第8章-霍爾傳感器

第8章霍爾傳感器8.1霍爾元件基本結(jié)構(gòu)霍爾效應(yīng)主要技術(shù)參數(shù)8.2霍爾元件的使用8.2.1霍爾元件的連接霍爾元件的常用電路8.2.3霍爾元件的測(cè)量誤差及其補(bǔ)償8.3霍爾傳感器的常見型號(hào)8.4霍爾傳感器的應(yīng)用8.1霍爾元件

8.1.1基本結(jié)構(gòu)霍爾元件是將一種半導(dǎo)體四端薄片（霍爾片），做成正方形，在薄片上焊有兩對(duì)電極引出線，然后采用非導(dǎo)磁金屬或陶瓷或環(huán)氧樹脂封裝制成的。霍爾元件的元件結(jié)構(gòu)如圖8-1所示，引出的電極其中一對(duì)為控制電流端，一般以紅色導(dǎo)線標(biāo)記，另一對(duì)為霍爾電勢(shì)輸出端，常用綠色導(dǎo)線標(biāo)記。8.1.2霍爾效應(yīng)如圖8-2所示的一塊N型半導(dǎo)體薄片，其長(zhǎng)度為L(zhǎng)，寬度為l，厚度為d。在垂直于該半導(dǎo)體薄片平面的上方，施加磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的磁場(chǎng)，在半導(dǎo)體薄片相對(duì)的兩邊通以控制電流I，當(dāng)N型半導(dǎo)體中的載流子（電子）沿著電流I相反地方向運(yùn)動(dòng)時(shí)，受到洛侖茲力FL的作用，使電子偏向一端，產(chǎn)生負(fù)電荷的積聚，而另一端面則為正電荷積聚，產(chǎn)生了靜電場(chǎng)，即霍爾電場(chǎng)?；魻栯妶?chǎng)對(duì)電子的作用力FE與洛侖茲力FL方向相反，將阻止電子繼續(xù)偏轉(zhuǎn)，最后形成動(dòng)態(tài)平衡，此時(shí)在半導(dǎo)體薄片電荷積聚的兩邊將產(chǎn)生一個(gè)與控制電流I和磁感應(yīng)強(qiáng)度B乘積成正比的電勢(shì)UH，這一現(xiàn)象稱為霍爾效應(yīng)，該電勢(shì)稱為霍爾電勢(shì)。8.1.3主要技術(shù)參數(shù)

1．額定功耗P0霍爾元件在環(huán)境溫度T=25℃時(shí)，允許通過霍爾元件的電流I和電壓E的乘積，分最小、典型、最大三檔，單位為mW。當(dāng)供給霍爾元件的電壓確定后，根據(jù)額定功耗可以知道額定控制電流I，因此有些產(chǎn)品提供控制電流，則不給出額定功耗P0。2．輸入電阻Ri霍爾元件兩控制電流端的直流電阻稱為輸入電阻Ri。它的數(shù)值從幾十歐到幾百歐，視不同型號(hào)的元件而定。溫度升高，輸入電阻變小，從而使輸入控制電流I變大，最終引起霍爾電動(dòng)勢(shì)變大。為了減小這種影響，最好采用恒流源作為激勵(lì)源。3．輸出電阻R0兩個(gè)霍爾電勢(shì)輸出端之間的電阻稱為輸出電阻R0，它的數(shù)值與輸入電阻為同一數(shù)量級(jí)。它也隨溫度改變而改變。選擇適當(dāng)?shù)呢?fù)載電阻RL與之匹配，可以使由溫度引起的霍爾電動(dòng)勢(shì)的漂移減至最小。

