第7章霍爾傳感器

第7章霍爾傳感器的原理及其應用7.1概述7.2霍爾傳感器的測量電路和誤差分析7.3霍爾傳感器的應用17.1概述1879年美國物理學家霍爾首先在金屬材料中發(fā)現(xiàn)了霍爾效應，但由于金屬材料的霍爾效應太弱而沒有得到應用。隨著半導體技術的發(fā)展，開始用半導體材料制成霍爾元件，由于它的霍爾效應顯著而得到應用和發(fā)展。

霍爾傳感器是基于霍爾效應將被測量(如電流、磁場、位移、壓力、壓差、轉速等)轉換成電動勢輸出的一種傳感器。不足：轉換率較低、溫度影響大、要求轉換精度較高時必須進行溫度補償優(yōu)勢：結構簡單、體積小、堅固、頻率響應寬(從直流到微波)、動態(tài)范圍(輸出電動勢的變化)大、非接觸、使用壽命長、可靠性高、易于微型化和集成化等優(yōu)點下一頁返回27.1概述7.1.1霍爾元件的結構霍爾元件由霍爾片、4根引線和殼體組成?；魻柶阂粔K矩形半導體單晶薄片，在長度方向兩端面焊有a、b兩根控制電流端引線，通常用紅色導線。其焊接處稱為控制電流極(或稱激勵電流)，要求焊接處接觸電阻很小，并呈純電阻，即歐姆接觸。薄片的另兩側端面的中間以點的形式對稱地焊有c、d兩根霍爾輸出引線，通常用綠色導線。其焊接處稱為霍爾電極，要求歐姆接觸，且電極寬度與基片長度之比小于0.1，否則影響輸出。殼體：用非導磁金屬、陶瓷或環(huán)氧樹脂封裝。上一頁下一頁返回37.1概述上一頁下一頁返回目前，最常用的霍爾元件材料是鍺(Ge},硅(Si)、銻化錮(InSb),砷化錮(InAs）和不同比例亞砷酸錮和磷酸錮組成的In型固熔體等半導體材料。20世紀80年代末出現(xiàn)了一種新型霍爾元件—超晶格結構(砷化鋁/砷化稼)的霍爾器件，它可以用來測10-11T的微磁場。超晶格霍爾元件是霍爾元件的一個質的躍。47.1概述7.1.2霍爾傳感器的命名H：霍爾元件；Z/S/T：材料；#：序號參數(shù)名稱符號單位HZ-1型HZ-2型HZ-3型HZ-4型HT-1型HT-2型HS-1型材料（N）型Ge（111）Ge（111）Ge（111）Ge（100）InSbInSbInAS電阻率·cm0.8～1.20.8～1.20.8～1.20.4～0.50.003～0.010.003～0.050.01幾何尺寸L×b×dmm38×4×0.24×2×0.28×4×0.28×4×0.26×3×0.28×4×0.28×4×0.2輸入電阻Ri110±20%110±20%110±20%45±20%0.8±20%0.8±20%1.2±20%輸出電阻Ru100±20%100±20%100±20%40±20%0.5±20%0.5±20%1±20%靈敏度KHmV/(mA·T)>12>12>12>41.8±20%1.8±20%1±20%不等位電阻ro<0.07<0.05<0.07<0.02<0.005<0.005<0.00357.1概述7.1.3霍爾傳感器的工作原理通有電流的半導體薄片置于磁場中，當電流方向與磁場方向不一致時，半導體薄片上垂直于電流和磁場的方向上產生洛倫茲力，使得平行于電流x磁場面的兩個面之間產生電動勢，這種現(xiàn)象稱為霍爾效應，該電動勢稱霍爾電勢，半導體薄片稱霍爾元件。上一頁下一頁返回BIF電動勢：單位正電荷移動到高電位端的本領；電壓升電壓：單位正電荷移動到低點位所做的功；電壓降例：循環(huán)水路的水泵制造水壓差；水在水壓差的驅使下流動67.1概述磁場強度B越強，霍爾電勢EH也就越高。左手定則：四指電流方向；磁力線穿過掌心，拇指即洛倫茲力方向（負電荷移動方向）上一頁下一頁返回77.1概述霍爾電勢EH可用下式表示。

EH=KHIB(7-1)式中KH

——霍爾元件的靈敏度，它表示霍爾元件在單位磁感應強度和單位激勵電流作用下霍爾電勢的大小。

KH=1/nde(7-2)式中n—電子濃度;單位體積中電子的數(shù)量d—薄片厚度;e—電子的電荷量。e=1.6x10-19C上一頁下一頁返回87.1概述7.1.4霍爾傳感器的特性參數(shù)磁場一定時，霍爾電勢EH與控制電流I成正比?？刂齐娏饕欢〞r，霍爾電勢EH與磁感應強度B成正比。只有磁感應強度小于0.5T時，上述的線性關系才較好。磁場和電流方向不垂直怎么辦？

