍爾傳感器隔磁罩磁鋼缺口

當缺口對準霍爾元件時，磁通通過霍爾傳感器形成閉合回路，電路導通，霍爾電路輸出≤0.4V的低電平；當隔磁罩豎邊的凸出部分擋在霍爾元件和磁體之間時，電路截止，霍爾電路輸出高電平。

圖8-34霍爾計數(shù)裝置及電路R6DW1R7V1+12VCR5D1R4R3R1R2磁鋼R8D2DW2HV2V3

當霍爾傳感器輸出低電平時，V1截止，V2、V3導通，點火器的初級繞組有恒定的電流通過；當霍爾傳感器輸出高電平時，V1導通，V2、V3

截止，點火器的初級繞組電流截止，此時儲存在點火線圈中的能量由初級繞組以高壓放電的形式輸出，即放電點火。帶有微型磁鐵的霍爾傳感器例7：霍爾轉速傳感器在汽車防抱死裝置ABS中的應用若汽車在剎車時車輪被抱死，將產生危險。用霍爾轉速傳感器來檢測車輪的轉動狀態(tài)有助于控制剎車力的大小和防止側偏?；魻栟D速表的其他安裝方法

只要黑色金屬旋轉體的表面存在缺口或突起，就可產生磁場強度的脈動，從而引起霍爾電勢的變化，產生轉速信號?；魻栐盆F例8：霍爾式接近開關

當磁鐵的有效磁極接近、并達到動作距離時，霍爾式接近開關動作?；魻柦咏_關一般還配一塊釹鐵硼磁鐵?；魻柺浇咏_關

用霍爾IC只能用于鐵磁材料的檢測，并且還需要建立一個較強的閉合磁場。

當磁鐵隨運動部件移動到距霍爾接近開關幾毫米時，霍爾IC的輸出由高電平變?yōu)榈碗娖?，使繼電器吸合或釋放，控制運動部件停止移動（否則將撞壞霍爾IC），起限位的作用。

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