第十章 霍爾傳感器一、定義：霍爾傳感器是利用霍爾效應實現

第十章

霍爾傳感器一、定義：霍爾傳感器是利用霍爾效應實現磁--電轉換的一種傳感器。

霍爾傳感器特點：

靈敏度高

線性度好

穩(wěn)定性高

體積小和耐高溫二、霍爾效應和工作原理（一）霍爾效應一塊半導體薄片，長度為L，寬度為b，厚度為d，當它被置于磁感應強度為B的磁場中，如果在它相對的兩側面通以控制電流I，且電流方向與磁場方向正交，則：半導體另外兩側面將會產生一個大小與控制電流I和磁場強度B乘積成正比的電勢UH。UH控制電流極霍爾電極即UH=KH

?

I?B其中KH為霍爾元件的靈敏度。這一現象稱為霍爾效應?；魻栃a生原因：半導體中自由電荷受磁場中洛侖茲力作用而產生的。UH電勢稱為霍爾電勢，半導體薄片就是霍爾元件。（二）工作原理設霍爾元件為N型半導體，當它通過電流I時，半導體中的自由電荷（電子）受到磁場中洛侖茲力FL的作用式中，υ為電子速度，B為垂直于霍爾元件表面的磁場強度。FL使電子運動方向發(fā)生偏移，向某一端積聚，使半導體一端面產生負電荷積聚，另一端面則為正電荷積聚。由于電荷聚積，產生靜電場，即為霍爾電場。該靜電場對電子的作用力FE與洛侖茲力方向相反，將阻止電子繼續(xù)偏轉。式中，UH為霍爾電勢，e為電子電量。當靜電場作用于運動電子上的FE與洛侖茲力FL相等時，電子積累達到動態(tài)平衡，即：FE

=FL所以

UH=b?v?B

流過霍爾元件的電流I為:式中，n為單位體積內自由電子數（載流子濃度）,bd為與電流方向垂直的截面積。若霍爾元件為P型半導體，則:式中p——單位體積內空穴數（載流子濃度）。（三）霍爾系數及靈敏度霍爾系數RH由材料性質決定，它決定霍爾電勢的強弱，只有半導體材料為最佳霍爾傳感器的材料。?。簞t：RH—霍爾傳感器的霍爾系數。

KH——霍爾元件的靈敏度則：

UH=KH

?

I?B設：霍爾元件的靈敏度：指在單位磁感應強度和單位控制電流作用時，所能輸出的霍爾電勢的大小。霍爾電勢除了與材料的性質有關，同時還與霍爾元件的幾何尺寸有關。一般要求：霍爾元件靈敏度越大越好?；魻栐暮穸萪與KH成反比，因此，霍爾元件的厚度越小其靈敏度越高。

UH=(RH/d)?

I?B=KH?

I?B說明：降低霍爾元件厚度d，可以提高靈敏度，但必須兼顧元件的強度。當控制電流I的方向或磁場的方向發(fā)生改變時，輸出的霍爾電勢方向將發(fā)生改變。

當霍爾元件的寬度b加大，或L/b減小時，載流子在偏轉過程中的損失將加大，使UH下降。通常要加以形狀效應修正：式中，f(L/b)——形狀效應系數。

L/b0.51.0……f(L/b)0.3700.675……三、霍爾元件的主要技術參數1、額定功耗P0霍爾元件在環(huán)境溫度T=25℃時，允許通過霍爾元件的電流I和電壓E的乘積。當供給霍爾元件的電壓確定后，根據額定功耗可以知道額定控制電流I，因此有些產品提供額定控制電流，不給出額定功耗P02、輸入電阻Ri和輸出電阻R0

Ri：指控制電流極之間的電阻值。Ro：霍爾電極間的電阻。3、不平衡電勢U0在額定控制電流I作用下，不加磁場時，霍爾電極間的空載霍爾電勢稱為不平衡（不等）電勢。不平衡電勢和額定控制電流I之比為不平衡電阻R。4、霍爾電勢溫度系數

