第7章 霍爾傳感器

第7章霍爾傳感器

2023/2/52一、教學(xué)目標(biāo)

知識(shí)目標(biāo)（1）了解霍爾元件的結(jié)構(gòu)和不同參數(shù)。

（2）掌握霍爾傳感器的工作原理及測(cè)量轉(zhuǎn)換電路。（3）熟悉霍爾傳感器在工程上的應(yīng)用。二、教學(xué)重點(diǎn)和難點(diǎn)(1)重點(diǎn)：霍爾傳感器的工作原理和應(yīng)用。(2)難點(diǎn)：霍爾傳感器的測(cè)量電路。三、教學(xué)學(xué)時(shí)

4學(xué)時(shí)

霍爾元件是一種半導(dǎo)體四端薄皮，1、1′端稱為激勵(lì)電流端，2、2′端稱為霍爾電動(dòng)勢(shì)的輸出端，其中2、2′端一般應(yīng)處于霍爾元件側(cè)面的中點(diǎn)

7.1霍爾傳感器的工作原理7.1.1霍爾效應(yīng)（a）外形結(jié)構(gòu)（b）圖形符號(hào)圖7-1霍爾元件圖7-2霍爾效應(yīng)的原理

當(dāng)把霍爾元件置于磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的磁場(chǎng)中時(shí)，磁場(chǎng)方向垂直于霍爾元件，當(dāng)有電流I流過霍爾元件時(shí)，在垂直于電流和磁場(chǎng)的方向上將產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)EH，這種現(xiàn)象稱為霍爾效應(yīng)。

霍爾效應(yīng)演示

當(dāng)磁場(chǎng)垂直于元件時(shí)，電子受到洛侖茲力的作用，向內(nèi)側(cè)偏移，在霍爾元件c、d方向的端面之間建立起霍爾電勢(shì)。2023/2/55cdab

流入霍爾元件激勵(lì)電流端的輸入電流I越大，作用在霍爾元件上的磁感應(yīng)強(qiáng)度B就越強(qiáng)，霍爾電動(dòng)勢(shì)EH也就越高?；魻栯妱?shì)EH可用下式表示：

EH=KHIB2023/2/56I

——控制電流（A）B

——磁感應(yīng)強(qiáng)度（T）KH

——霍爾元件的靈敏

（7-2）

為霍爾常數(shù)；d為霍爾元件的厚度（m）?；魻栐`敏度的表達(dá)式為7.1.2霍爾元件主要參數(shù)

1.額定激勵(lì)電流和最大允許激勵(lì)電流2023/2/58當(dāng)霍爾元件自身的溫度升高10℃時(shí)，流過自身的激勵(lì)電流稱為額定激勵(lì)電流，用符號(hào)Ic表示。由于霍爾電勢(shì)隨激勵(lì)電流增大而增大，故在應(yīng)用中總希望選用較大的激勵(lì)電流。但激勵(lì)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)的最大激勵(lì)電流Im，它的數(shù)值從幾毫安至十幾毫安。2023/2/592.輸入電阻和輸出電阻

輸入電阻Ri是指霍爾元件兩個(gè)激勵(lì)電流端的電阻。輸出電阻Ro是兩個(gè)霍爾電動(dòng)勢(shì)輸出端之間的電阻。輸入電阻和輸出電阻的阻值從幾十歐姆到幾百歐姆.2023/2/510

3.不等位電勢(shì)和不等位電阻

不等位電動(dòng)勢(shì)是指當(dāng)霍爾元件在額定激勵(lì)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，用符號(hào)UM表示。

產(chǎn)生這一現(xiàn)象的原因有:①霍爾電極安裝位置不對(duì)稱或不在同一等電位面上;②半導(dǎo)體材料不均勻造成了電阻率不均勻或是幾何尺寸不均勻;③激勵(lì)電極接觸不良造成激勵(lì)電流不均勻分布等。

不等位電勢(shì)也可用不等位電阻表示

4.寄生直流電動(dòng)勢(shì)

當(dāng)沒有外加磁場(chǎng)，霍爾元件用交流控制電流時(shí)，霍爾電極的輸出有一個(gè)寄生直流電動(dòng)勢(shì)，它主要是由控制電極和基片之間的非完全歐姆接觸所產(chǎn)生的整流效應(yīng)造成的。5.霍爾電動(dòng)勢(shì)的溫度系數(shù)