答：計算等效磁場強度(垂直分量)：

EH=KHIBsinα

EH=KHIBcosβ上一頁下一頁返回EH=KHIBIBαβ97.1概述KH=1/nde

金屬材料的電子濃度（n）很高絕緣材料電阻率極高，電子遷移率很小半導體材料的載流子濃度和電阻率適中元件厚度d越小，靈敏度越高。因此元件一般在1μm左右因為薄，擊穿電壓低，因此控制電流要低載流子：電流載體。

金屬：電子

半導體：電子，及電子缺失留下的空穴

電解液：正負離子107.1概述霍爾元件的主要特性參數(shù)如下：1.額定控制電流IC

與最大控制電流ICM

霍爾元件在空氣中產生10oC的溫升時所施加的控制電流值稱為額定控制電流IC。在相同的磁場感應強度下，IC值較大則霍爾效應更明顯，可獲得較大的輸出電壓。但增大控制電流，霍爾元件的功耗加大，溫度升高，溫漂增大。限制IC的主要因素是散熱條件。一般鍺元件最大的允許溫升為ΔTm<80oC硅元件ΔTm<175oC

當霍爾元件的溫升達到ΔTm時，ICM就是最大控制電流。上一頁下一頁返回117.1概述因此每種型號的霍爾元件均規(guī)定了相應的最大控制電流，它的數(shù)值從幾毫安至十幾毫安。

以下哪一個激勵電流的數(shù)值較為妥當？8μA 0.8mA 8mA 80mA

127.1概述2.輸入電阻Ri和輸出電阻Ro霍爾片中兩個控制電極間的電阻稱為輸入電阻Ri

，兩個霍爾電極間的電阻稱為輸出電阻Ro。一般Ri、Ro為幾歐姆到幾百歐姆，通常Ro>Ri，但二者相差不大。3.乘積靈敏度KH

單位控制電流和單位磁感應強度下，霍爾電勢輸出端開路時的電勢值，其單位為V/AT，越大越好?；魻栐€有磁靈敏度、電路靈敏度和電勢靈敏度等技術指標。上一頁下一頁返回EH=KHIB==>137.1概述4.不等位電勢EM和不等位電阻RM當I≠0而B=0時，理論上應有EH=0。實際使用中由于(a)兩個霍爾電極安裝不對稱或不在同一等電位面上(b)半導體材料的電阻率或幾何尺寸不均勻(c)控制地電路接觸不良等原因使得當I≠0，B=0時，EH

≠0。此時，EH

值定義為不等位電勢

EM

。不等位電勢EM與額定控制電流IC

之比，稱為不等位電阻RM:

(7-4)上一頁返回147.1概述不等位電勢：當霍爾元件的控制電流為額定值，元件所處位置的磁感應強度為零時，測得的空載霍爾電勢。下圖不等位電勢是由霍爾電極2、2‘和之間的電阻決定的，r0稱不等位電阻

157.2霍爾傳感器的測量電路

和誤差分析7.2.1霍爾傳感器的測量電路控制電流I由電壓源E供給R是調節(jié)電阻，用以根據(jù)要求改變I的大小輸出的負載電阻RL一般為放大器的電阻或表頭內阻。所施加的外電場B一般與霍爾元件的平面垂直?？刂齐娏饕部梢允墙涣麟姟Ｓ捎诮⒒魻栃璧臅r間短（10-14~10-12s），控制電流的頻率可達109Hz以上。下一頁返回167.2霍爾傳感器的測量電路和誤差分析7.2.2霍爾傳感器的誤差分析霍爾元件對溫度的變化很敏感。為了減少測量中的溫度誤差，除了選用溫度系數(shù)小的霍爾元件或采取一些恒溫措施外，還可使用以下溫度補償方法。上一頁下一頁返回171.恒流源供電EH=KHIB恒流源通過保持I恒定，可保持EH穩(wěn)定但KH也是溫度的函數(shù)，隨溫度變化假設KH的溫度系數(shù)為α，溫度由0時刻到t時刻變化了Δt，則：

K'H=KH[1+αΔt]如果α>0(正溫度系數(shù))，則溫度升高Δt使EH放大了αΔt倍7.2霍爾傳感器的測量電路和誤差分析18思考：如何在KH變化了αΔt倍之后還使EH保持恒定呢？思路：減小I途徑：并聯(lián)電阻進行自動分流目的：當霍爾元件的內阻隨溫度升高而增加時，旁路分流電阻自動地加強分流，減少元件的控制電流已知：R0--元件t0時內阻值；α--靈敏度溫度系數(shù)；