在一定的磁感應強度B和控制電流I作用下，溫度變化1℃時，霍爾電勢變化的百分率，稱霍爾電勢溫度系數。5、內阻溫度系數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Ri與輸出電阻Ro變化的百分率稱內阻溫度系數β。6、靈敏度KH在某一控制電流和一定強度磁場中，輸出極開路時元件的霍爾電勢輸出值。四、霍爾元件連接方式和輸出電路（一）基本測量電路霍爾元件的基本測量電路控制電流I由電源E供給，電位器W用于調節(jié)控制電流I的大小。霍爾元件輸出接負載電阻RL，RL可以是放大器的輸入電阻或測量儀表的內阻。（二）連接方式如果為了獲得較大的霍爾輸出電勢，可以采用幾片疊加的連接方式，（a）為直流供電情況。通過調節(jié)W1、W2使兩個元件的輸出霍爾電勢相等。A、B為輸出端，則它的輸出電勢為單塊的2倍?？刂齐娏鞫瞬⒙?lián)（b）為交流供電情況。（三）霍爾電勢的輸出電路霍爾器件是一種四端器件，本身不帶放大器。各元件輸出端接輸出變壓器B的初級繞組；變壓器的次級便有霍爾電勢信號疊加值輸出?？刂齐娏鞫舜?lián)霍爾電勢一般為毫伏量級，在實際使用時必須加:差分放大器霍爾元件大體分為：線性測量和開關狀態(tài)兩種使用方式。當霍爾元件作線性測量時，最好選用不等位電勢小、穩(wěn)定性和線性度優(yōu)良的霍爾元件?；魻栐嶋H應用時，存在多種因素影響測量精度。造成測量誤差主要因素有兩類；半導體固有特性，主要表現為溫度變化引起的誤差。半導體制造工藝的缺陷，表現為零位誤差。五、霍爾元件的測量誤差和補償方法（一）零位誤差及補償方法零位誤差：霍爾元件在不加控制電流或不加外磁場時，出現的霍爾電勢稱為零位誤差。由制造霍爾元件的工藝問題造成的不等位電勢是主要的零位誤差，原因在于：在工藝上難以保證霍爾元件兩側的電極焊接在同一等電位面上。

根據霍爾元件的工作原理，可以把霍爾元件等效于一個四臂電橋。當控制電流I流過時，即使未加外磁場，A、B兩電極此時仍存在電位差，此電位差被稱為不等位電勢U0。為了減小或消除不等位電勢，可采用電橋平衡原理補償。如果兩個霍爾電勢極A、B處在同一等位面上，橋路處于平衡狀態(tài)，即R1=R2，R3=R4，則：不等位電勢U0=0。如果兩個霍爾電勢極不在同一等位面上，電橋不平衡，則;不等位電勢U0≠0。根據A、B兩點電位高低，判斷通過在橋臂上并聯(lián)電阻方法，使電橋平衡，從而應消除了不等位電勢。給出幾種常用的補償方法:為了消除不等位電勢可在阻值較大的橋臂上并聯(lián)電阻，或在兩個橋臂上同時并聯(lián)電阻。（二）溫度誤差及其補償原因：半導體材料的電阻率、載流子濃度等都會隨溫度變化而變化，因此會導致霍爾元件的內阻(Ri,Ro)、霍爾電勢UH等也隨溫度變化而變化。這種變化程度隨不同半導體材料有所不同。當溫度高到一定程度，產生的變化相當大。?溫度對內阻的影響Si的內阻與溫度關系曲線?溫度對霍爾輸出的影響Si的霍爾輸出與溫度關系曲線使用溫度補償常采用的措施：1、利用輸出回路負載取適當值進行補償應用場合：?輸入控制電流保持恒定?忽略霍爾元件輸入電阻隨溫度變化。在溫度影響下，元件的輸出電阻從Rv0變到Rv，

Rv=Rv0（1+βt）元件的輸出電勢UH=UH0（1+αt）式中α、β為霍爾元件的輸出電勢UH和電阻Rv的溫度系數。負載上得到得電壓為：補償思想：在輸入控制電流恒定的情況下，如果輸出電阻隨溫度增加而增大，引起負載上電壓隨溫度增加而減小。要求Rfz上的電壓隨溫度變化最小的極值條件為：因此當知道霍爾元件的α、β、Rv0時，便可以計算出能實現溫度補償的電阻Rfz的值。2、利用輸入回路的串聯(lián)電阻進行補償應用場合：負載電阻遠大于霍爾元件輸出電阻。補償思想：霍爾元件的控制回路用穩(wěn)壓電源E供電，其輸出端處于開路工作狀態(tài)。