霍爾電動(dòng)勢(shì)的溫度系數(shù)α是指在一定磁感應(yīng)強(qiáng)度和控制電流下，溫度每變化1℃，霍爾電動(dòng)勢(shì)的變化率。7.2霍爾傳感器的測(cè)量轉(zhuǎn)換電路7.2.1霍爾傳感器的基本電路通過霍爾傳感器的額定激勵(lì)電流為（a）無外接偏置電阻（b）有外接偏置電阻（c）電源負(fù)極與霍爾元件之間串聯(lián)電阻圖7-5霍爾傳感器的偏置電路7.2.2霍爾傳感器的集成電路

霍爾傳感器的集成電路具有體積較小、靈敏度高、輸出幅度較大、溫漂小、對(duì)電源的穩(wěn)定性要求較低等優(yōu)點(diǎn)，它可分為線性型霍爾傳感器的集成電路和開關(guān)型霍爾傳感器的集成電路。1.線性型霍爾傳感器的集成電路線性型霍爾傳感器的集成電路的內(nèi)部電路是將霍爾元件、恒流源、線性差動(dòng)放大器制作在同一個(gè)芯片上，輸出電壓的單位為V，比直接使用霍爾元件要方便很多。比較典型的線性型霍爾傳感器有UGN3501。圖7-6UG3501線性型霍爾傳感器的外形及其內(nèi)部集成電路線性型霍爾特性

右圖示出了具有雙端差動(dòng)輸出特性的線性霍爾器件的輸出特性曲線。當(dāng)磁場(chǎng)為零時(shí)，它的輸出電壓等于零；當(dāng)感受的磁場(chǎng)為正向（磁鋼的S極對(duì)準(zhǔn)霍爾器件的正面）時(shí)，輸出為正；磁場(chǎng)反向時(shí)，輸出為負(fù)。

2023/2/516請(qǐng)畫出線性范圍2.開關(guān)型霍爾集成電路

開關(guān)型霍爾集成電路是將霍爾元件、穩(wěn)壓電路、放大器、施密特觸發(fā)器、OC門（集電極開路輸出門）等電路做在同一個(gè)芯片上。當(dāng)外加磁場(chǎng)強(qiáng)度超過規(guī)定的工作點(diǎn)時(shí)，NPN型OC門由高阻態(tài)（或高電平）變?yōu)閷?dǎo)通狀態(tài)，輸出變?yōu)榈碗娖?；?dāng)外加磁場(chǎng)強(qiáng)度低于釋放點(diǎn)時(shí)，OC門重新變?yōu)楦咦钁B(tài)，輸出高電平。較典型的開關(guān)型霍爾器件如UGN3020等。2023/2/517圖7-9開關(guān)型霍爾傳感器的外形及其內(nèi)部集成電路圖7-10施密特觸發(fā)電路的輸出特性曲線開關(guān)型霍爾集成電路的史密特輸出特性

回差越大，抗振動(dòng)干擾能力就越強(qiáng)。2023/2/5197.2.3基本誤差及補(bǔ)償1.不等位電動(dòng)勢(shì)誤差的補(bǔ)償

不等位電動(dòng)勢(shì)是霍爾元件誤差中最主要的一種。它產(chǎn)生的原因是（1）制造工藝不可能保證兩個(gè)霍爾電極絕對(duì)對(duì)稱地焊接在霍爾元件的兩側(cè)，致使霍爾元件的兩個(gè)電極點(diǎn)不能完全位于同一個(gè)等位面上。（2）由于半導(dǎo)體的電阻特性（等勢(shì)面傾斜）所造成。不等位電勢(shì)誤差的補(bǔ)償可以把霍爾元件視為一個(gè)四臂電阻電橋，不等位電勢(shì)就相當(dāng)于電橋的初始不平衡輸出電壓。圖7-12不等位電動(dòng)勢(shì)的補(bǔ)償電路不等位電勢(shì)的補(bǔ)償電路2.溫度特性霍爾元件的溫度特性是指它的內(nèi)阻及輸出電壓（霍爾電動(dòng)勢(shì)）與溫度之間的關(guān)系。