β--元件內阻溫度系數(shù)；δ--補償電阻的溫度系數(shù)由：KH0I=KHtI'可推出：7.2霍爾傳感器的測量電路和誤差分析EH=KHIB197.2霍爾傳感器的測量電路和誤差分析2.熱敏元件對于溫度系數(shù)較大的霍爾元件，采用圖7-6的溫度補償電路，圖中Rt是熱敏元件(熱電阻或熱敏電阻)。輸入回路進行溫度補償?shù)碾娐罚河肦t的變化來抵消霍爾元件的靈敏度

KH和輸入電阻

Ri的變化對霍爾輸出電勢EH的影響。輸出回路進行溫度補償?shù)碾娐罚河肦t的變化來抵消霍爾電勢

EH和輸出電阻

Ro變化對負載電阻RL上的電壓UL的影響。保證霍爾電勢EH不變保證測量電壓UL不變207.2霍爾傳感器的測量電路和誤差分析3.不等位電勢的補償不等位電勢與霍爾電勢具有相同的數(shù)量級，有時甚至會超過霍爾電勢。實用中，不等位電勢極難消除，只有采用補償?shù)姆椒?。不等位電勢由不等位電阻產生，因此可以用分析電阻的方法找到一個不等位電勢的補償方法?？梢园鸦魻栐暈橐粋€4臂電阻電橋

返回R2R3R4217.2霍爾傳感器的測量電路和誤差分析這樣不等位電勢就相當于電橋的初始不平衡輸出電壓。理想情況下，不等位電勢為零，即電橋平衡，相當于R1=R2=R3=R4所有能夠使電橋達到平衡的方法均可用于補償不等位電勢，使不等位電勢為零。上一頁下一頁返回227.2霍爾傳感器的測量電路和誤差分析1.基本補償電路霍爾元件的不等位電勢補償電路有很多形式，圖7-9為兩種常見電路，其中RP是調節(jié)電阻。圖7-9(a)是在造成電橋不平衡的電阻值較大的一個橋臂上并聯(lián)RP，通過調節(jié)RP使電橋達到平衡狀態(tài)，稱為不對稱補償電路；圖7-9(b)則相當于在兩個電橋臂上并聯(lián)電阻，稱為對稱補償電路。上一頁下一頁返回基本補償電路沒有考慮溫度的影響溫度變化時需要重新平衡不等位電勢237.2霍爾傳感器的測量電路和誤差分析2.具有溫度補償?shù)难a償電路圖7-10是一種常見的具有溫度補償?shù)牟坏任浑妱菅a償電路。補償電路本身也為橋式電路。補償電路工作電壓由霍爾元件的控制電壓提供其中一個橋為熱敏電阻Rt

，與霍爾元件的等效電阻的溫度特性相同。上一頁下一頁返回247.2霍爾傳感器的測量電路和誤差分析在磁感應強度B為零時調節(jié)RP1和RP2，使補償電壓抵消霍爾元件此時輸出的不等位電勢，從而使B=0時的總輸出電壓為零。在霍爾元件的工作溫度下限T1時，保持RP2的位置，通過調節(jié)電位器RP1來調節(jié)補償電橋的工作電壓，使補償電壓抵消此時的不等位電勢。工作溫度升高時，保持RP1的位置，調節(jié)RP2使補償電壓抵消此時的不等位電勢。此時補償電壓包含兩個分量：抵消原不等位電勢的分量抵消溫度變化引起的不等位電勢變化的分量上一頁返回25總結：使用橋式補償電路，可在霍爾元件的整個溫度范圍內對不等位電勢進行良好的補償，并且對其恒定部分和變化部分可獨立調節(jié)，因此可達到相當高的補償精度7.2霍爾傳感器的測量電路和誤差分析267.3霍爾傳感器的應用電路霍爾元件具有結構簡單、體積小、質量輕、頻帶寬、動態(tài)性能好和壽命長等許多優(yōu)點，因而得到廣泛應用。在電磁測量中，用它測量恒定的或交變的磁感應強度、有功功率、無功功率、相位、電能等參數(shù);在自動檢測系統(tǒng)中，多用于位移、壓力的測量。下一頁返回27霍爾元件可制成位移傳感器霍爾元件置于兩相反方向的磁場中在a、b兩端通入控制電流i左半產生的霍爾電勢VH1和右半產生的霍爾電勢VH2方向相反c，d兩端輸出電壓是VH1-VH2，若使初始位置時VH1=VH2，則輸出電壓為零。當霍爾元件相對于磁極作x方向位移時，可得到輸出電壓VH=VH1-VH2，且ΔVH數(shù)值正比于位移量Δx，正負方向取決于位移Δx的方向霍爾元件傳感器既能測量位移的大小，又能鑒別位移的方向

