第七章 霍爾傳感器及應(yīng)用

第7章霍爾傳感器及應(yīng)用7.1霍爾效應(yīng)及霍爾元件7.2集成霍爾傳感器7.3霍爾傳感器的應(yīng)用

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

UH=EHb=vBb

(7-3)設(shè)霍爾元件為N型半導(dǎo)體，當(dāng)它通電流I時(shí)

FL=qvB

(7-1)

當(dāng)電場(chǎng)力與洛侖茲力相等時(shí)，達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，這時(shí)有

qEH=qvB故霍爾電場(chǎng)的強(qiáng)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(dǎo)體材料的性質(zhì)決定，它反映材料霍爾效應(yīng)的強(qiáng)弱。

UHbldIFLFEvB圖7-1霍爾效應(yīng)設(shè)KH為霍爾元件的靈敏度，它表示一個(gè)霍爾元件在單位控制電流和單位磁感應(yīng)強(qiáng)度時(shí)產(chǎn)生的霍爾電壓的大小。單位是mV/（mA·T）

材料中電子在電場(chǎng)作用下運(yùn)動(dòng)速度的大小常用載流子遷移率來表征，即在單位電場(chǎng)強(qiáng)度作用下，載流子的平均速度值。即所以而比較得或結(jié)論：①如果是P型半導(dǎo)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(zhì)有關(guān)。③霍爾電壓UH與元件的尺寸有關(guān)。④霍爾電壓UH與控制電流及磁場(chǎng)強(qiáng)度有關(guān)。二、霍爾元件的構(gòu)造及測(cè)量電路

基于霍爾效應(yīng)工作的半導(dǎo)體器件稱為霍爾元件，霍爾元件多采用N型半導(dǎo)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(gòu)造

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

在環(huán)境溫度25℃時(shí)，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(chǎng)時(shí)用歐姆表等測(cè)量。4.霍爾溫度系數(shù)α

在一定的磁感應(yīng)強(qiáng)度和控制電流下，溫度變化1℃時(shí)，霍爾電勢(shì)變化的百分率。即：3.不平衡電勢(shì)U0

在額定控制電流I下，不加磁場(chǎng)時(shí)霍爾電極間的空載霍爾電勢(shì)。5.內(nèi)阻溫度系數(shù)β

霍爾元件在無磁場(chǎng)及工作溫度范圍內(nèi)，溫度每變化1℃時(shí)，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(dǎo)體材料四、霍爾元件的測(cè)量誤差和補(bǔ)償1.不等位電勢(shì)補(bǔ)償：在無磁場(chǎng)時(shí)，霍爾元件通以控制電流I，兩輸出端產(chǎn)生的電壓為不等位電壓。主要是元件輸出極焊接不對(duì)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(bǔ)償。圖7-4不等位電勢(shì)圖7-5霍爾元件的等效電路AIU0BCDDR1R2R4ABCR3R4幾種常用補(bǔ)償方法BBBWACDWACD(b)WCADWCDAR2R3R4R1BBWDAR2R3R4R1C（a）（b）（c）WCDAR2R3R4R1B2.溫度誤差及補(bǔ)償(1)利用輸入回路串聯(lián)電阻進(jìn)行補(bǔ)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(nèi)阻與溫度之間的關(guān)系式為：則霍爾電壓隨溫度變化的關(guān)系式為：由圖b可知：

對(duì)上式求溫度的導(dǎo)數(shù)，可得增量表達(dá)式：即：由上式可看出，要使溫度變化時(shí)霍爾電壓不變，必須使

當(dāng)元件的α、β及內(nèi)阻Ri0確定后，溫度補(bǔ)償電阻R便可求出。在實(shí)際應(yīng)用中，當(dāng)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(nèi)阻Ri0則可由測(cè)量得到。（2）利用輸出回路的負(fù)載進(jìn)行補(bǔ)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(shì)變?yōu)椋捍藭r(shí)，RL上的電壓為負(fù)載電阻RL上電壓隨溫度變化最小的極值條件為根據(jù)

當(dāng)負(fù)載電阻比霍爾元件輸出電阻大得多時(shí)，輸出電阻變化對(duì)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(jìn)行補(bǔ)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(jìn)行補(bǔ)償

對(duì)于溫度系數(shù)大的半導(dǎo)體材料常使用?；魻栞敵鲭S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(jìn)行補(bǔ)償。例如在輸入回路串入熱敏電阻，當(dāng)溫度上升時(shí)其阻值下降，從而使控制電流上升。（4）利用熱敏電阻進(jìn)行補(bǔ)償（a）輸入回路補(bǔ)償RRt（b）輸出回路補(bǔ)償