圖7-13霍爾內(nèi)阻與溫度的關(guān)系圖7-14霍爾電動(dòng)勢(shì)與溫度的關(guān)系3.溫度誤差及其補(bǔ)償溫度誤差產(chǎn)生的原因主要包括以下兩種：（1）由于霍爾元件是由半導(dǎo)體材料組成的，因此，它對(duì)溫度的變化非常敏感。其中，載流子的濃度、遷移率、電阻率等參數(shù)都是溫度的函數(shù)。（2）當(dāng)溫度發(fā)生變化時(shí)，霍爾元件的一些特性參數(shù)，如霍爾電動(dòng)勢(shì)、輸入電阻和輸出電阻等都會(huì)發(fā)生變化，從而使霍爾傳感器產(chǎn)生溫度誤差。溫度補(bǔ)償?shù)姆椒?/p>

減小霍爾元件的溫度誤差的方法1.恒溫措施補(bǔ)償2.恒流源溫度補(bǔ)償（1）恒溫措施補(bǔ)償。包括以下兩種：①將霍爾元件放在恒溫器中。②將霍爾元件放在恒溫的空調(diào)房中。(2）恒流源溫度補(bǔ)償?；魻栐撵`敏度與溫度的關(guān)系為（7-5）式中，為溫度為t0時(shí)霍爾元件的靈敏度；為霍爾電動(dòng)勢(shì)的溫度系數(shù)；為溫度的變化量（℃）。

圖7-15恒流源溫度補(bǔ)償電路

常見的大多數(shù)霍爾元件霍爾電動(dòng)勢(shì)的溫度系數(shù)都是正值，它們的霍爾電動(dòng)勢(shì)將會(huì)隨著溫度的升高而增加。如果讓激勵(lì)電流端的電流I相應(yīng)地減小，就能使的結(jié)果保持不變.

7.3.1磁阻元件當(dāng)霍爾元件置于與電流方向垂直的磁場(chǎng)中時(shí)，會(huì)出現(xiàn)霍爾效應(yīng)，同時(shí)還會(huì)出現(xiàn)半導(dǎo)體電阻率增大的現(xiàn)象，這種現(xiàn)象稱為磁阻效應(yīng)。利用磁阻效應(yīng)做成的元件被稱為磁阻元件。7.3其他磁傳感器（a）無磁場(chǎng)作用（b）有磁場(chǎng)作用圖7-14磁阻元件工作原理示意圖7.3.2磁敏二極管圖7-15磁敏二極管的結(jié)構(gòu)（a）無磁場(chǎng)

（b）加正向磁場(chǎng)

（c）加反向磁場(chǎng)

圖7-16磁敏二極管工作原理

磁敏二極管在正負(fù)磁場(chǎng)作用下輸出電阻不同，可以利用它來判斷磁場(chǎng)方向。7.3.3磁敏三極管圖7-17磁敏三極管的結(jié)構(gòu)圖圖7-18磁敏三極管工作原理示意圖磁敏三極管和磁敏二極管的工作原理基本相同，可以用磁場(chǎng)方向控制集電極電流的增加或減小，也可以用磁場(chǎng)的強(qiáng)弱控制集電極電流增加或減小的變化量。7.4霍爾傳感器的應(yīng)用霍爾電勢(shì)是關(guān)于I、B、

三個(gè)變量的函數(shù)，即EH=KHIBcos

。利用這個(gè)關(guān)系可以使其中兩個(gè)量不變，將第三個(gè)量作為變量，或者固定其中一個(gè)量，其余兩個(gè)量都作為變量。這使得霍爾傳感器有許多用途。7.4.1霍爾位移傳感器圖7-16霍爾位移傳感器的工作原理7.4.2霍爾壓力傳感器

圖7-17霍爾壓力傳感器的工作原理

1—彈簧管；2—磁鐵；3—霍爾壓力傳感器

7.4.3霍爾加速度傳感器

圖7-18霍爾加速度傳感器的工作原理7.4.4霍爾轉(zhuǎn)速傳感器

圖7-19霍爾轉(zhuǎn)速傳感器的工作原理

只要黑色金屬旋轉(zhuǎn)體的表面存在缺口或突起，就可產(chǎn)生磁場(chǎng)強(qiáng)度的脈動(dòng)，從而引起霍爾電勢(shì)的變化，產(chǎn)生轉(zhuǎn)速信號(hào)。

霍爾轉(zhuǎn)速表原理

當(dāng)齒對(duì)準(zhǔn)霍爾元件時(shí)，磁力線集中穿過霍爾元件，可產(chǎn)生較大的霍爾電動(dòng)勢(shì)，放大、整