7.3霍爾傳感器的應用電路287.3霍爾傳感器的應用電路1.霍爾接近開關霍爾接近開關將磁場強度B的變化轉變?yōu)檩敵鲂盘?，是一個無接觸磁控開關。磁鐵靠近時，開關接通;磁鐵離開后，開關斷開。下一頁返回29車門閉合警示汽車的四個門框上各安裝一個開關型霍爾傳感器，在車門適當位置各固定一塊磁鋼。開門時磁鋼遠離霍爾開關，輸出端為高電平。若四個門中有一個未關好，或非門輸出為低電平，紅燈亮；若四個門都關好，或非門輸出為高電平，綠燈亮，表示車門關好30317.3霍爾傳感器的應用電路2.霍爾式壓力傳感器霍爾壓力傳感器包括兩部分:彈性元件;霍爾元件和磁路系統(tǒng)。圖7-13所示，當被測壓力發(fā)生變化時，彈簧管端部發(fā)生位移，帶動霍爾片在均勻梯度磁場中移動，作用在霍爾片的磁場發(fā)生變化，輸出的霍爾電勢改變，由此知道壓力的變化。并且霍爾電勢與位移(壓力)成線性關系。上一頁下一頁返回32337.3霍爾傳感器的應用電路3.霍爾式轉速傳感器轉盤的輸入軸與被測轉軸相連，當被測轉軸轉動時，轉盤隨之轉動，固定在轉盤附近的霍爾傳感器便可在每一個小磁場通過時產生一個相應的脈沖，檢測出單位時間的脈沖數(shù)，便可知道被測轉速。上一頁下一頁返回347.3霍爾傳感器的應用電路35霍爾轉速表

在被測轉速的轉軸上安裝一個齒盤，也可選取機械系統(tǒng)中的一個齒輪，將線性型霍爾器件及磁路系統(tǒng)靠近齒盤。齒盤的轉動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經隔直、放大、整形后可以確定被測物的轉速。SN線性霍爾磁鐵36霍爾轉速表原理

當齒對準霍爾元件時，磁力線集中穿過霍爾元件，可產生較大的霍爾電動勢，放大、整形后輸出高電平；反之，當齒輪的空擋對準霍爾元件時，輸出為低電平。37霍爾轉速傳感器在汽車防抱死裝置（ABS）中的應用

若汽車在剎車時車輪被抱死，將產生危險。用霍爾轉速傳感器來檢測和保持車輪的轉動，有助于控制剎車力的大小和防止側偏。帶有微型磁鐵的霍爾傳感器鋼質霍爾387.3霍爾傳感器的應用電路無刷電動機電刷39霍爾式無刷電動機

霍爾式無刷電動機取消了換向器和電刷，而采用霍爾元件來檢測轉子和定子之間的相對位置，其輸出信號控制電樞電流的換向，維持電動機的正常運轉。無刷電動機不產生電火花及電刷磨損等問題，在錄像機、CD唱機、光驅等家用電器中得到越來越廣泛的應用。

普通直流電動機使用的電刷和換向器40無刷電動機在電動自行車上的應用

無刷電動機41無刷電動機在電動自行車上的應用

三個霍爾位置傳感器產生六個狀態(tài)編碼信號控制各功率管通斷三相內定子線圈與外轉子之間產生連續(xù)轉矩。具有效率高、無火花、可靠性強等特點。42電動自行車的無刷電動機及控制電路43光驅用無刷電動機447.3霍爾傳感器的應用電路4.電動機停轉報警器電動機停轉報警電路主要由霍爾檢測和報警電路兩個部分組成。當電動機轉動時，電動機轉軸上的磁鐵以一定的頻率經過霍爾傳感器，不斷地輸出脈沖信號，經C1藕合，二極管VD1、VD2整流，在C2上形成直流高電平，晶體管VT1截止，音樂IC無觸發(fā)信號，無聲音輸出。當電動機停止轉動時，霍爾式傳感器無脈沖信號輸出。C2為低電平，VT1導通，音樂IC觸發(fā)，揚聲器BL發(fā)出聲音。VD3~VD5

起降壓作用(音樂IC的電源電壓一般為3V)。上一頁下一頁返回457.3霍爾傳感器的應用電路5.霍爾式汽車無觸點點火裝置傳統(tǒng)的機電汽缸點火裝置使用機械式的分電器，存在著點火時間不準確、觸點易磨損等缺點?；魻栭_關無觸點晶體管點火裝置可以克服上述缺點，并提高燃燒效率。四汽缸汽車點火裝置如圖7-16所示，磁輪鼓代替了傳統(tǒng)的凸輪及白金觸點。磁輪鼓與發(fā)動機主軸連接，上裝有與汽缸數(shù)相應的4塊磁鋼。當發(fā)動機帶動磁輪鼓轉動時，每當磁鋼轉動到霍爾傳感器處時，傳感器即輸出一個與汽缸活