或在輸出回路進(jìn)行補(bǔ)償。負(fù)載RL上的霍爾電勢(shì)隨溫度上升而下降的量被熱敏電阻阻值減小所補(bǔ)償。實(shí)際使用時(shí)，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(bǔ)償電橋進(jìn)行補(bǔ)償

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

霍爾電壓UH正比于控制電流和磁感應(yīng)強(qiáng)度。在實(shí)際應(yīng)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(cè)量線路集成在一起的一種傳感器。它取消了傳感器和測(cè)量電路之間的界限，實(shí)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(diǎn)，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(diǎn)，正越來越受到重視。一、開關(guān)型集成霍爾傳感器開關(guān)型集成霍爾傳感器是把霍爾元件的輸出經(jīng)過處理后輸出一個(gè)高電平或低電平的數(shù)字信號(hào)?；魻栭_關(guān)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(jí)組成。較典型的開關(guān)型霍爾器件如UGN3020等。雙入單出運(yùn)放當(dāng)外加磁場(chǎng)強(qiáng)度超過規(guī)定的工作點(diǎn)時(shí)，輸出級(jí)由高阻態(tài)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)，輸出級(jí)重新變?yōu)楦咦钁B(tài)，輸出高電平。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)。

當(dāng)磁鐵從遠(yuǎn)到近地接近霍爾IC，到多少特斯拉時(shí)輸出翻轉(zhuǎn)？當(dāng)磁鐵從近到遠(yuǎn)地遠(yuǎn)離霍爾IC，到多少特斯拉時(shí)輸出再次翻轉(zhuǎn)？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(hào)與磁感應(yīng)強(qiáng)度成比例。通常由霍爾元件、差分放大、差動(dòng)輸出電路及穩(wěn)壓源四部分組成，它的電路比較簡(jiǎn)單，用于精度要求不高的一些場(chǎng)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(gè)三端器件，它的輸出電壓對(duì)外加磁場(chǎng)的微小變化能做出線性響應(yīng)，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(chǎn)品是SL3501T。單端輸出傳感器的電路結(jié)構(gòu)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(qǐng)畫出線性范圍

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)。三、差動(dòng)霍爾電路(雙霍爾電路)

它的霍爾電壓發(fā)生器由一對(duì)相距2.5mm的霍爾元件組成，使用時(shí)在電路背面放置一塊永久磁體，當(dāng)用鐵磁材料制成的齒輪從電路附近轉(zhuǎn)過時(shí)，一對(duì)霍爾片上產(chǎn)生的霍爾電壓相位相反，經(jīng)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(yīng)用7.3霍爾傳感器的應(yīng)用利用霍爾效應(yīng)制作的霍爾器件，不僅在磁場(chǎng)測(cè)量方面，而且在測(cè)量技術(shù)、無線電技術(shù)、計(jì)算技術(shù)和自動(dòng)化技術(shù)等領(lǐng)域中均得到了廣泛應(yīng)用。利用霍爾電勢(shì)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(duì)磁量以及其他可轉(zhuǎn)換成磁量的電量、機(jī)械量和非電量等進(jìn)行測(cè)量和控制。應(yīng)用這類特性制作的器具有磁通計(jì)、電流計(jì)、磁讀頭、位移計(jì)、速度計(jì)、振動(dòng)計(jì)、羅盤、轉(zhuǎn)速計(jì)、無觸點(diǎn)開關(guān)等。利用霍爾傳感器制作的儀器優(yōu)點(diǎn)：(1)體積小，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、堅(jiān)固耐用。(2)無可動(dòng)部件，無磨損，無摩擦熱，噪聲小。(3)裝置性能穩(wěn)定，壽命長(zhǎng)，可靠性高。(4)頻率范圍寬，從直流到微波范圍均可應(yīng)用。(5)霍爾器件載流子慣性小，裝置動(dòng)態(tài)特性好?；魻柶骷泊嬖谵D(zhuǎn)換效率低和受溫度影響大等明顯缺點(diǎn)。但是，由于新材料新工藝不斷出現(xiàn)，這些缺點(diǎn)正逐步得到克服。

霍爾電勢(shì)是關(guān)于I、B、KH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。霍爾傳感器主要用于測(cè)量能夠轉(zhuǎn)換為磁場(chǎng)變化的其他物理量。例1檢測(cè)磁場(chǎng)

