霍爾效應(yīng)傳感器基本組成及原理

霍爾效應(yīng)傳感器基本組成及原理第一頁，共十八頁，編輯于2023年，星期五霍爾效應(yīng)傳感器基本組成及原理

霍爾效應(yīng)傳感器是基于霍爾效應(yīng)：當(dāng)一塊導(dǎo)電的平面與磁力線垂直地放置在磁場中，將在平面上產(chǎn)生一個(gè)與電流方向和磁場方向都垂直的電場。如圖1，當(dāng)電流流過一個(gè)半導(dǎo)體平面（霍爾單元），與電流平行的兩個(gè)端面引出兩條導(dǎo)線作為輸出信號(hào)端，此時(shí)，沒有磁場施加在半導(dǎo)體平面，輸出端的電壓為零。深圳市銘之光電子技術(shù)有限公司傳感器專家網(wǎng)

第二頁，共十八頁，編輯于2023年，星期五第三頁，共十八頁，編輯于2023年，星期五如果與半導(dǎo)體平面垂直的方向加一個(gè)磁場，如圖2，此時(shí)，有勞倫茨力施加在電流上，使電流分布變形，同時(shí)在輸出端形成了電位差。這個(gè)電位差就稱為霍爾電壓，它的大小與流過的電流I及穿過的磁場強(qiáng)度成正比。深圳市銘之光電子技術(shù)有限公司傳感器專家網(wǎng)第四頁，共十八頁，編輯于2023年，星期五第五頁，共十八頁，編輯于2023年，星期五霍爾電壓與電流I和磁場強(qiáng)度B的乘積成正比，對(duì)于最常用的硅半導(dǎo)體材料，此比例系數(shù)是7uV/Vs/Gauss，其中,Vs是生成電流I的電壓。從此系數(shù)可以看出，生成的霍爾電壓是非常小的，實(shí)際應(yīng)用中，需要放大器對(duì)此信號(hào)進(jìn)行放大。

硅半導(dǎo)體材料也有壓電效應(yīng)，當(dāng)有機(jī)械變形時(shí)，會(huì)引起其電阻值的變化，這樣，當(dāng)有應(yīng)力引起硅變形時(shí)，必將影響霍爾傳感器的效果，實(shí)際應(yīng)用中，通常使用多個(gè)霍爾單元，來減小機(jī)械變形的影響，如使用兩個(gè)或四個(gè)霍爾單元，第六頁，共十八頁，編輯于2023年，星期五

霍爾單元只是個(gè)基本的磁傳感器，對(duì)多數(shù)應(yīng)用來說，還需要信號(hào)調(diào)理電路，將信號(hào)放大，同時(shí)增加溫度補(bǔ)償，使輸出信號(hào)可以被其他電路或系統(tǒng)使用。同時(shí)如果供電電源沒有穩(wěn)壓，還需要相應(yīng)的電源調(diào)整電路。第七頁，共十八頁，編輯于2023年，星期五第八頁，共十八頁，編輯于2023年，星期五如圖3，這是一個(gè)基本的霍爾傳感器，因?yàn)榛魻栯妷菏桥c磁場強(qiáng)度成比例，而磁場是有方向的，當(dāng)磁場方向變化時(shí)，其生成的霍爾電壓的極性也發(fā)生變化。所以圖中用的是雙電源的差分放大器，它需要正負(fù)兩組電源，使設(shè)計(jì)復(fù)雜，為簡化設(shè)計(jì)，通常給差分放大器加上一定的偏置，從而只需要單電源供電。當(dāng)磁場為0時(shí),差分放大器輸出一定的基準(zhǔn)電壓，當(dāng)感應(yīng)到正向磁場時(shí)，放大器輸出的電壓高于基準(zhǔn)電壓，當(dāng)感應(yīng)到反向磁場時(shí)，放大器輸出的電壓低于基準(zhǔn)電壓，如圖4是一個(gè)簡單的模擬電壓輸出的霍爾傳感器。第九頁，共十八頁，編輯于2023年，星期五第十頁，共十八頁，編輯于2023年，星期五

對(duì)于模擬電壓輸出的霍爾傳感器，當(dāng)正向磁場強(qiáng)度越大，輸出的電壓越高，當(dāng)輸出電壓達(dá)到電源電壓的限制時(shí)，輸出電壓不在隨正向磁場強(qiáng)度的增大而增大，此時(shí)，電路達(dá)到飽和。同樣，當(dāng)反向磁場強(qiáng)度越大時(shí)，輸出的電壓越低，當(dāng)輸出電壓達(dá)到電源地的限制時(shí)，輸出電壓不再隨反向磁場強(qiáng)度的增大而減小。

為了增加傳感器接口的靈活性，滿足更多應(yīng)用的要求，在差分放大器的輸出端通常會(huì)加上射極開路電路、集電極開路電路、或推挽式放大電路等。第十一頁，共十八頁，編輯于2023年，星期五數(shù)字式輸出霍爾傳感器

在某些應(yīng)用中，我們只需要高或低電平，或者只需開或關(guān)的狀態(tài)，這時(shí)，可以在傳感器的差分放大器輸出端加上一級(jí)施密特觸發(fā)電路，如圖5所示,當(dāng)磁場高于某個(gè)值時(shí)，霍爾傳感器輸出為高電平，而當(dāng)磁場強(qiáng)度下降到另一個(gè)值時(shí)，霍爾傳感器輸出變?yōu)榈碗娖?。第十二頁，共十八頁，編輯?023年，星期五第十三頁，共十八頁，編輯于2023年，星期五霍爾效應(yīng)傳感器因其非接觸測量、沒有運(yùn)動(dòng)部件、使用溫度范圍寬、響應(yīng)速度快等特點(diǎn)，應(yīng)用越來越廣泛，如用于感應(yīng)電流的變化，則是電流傳感器，用于感應(yīng)磁場的變化，則可以做成位置傳感器、接近開關(guān)、速度傳感器、磁傳感器等。第十四頁，共十八頁，編輯于2023年，星期五霍爾元件基本結(jié)構(gòu)由霍爾片、引線和殼體組成,如圖所示?；魻柶且粔K矩形半導(dǎo)體單晶薄片，引出四個(gè)引線。1、1′兩根引線加激勵(lì)電壓或電流，稱為激勵(lì)電極；2、2′引線為霍爾輸出引線，稱為霍爾電極?；魻栐んw由非導(dǎo)磁金屬、陶瓷或環(huán)氧樹脂封裝而成。在電路中霍爾元件可用兩種符號(hào)表示。第十五頁，共十八頁，編輯于2023年，星期五第十六頁，共十八頁，編輯于2023年，星期五基本電路RW調(diào)節(jié)控制電流的大小。RL為負(fù)載電阻，可以是放大器的內(nèi)阻或指示器內(nèi)阻。霍爾效應(yīng)建立的時(shí)間極短（10-12～10-14S），I即可以是直流，也可以是交流。若被測物理量是I、B或者IB乘積的函數(shù)，通過測量霍爾電勢UH就可知道被測量的大小。第十