霍爾效應(yīng)傳感器基本組成及原理

霍爾效應(yīng)傳感器基本組成及原理第一頁，共十八頁，編輯于2023年，星期五霍爾效應(yīng)傳感器基本組成及原理

霍爾效應(yīng)傳感器是基于霍爾效應(yīng)：當一塊導(dǎo)電的平面與磁力線垂直地放置在磁場中，將在平面上產(chǎn)生一個與電流方向和磁場方向都垂直的電場。如圖1，當電流流過一個半導(dǎo)體平面（霍爾單元），與電流平行的兩個端面引出兩條導(dǎo)線作為輸出信號端，此時，沒有磁場施加在半導(dǎo)體平面，輸出端的電壓為零。深圳市銘之光電子技術(shù)有限公司傳感器專家網(wǎng)

第二頁，共十八頁，編輯于2023年，星期五第三頁，共十八頁，編輯于2023年，星期五如果與半導(dǎo)體平面垂直的方向加一個磁場，如圖2，此時，有勞倫茨力施加在電流上，使電流分布變形，同時在輸出端形成了電位差。這個電位差就稱為霍爾電壓，它的大小與流過的電流I及穿過的磁場強度成正比。深圳市銘之光電子技術(shù)有限公司傳感器專家網(wǎng)第四頁，共十八頁，編輯于2023年，星期五第五頁，共十八頁，編輯于2023年，星期五霍爾電壓與電流I和磁場強度B的乘積成正比，對于最常用的硅半導(dǎo)體材料，此比例系數(shù)是7uV/Vs/Gauss，其中,Vs是生成電流I的電壓。從此系數(shù)可以看出，生成的霍爾電壓是非常小的，實際應(yīng)用中，需要放大器對此信號進行放大。

硅半導(dǎo)體材料也有壓電效應(yīng)，當有機械變形時，會引起其電阻值的變化，這樣，當有應(yīng)力引起硅變形時，必將影響霍爾傳感器的效果，實際應(yīng)用中，通常使用多個霍爾單元，來減小機械變形的影響，如使用兩個或四個霍爾單元，第六頁，共十八頁，編輯于2023年，星期五

霍爾單元只是個基本的磁傳感器，對多數(shù)應(yīng)用來說，還需要信號調(diào)理電路，將信號放大，同時增加溫度補償，使輸出信號可以被其他電路或系統(tǒng)使用。同時如果供電電源沒有穩(wěn)壓，還需要相應(yīng)的電源調(diào)整電路。第七頁，共十八頁，編輯于2023年，星期五第八頁，共十八頁，編輯于2023年，星期五如圖3，這是一個基本的霍爾傳感器，因為霍爾電壓是與磁場強度成比例，而磁場是有方向的，當磁場方向變化時，其生成的霍爾電壓的極性也發(fā)生變化。所以圖中用的是雙電源的差分放大器，它需要正負兩組電源，使設(shè)計復(fù)雜，為簡化設(shè)計，通常給差分放大器加上一定的偏置，從而只需要單電源供電。當磁場為0時,差分放大器輸出一定的基準電壓，當感應(yīng)到正向磁場時，放大器輸出的電壓高于基準電壓，當感應(yīng)到反向磁場時，放大器輸出的電壓低于基準電壓，如圖4是一個簡單的模擬電壓輸出的霍爾傳感器。第九頁，共十八頁，編輯于2023年，星期五第十頁，共十八頁，編輯于2023年，星期五

對于模擬電壓輸出的霍爾傳感器，當正向磁場強度越大，輸出的電壓越高，當輸出電壓達到電源電壓的限制時，輸出電壓不在隨正向磁場強度的增大而增大，此時，電路達到飽和。同樣，當反向磁場強度越大時，輸出的電壓越低，當輸出電壓達到電源地的限制時，輸出電壓不再隨反向磁場強度的增大而減小。

為了增加傳感器接口的靈活性，滿足更多應(yīng)用的要求，在差分放大器的輸出端通常會加上射極開路電路、集電極開路電路、或推挽式放大電路等。第十一頁，共十八頁，編輯于2023年，星期五數(shù)字式輸出霍爾傳感器

在某些應(yīng)用中，我們只需要高或低電平，或者只需開或關(guān)的狀態(tài)，這時，可以在傳感器的差分放大器輸出端加上一級施密特觸發(fā)電路，如圖5所示,當磁場高于某個值時，霍爾傳感器輸出為高電平，而當磁場強度下降到另一個值時，霍爾傳感器輸出變?yōu)榈碗娖健５谑?，共十八頁，編輯?023年，星期五第十三頁，共十八頁，編輯于2023年，星期五霍爾效應(yīng)傳感器因其非接觸測量、沒有運動部件、使用溫度范圍寬、響應(yīng)速度快等特點，應(yīng)用越來越廣泛，如用于感應(yīng)電流的變化，則是電流傳感器，用于感應(yīng)磁場的變化，則可以做成位置傳感器、接近開關(guān)、速度傳感器、磁傳感器等。第十四頁，共十八頁，編輯于2023年，星期五霍爾元件基本結(jié)構(gòu)由霍爾片、引線和殼體組成,如圖所示?；魻柶且粔K矩形半導(dǎo)體單晶薄片，引出四個引線。1、1′兩根引線加激勵電壓或電流，稱為激勵電極；2、2′引線為霍爾輸出引線，稱為霍爾電極。霍爾元件殼體由非導(dǎo)磁金屬、陶瓷或環(huán)氧樹脂封裝而成。在電路中霍爾元件可用兩種符號表示。第十五頁，共十八頁，編輯于2023年，星期五第十六頁，共十八頁，編輯于2023年，星期五基本電路RW調(diào)節(jié)控制電流的大小。RL為負載電阻，可以是放大器的內(nèi)阻或指示器內(nèi)阻?；魻栃?yīng)建立的時間極短（10-12～10-14S），I即可以是直流，也可以是交流。若被測物理量是I、B或者IB乘積的函數(shù)，通過測量霍爾電勢UH就可知道被測量的大小。第十