檢測(cè)磁場(chǎng)是霍爾式傳感器最典型的應(yīng)用之一。將霍爾器件做成各種形式的探頭，放在被測(cè)磁場(chǎng)中，使磁力線和器件表面垂直，通電后即可輸出與被測(cè)磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度成線性正比的電壓。測(cè)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(chǎng)中，左半部磁場(chǎng)方向向上，右半部磁場(chǎng)方向向下，從a端通人電流I，根據(jù)霍爾效應(yīng)，左半部產(chǎn)生霍爾電勢(shì)VH1，右半部產(chǎn)生露爾電勢(shì)VH2，其方向相反。因此，c、d兩端電勢(shì)為VH1—VH2。如果霍爾元件在初始位置時(shí)VH1=VH2，則輸出為零；當(dāng)改變磁極系統(tǒng)與霍爾元件的相對(duì)位置時(shí)，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(jié)構(gòu)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(zhuǎn)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(gè)均勻梯度磁場(chǎng)，在其工作范圍內(nèi)，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(chǎng)中的位移也是x?；魻栯妱?shì)與被測(cè)壓力P之間的關(guān)系就可表示為式中K為霍爾式壓力傳感器的輸出靈敏度。霍爾元件磁鋼壓力P波登管SNSNSN線性霍爾磁鐵例4霍爾轉(zhuǎn)速傳感器1

在被測(cè)轉(zhuǎn)速的轉(zhuǎn)軸上安裝一個(gè)齒盤，也可選取機(jī)械系統(tǒng)中的一個(gè)齒輪，將線性型霍爾器件及磁路系統(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性地變化，霍爾器件輸出的微小脈沖信號(hào)經(jīng)隔直、放大、整形后可以確定被測(cè)物的轉(zhuǎn)速?；魻栟D(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、整形后輸出高電平；反之，當(dāng)齒輪的空擋對(duì)準(zhǔn)霍爾元件時(shí)，輸出為低電平。例4霍爾轉(zhuǎn)速傳感器2圖8-31霍爾轉(zhuǎn)速傳感器結(jié)構(gòu)輸入軸輸入軸霍爾傳感器（a）（b）圖8-32a霍爾計(jì)數(shù)裝置例5霍爾計(jì)數(shù)裝置1例5霍爾計(jì)數(shù)裝置2圖8-32b霍爾計(jì)數(shù)裝置及電路(a)工作示意圖霍爾開關(guān)傳感器絕緣板磁鐵NS(b)電路圖+12VSL3051ASVT+VCR5RLR4R3R1R2計(jì)數(shù)器當(dāng)鋼球通過霍爾開關(guān)傳感器時(shí)，傳感器可輸出毫伏脈沖電壓，該電壓經(jīng)運(yùn)算放大器A放大后，驅(qū)動(dòng)三極管VT工作，VT輸出端便可接計(jì)數(shù)器進(jìn)行計(jì)數(shù)，并由顯示器顯示檢測(cè)數(shù)值。+12VSL3051ASVT+VCR5RLR4R3R1R2計(jì)數(shù)器例6汽車霍爾電子點(diǎn)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(dāng)缺口對(duì)準(zhǔn)霍爾元件時(shí)，磁通通過霍爾傳感器形成閉合回路，電路導(dǎo)通，霍爾電路輸出≤0.4V的低電平；當(dāng)隔磁罩豎邊的凸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。

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

當(dāng)霍爾傳感器輸出低電平時(shí)，V1截止，V2、V3導(dǎo)通，點(diǎn)火器的初級(jí)繞組有恒定的電流通過；當(dāng)霍爾傳感器輸出高電平時(shí)，V1導(dǎo)通，V2、V3

截止，點(diǎn)火器的初級(jí)繞組電流截止，此時(shí)儲(chǔ)存在點(diǎn)火線圈中的能量由初級(jí)繞組以高壓放電的形式輸出，即放電點(diǎn)火。帶有微型磁鐵的霍爾傳感器例7：霍爾轉(zhuǎn)速傳感器在汽車防抱死裝置ABS中的應(yīng)用若汽車在剎車時(shí)車輪被抱死，將產(chǎn)生危險(xiǎn)。用霍爾轉(zhuǎn)速傳感器來檢測(cè)車輪的轉(zhuǎn)動(dòng)狀態(tài)有助于控制剎車力的大小和防止側(cè)偏?；魻栟D(zhuǎn)速表的其他安裝方法

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)。霍爾元件磁鐵例8：霍爾式接近開關(guān)

當(dāng)磁鐵的有效磁極接近、并達(dá)到動(dòng)作距離時(shí)，霍爾式接近開關(guān)動(dòng)作?；魻柦咏_關(guān)一般還配一塊釹鐵硼磁鐵?；魻柺浇咏_關(guān)

用霍爾IC只能用于鐵磁材料的檢測(cè)，并且還需要建立一個(gè)較強(qiáng)的閉合磁場(chǎng)。

當(dāng)磁鐵隨運(yùn)動(dòng)部件移動(dòng)到距霍爾接近開關(guān)幾毫米時(shí)，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(yùn)動(dòng)部件停止移動(dòng)（否則將撞壞霍爾IC），起限位的作用。

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