4．不等位電動(dòng)勢(shì)U0在額定控制電流下，當(dāng)外加磁場(chǎng)為零時(shí)，霍爾元件輸出端之間的開路電壓稱為不等位電動(dòng)勢(shì)U0，它是由于四個(gè)電極的幾何尺寸不對(duì)稱引起的，使用時(shí)多采用電橋法來補(bǔ)償不等位電動(dòng)勢(shì)引起的誤差。5．靈敏度KH霍爾元件在單位磁感應(yīng)強(qiáng)度和單位控制電流作用下的空載霍爾電勢(shì)值，稱為霍爾元件的靈敏度KH。6．霍爾電動(dòng)勢(shì)溫度系數(shù)α在一定磁場(chǎng)強(qiáng)度和控制電流的作用下，溫度每變化1℃時(shí)霍爾電動(dòng)勢(shì)變化的百分?jǐn)?shù)稱為霍爾電動(dòng)勢(shì)溫度系數(shù)，它與霍爾元件的材料有關(guān)，一般約為0.1%／℃，在要求較高的場(chǎng)合下，應(yīng)選擇低溫漂的霍爾元件。7．最大控制電流Im由于霍爾電勢(shì)隨控制電流增大而增大，故在應(yīng)用中總希望選用較大的控制電流。但控制電流增大，霍爾元件的功耗增大，元件的溫度升高，從而引起霍爾電勢(shì)的溫漂增大，因此每種型號(hào)的元件均規(guī)定了相應(yīng)的最大控制電流Im，它的數(shù)值從幾毫安至幾十毫安。8.２霍爾元件的使用8.2.1霍爾元件的連接為了得到較大的霍爾電壓輸出，可以把幾個(gè)霍爾元件輸出串聯(lián)起來，但是控制電流必須并聯(lián)，如圖8-3（a）所示，不能接成圖8-3（b）那樣，因?yàn)榭刂齐娏鞔?lián)起來將有大部分控制電流被相連的霍爾電勢(shì)輸出端短接，使霍爾元件不能正常工作。I（b）錯(cuò)誤接法R1R2adcb（a）正確接法圖8-3霍爾元件輸出疊加連接當(dāng)元件的控制電流采用交流時(shí)，還可采用圖8-4的方式增加霍爾輸出電勢(shì)和輸出功率，此時(shí)霍爾元件的控制電流端串聯(lián)，而各元件的輸出分別接至輸出變壓器的各初級(jí)，變壓器的次級(jí)獲得霍爾輸出信號(hào)的疊加。若輸出信號(hào)小，則可用差分放大器放大，如圖8-5所示。I圖8-5霍爾元件輸出的放大電路示意圖圖8-4交流時(shí)霍爾元件輸出的疊加霍爾元件的常用電路

1．霍爾元件的基本測(cè)量電路霍爾元件的基本測(cè)量電路如圖8-6所示。圖8-6霍爾元件的基本測(cè)量電路2．霍爾電勢(shì)的輸出電路霍爾元件是一種四端器件，本身不帶放大器，且霍爾電勢(shì)一般在毫伏量級(jí)。因此，在實(shí)際使用時(shí)必須加差分放大器?；魻栐篌w分為線性測(cè)量和開關(guān)狀態(tài)兩種使用方式，因此，輸出電路有如圖8-7所示兩種結(jié)構(gòu)。當(dāng)霍爾元件作線性測(cè)量時(shí)，最好選用靈敏度低一點(diǎn)、不等位電勢(shì)小、穩(wěn)定性和線性度優(yōu)良的霍爾元件。當(dāng)霍爾元件作開關(guān)使用時(shí)，要選擇靈敏度高的霍爾元件。3．霍爾集成元件霍爾集成元件是將霍爾元件和放大器等集成在一塊芯片上，可分為線性和開關(guān)型兩大類，有三端T形單端輸出和八腳雙列直插型雙端輸出兩種結(jié)構(gòu)。

霍爾集成線性元件將霍爾元件和恒流源、線性放大器等集成在一個(gè)芯片上。例如UGN3501，如圖8-8所示。開關(guān)型霍爾集成元件是將霍爾元件、穩(wěn)壓電路、放大器、施密特觸發(fā)器、OC門等電路集成在同一個(gè)芯片上。例如UGN3020，如圖8-9所示。圖8-8線性型霍爾集成電路圖8-9開關(guān)型霍爾集成電路8.2.3霍爾元件的測(cè)量誤差及其補(bǔ)償

1．零位誤差及補(bǔ)償方法零位誤差是霍爾元件在不加控制電流或不加外磁場(chǎng)時(shí)，而出現(xiàn)的霍爾電勢(shì)稱為零位誤差。由制造霍爾元件的工藝問題造成的不等位電勢(shì)是主要的零位誤差，因?yàn)樵诠に嚿想y以保證霍爾元件兩側(cè)的電極焊接在同一等電位面上，如圖8-10所示，當(dāng)控制電流I流過時(shí)，即使未加外磁場(chǎng)，A、B兩電極此時(shí)仍存在電位差，此電位差被稱為不等位電勢(shì)U0。為了減小或消除不等位電勢(shì)，可以采用電橋平衡原理補(bǔ)償。

幾種補(bǔ)償線路如圖8-11所示。圖（a）、（b）為常見的補(bǔ)償電路，圖（b）、（c）相當(dāng)于在等效電橋的兩個(gè)橋臂上同時(shí)并聯(lián)電阻，圖（d）用于交流供電的情況。2．溫度誤差及其補(bǔ)償由于半導(dǎo)體材料的電阻率、遷移率和載流子濃度等都隨溫度變化而變化，因此，會(huì)導(dǎo)致霍爾元件的內(nèi)阻、霍爾電勢(shì)也隨溫度變化而變化。這種變化程度隨不同半導(dǎo)體材料有所不同，而且溫度升高到一定程度，產(chǎn)生的變化相當(dāng)大。溫度誤差是霍爾元件測(cè)量中不可忽視的誤差。針對(duì)溫度變化導(dǎo)致內(nèi)阻（輸入、輸出電阻）的變化，可以采用對(duì)輸入或輸出電路的電阻進(jìn)行補(bǔ)償。1）恒流源補(bǔ)償法