得：當輸入回路串聯(lián)適當的電阻R時，霍爾電勢隨溫度的變化可得到補償。當溫度增加時，霍爾電勢的增加值為：△UH=UH0αt元件的輸入電阻隨溫度的增加值為：△Ri=Ri0βt用穩(wěn)壓源供電時，控制電流的減小量為：它使霍爾電勢的減小量為：應有△UH=△U’H，則:給出霍爾元件的α、β、Ri0值，即可求得R。3、在霍爾元件輸入端采用恒流源來減小溫度的影響應用場合：霍爾元件內阻隨溫度變化引起控制電流發(fā)生較大變化，負載電阻遠大于輸出電阻。補償思想：在電壓源供電回路中串入一個比輸入電阻大很多的電阻R，對霍爾元件輸入端相當于恒流源供電。不能解決霍爾電勢隨溫度變化的問題。△I=△U’H=（三）霍爾元件電磁特性霍爾元件電磁特性：元件輸出霍爾電勢與控制電流、外加磁場關系，元件內阻與外加磁場關系。4、利用熱敏電阻進行補償應用場合：針對采用溫度系數大的半導體材料制成的霍爾元件，且輸出電勢隨溫度變化較大。1、霍爾電勢與控制電流關系在固定磁場下，溫度不變時，UH與I呈線性關系。

UH=KHIB令KI=(UH/I)B=CKI：霍爾元件控制電流靈敏度得：KI=KHB

UH與I的特性呈線性關系。2、霍爾電勢與磁場關系在控制電流恒定，溫度不變時，在B值一定范圍內呈近似線性關系。3、元件內阻與磁場關系磁阻效應：元件內阻隨磁場強度增加而增加。由于磁阻效應，元件霍爾電勢將減小。補償電路設計：第四節(jié)霍爾傳感器應用舉例利用霍爾傳感器的磁－電轉換特性可以十分方便地測量磁場強度、電流等有關的物理量。特點：靈敏度高、體積小、功耗低。

一、霍爾位移傳感器在極性相反，磁場強度相同的兩個永磁體的氣隙間放置一個霍爾元件。在一定范圍內沿x方向的變化梯度dB/dx為一常數當控制電流I恒定不變時，霍爾電勢UH與外磁感應強度B成正比。UH=(RH/d)?

I?B=KH?

I?B若磁場在一定范圍內沿x方向的變化梯度dB/dx為一常數，則當霍爾元件沿x方向移動時，霍爾電勢變化為：式中K——位移傳感器的輸出靈敏度。得UH=Kx說明：UH=Kx

霍爾電勢與位移量成線性關系

輸出電勢的極性反映了元件位移方向

磁場梯度越大，靈敏度越高

磁場梯度越均勻，輸出線性度越好當x=0，則元件置于磁場中心位置，UH=0。

測量范圍：1～2mm的微小位移。

特點：慣性小，響應速度快，無觸點測量。二、集成霍爾傳感器利用硅集成電路工藝將霍爾元件與測量電路集成在一起，實現了材料、元件、電路三位一體。1、霍爾開關集成傳感器利用霍爾效應與集成電路技術結合制成磁敏傳感器，以開關信號形式輸出，常用型號：UGN-3000系列。組成部分：穩(wěn)壓電路，霍爾元件，放大器，整形電路，集電極開路輸出。特性：當外加磁場強度高于Bop時，輸出電壓為高電平，傳感器處于開狀態(tài)。當外加磁場強度低于BRp時，輸出電壓為低電平，傳感器處于關狀態(tài)。一次磁場強度的變化使傳感器完成了一次開關動作。應用：利用開關型霍爾傳感器測轉速測量原理：在非磁材料的圓盤邊緣上粘貼一塊磁鋼，將圓盤固定在被測轉軸上，開關型霍爾傳感器固定在圓盤邊緣附近，圓盤每旋轉一周，霍爾傳感器便輸出一個脈沖，通過頻率計測量脈沖可得轉速。設頻率計的頻率為f，粘貼磁鋼數為z，則轉速為：