溫度的變化會(huì)引起內(nèi)阻的變化，而內(nèi)阻的變化又使控制電流發(fā)生變化以致影響到霍爾電勢(shì)的輸出，采用恒流源可以補(bǔ)償這種影響，其電路如圖8-12所示。2）選擇合理的負(fù)載電阻進(jìn)行補(bǔ)償

在輸入控制電流恒定得情況下，如果輸出負(fù)載電阻RL隨溫度增加而增加，霍爾電勢(shì)增加，若在輸出端并聯(lián)一個(gè)補(bǔ)償電阻RL，則通過霍爾元件端電流減小，而通過RL的電流卻增大，只要適當(dāng)選擇一個(gè)補(bǔ)償電阻RL，就可以達(dá)到補(bǔ)償?shù)哪康模鐖D8-13所示。3）利用霍爾元件輸入回路的串聯(lián)電阻或并聯(lián)電阻進(jìn)行補(bǔ)償?shù)姆椒?其原理如圖8-14所示。

4）熱敏電阻補(bǔ)償法在使用熱敏電阻進(jìn)行溫度補(bǔ)償時(shí)，其原理圖如圖8-15所示，要求熱敏電阻和霍爾元件封裝在一起，或者使兩者之間的位置靠得很近，這樣才能使補(bǔ)償效果顯著。

3、寄生直流電壓在沒有磁場(chǎng)時(shí)，元件通以交流電，它的輸出除了交流不等位電勢(shì)外，還存在一直流電壓分量，此電壓稱為寄生直流電壓。寄生直流電壓的產(chǎn)生原因有以下幾個(gè)方面：（1）由于控制電流極及電壓極的接觸不佳造成整流效應(yīng)所致。（2）由于霍爾電極的焊點(diǎn)大小不一致，其熱容量不一致產(chǎn)生溫差，造成直流附加電壓。元件制作安裝時(shí)，應(yīng)盡可能改善電極的歐姆接觸性能和元件的散熱條件下，并做到散熱均勻，這是減小寄生直流電壓的有效措施。8.3霍爾傳感器的常見型號(hào)

表8-1部分霍爾傳感器的型號(hào)與用途8.４霍爾傳感器的應(yīng)用

霍爾式傳感器的應(yīng)用主要分為三個(gè)方面：①當(dāng)輸入電流恒定不變時(shí)，傳感器的輸出正比于磁感應(yīng)強(qiáng)度B，因此，凡是能轉(zhuǎn)換為磁感應(yīng)強(qiáng)度B變化的物理量均可以進(jìn)行測(cè)量，如位移、角度、轉(zhuǎn)速和加速度等。②當(dāng)磁感應(yīng)強(qiáng)度B保持恒定時(shí)，傳感器的輸出正比于控制電流I的變化，因此，凡能轉(zhuǎn)換為電流變化的物理量均可進(jìn)行測(cè)量和控制。③由于霍爾電壓正比于控制電流I和磁感應(yīng)強(qiáng)度B，所以凡是可以轉(zhuǎn)換為乘法的物理量（如功率）都可以進(jìn)行測(cè)量。下面介紹幾種常見的霍爾傳感器的應(yīng)用實(shí)例。

1．霍爾位移傳感器霍爾位移傳感器可制成如圖8-16所示，在極性相反、磁場(chǎng)強(qiáng)度相同的兩個(gè)磁鋼的氣隙間放置一個(gè)霍爾元件。當(dāng)控制電流I恒定不變時(shí)，霍爾電勢(shì)UH與外磁感應(yīng)強(qiáng)度成正比；若磁場(chǎng)在一定范圍內(nèi)沿x方向的變化梯度為一常數(shù)，則當(dāng)霍爾元件沿x方向移動(dòng)時(shí)，輸出的霍爾電勢(shì)為式中，K—位移傳感器的輸出靈敏度。利用這一原理可以測(cè)量與位移有關(guān)的非電量，如力、壓力、加速度、液位和壓差等。２．汽車霍爾點(diǎn)火器汽車霍爾點(diǎn)火器如圖8-1７所示，將霍爾元件固定在汽車分電器的白金座上，在分火點(diǎn)上裝一個(gè)隔磁罩，罩的豎邊根據(jù)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的缸數(shù)，開出等間距的缺口，當(dāng)缺口對(duì)準(zhǔn)霍爾元件時(shí)，磁通通過霍爾元件而組成閉合回路，所以電路導(dǎo)通，此時(shí)，霍爾電路輸出低電平；當(dāng)罩邊突出部分擋在霍爾元件和磁體之間時(shí)，電路截止，霍爾電路輸出高電平，此時(shí)點(diǎn)火線圈的次級(jí)線圈以高壓放電形式輸出，即放電點(diǎn)火。３．霍爾計(jì)數(shù)裝置霍爾開關(guān)傳感器SL3501是具有較高靈敏度的集成霍爾元件，能感受到很小的磁場(chǎng)變化，因而可對(duì)黑色金屬零件進(jìn)行計(jì)數(shù)檢測(cè)。圖8-1８所示的是對(duì)鋼球進(jìn)行計(jì)數(shù)的工作示意圖。當(dāng)鋼球通過霍爾開關(guān)傳感器時(shí)，傳感器可輸出峰值20mV的脈沖電壓，該電壓經(jīng)運(yùn)算放大器放大后，可接計(jì)數(shù)器進(jìn)行計(jì)數(shù)，并由顯示器顯示檢測(cè)數(shù)值。4．霍爾式無刷電動(dòng)機(jī)傳統(tǒng)的直流電動(dòng)機(jī)使用換向器來改變轉(zhuǎn)子（或定子）的電樞電流的方向，以維持電動(dòng)機(jī)的持續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)?；魻柺綗o刷電動(dòng)機(jī)取消了換向器和電刷，而采用霍爾元件來檢測(cè)轉(zhuǎn)子和定子之間的相對(duì)位置，其輸出信號(hào)經(jīng)放大、整形后觸發(fā)電子線路，從而控制電樞電流的換向，維持電動(dòng)機(jī)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。霍爾式無刷電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)如圖8-19所示。5．霍爾式非接觸鍵盤開關(guān)鍵盤是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中一個(gè)非常重要的外圍設(shè)備。早期的電鍵與鍵盤都是采用機(jī)械接觸式，在使用過程中容易發(fā)生抖動(dòng)噪聲，系統(tǒng)可靠性受到影響。目前廣泛采用的是無觸點(diǎn)鍵盤開關(guān)，其構(gòu)造是：每個(gè)鍵上都有兩小塊永久磁鐵，鍵按下時(shí)，磁鐵的磁場(chǎng)加在鍵下方的開關(guān)型集成霍爾傳感器上，輸出開關(guān)信號(hào)。因?yàn)殚_關(guān)型集成霍爾傳感器具有滯后效應(yīng)，故工作十分穩(wěn)定可靠。無觸點(diǎn)鍵盤開關(guān)功耗低，動(dòng)作過程中傳感器是無接觸形式，因此使用壽命非常長(zhǎng)。6.霍爾轉(zhuǎn)速計(jì)

１）磁場(chǎng)移動(dòng)式霍爾轉(zhuǎn)速計(jì)圖8-20所示的是幾種不同結(jié)構(gòu)的霍爾轉(zhuǎn)速計(jì)。轉(zhuǎn)盤的輸入軸與被測(cè)轉(zhuǎn)軸相連，并且讓轉(zhuǎn)盤上的小磁鐵形成的磁力線垂直穿過霍爾元件。當(dāng)被測(cè)轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，轉(zhuǎn)盤隨之轉(zhuǎn)動(dòng)，固定在轉(zhuǎn)盤附近的霍爾傳感器便可在每一個(gè)小磁鐵通過時(shí)產(chǎn)生一個(gè)相應(yīng)的脈沖，檢測(cè)出單位時(shí)間的脈沖電壓的個(gè)數(shù)，便可知被測(cè)轉(zhuǎn)軸的旋轉(zhuǎn)速度。根據(jù)磁性轉(zhuǎn)盤上小磁鐵數(shù)目越多，傳感器測(cè)量轉(zhuǎn)速的分辨率就越高。２）磁場(chǎng)固定式霍爾轉(zhuǎn)速計(jì)圖8-21為霍爾轉(zhuǎn)速表的示意圖。在被測(cè)轉(zhuǎn)軸上安裝一個(gè)齒盤，也可以選取機(jī)械系統(tǒng)中的一個(gè)齒輪，將線性霍爾元件及磁路系統(tǒng)靠近齒盤。齒盤的轉(zhuǎn)動(dòng)使磁路的磁阻隨氣隙的改變而周期地變化，霍爾元件輸出的微小脈沖信號(hào)經(jīng)過隔直、放大、整形后就可以確定被測(cè)物的轉(zhuǎn)速。７．開關(guān)型集成霍爾傳感器的應(yīng)用（2）開關(guān)型集成霍爾傳感器驅(qū)動(dòng)指示燈，其示意圖如圖8-23所示。當(dāng)然開關(guān)型集成霍爾傳感器也能驅(qū)動(dòng)發(fā)光二極管。（1）開關(guān)型集成霍爾傳感器驅(qū)動(dòng)門電路，其