傳感器技術(shù)及應(yīng)用（第二版）霍爾式傳感器

霍爾式傳感器本章內(nèi)容

6.1霍爾效應(yīng)及霍爾元件

6.2應(yīng)用舉例

學(xué)習(xí)目標(biāo)

了解霍爾效應(yīng)、霍爾元件電路符號(hào)、基本特性和基本結(jié)構(gòu)。掌握霍爾元件的典型應(yīng)用。6.1霍爾效應(yīng)及霍爾元件

6.1.1霍爾效應(yīng)

霍爾式傳感器是利用半導(dǎo)體在磁場(chǎng)中的霍爾效應(yīng)制成的一種傳感器。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。

金屬或半導(dǎo)體薄片在磁場(chǎng)中，當(dāng)有電流流過時(shí)，在垂直于電流和磁場(chǎng)的方向上將產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)，這種物理現(xiàn)象稱為霍爾效應(yīng)。該電勢(shì)稱為霍爾電勢(shì)?；魻栃?yīng)的原理圖如圖6-1所示。圖中為N型半導(dǎo)體薄片，在半導(dǎo)體左右兩端通以電流I（稱為控制電流）。當(dāng)沒有外加磁場(chǎng)作用時(shí)，半導(dǎo)體中電子沿直線運(yùn)動(dòng)。當(dāng)在半導(dǎo)體正面垂直方向加上磁場(chǎng)B時(shí)，電子在洛侖茲力FL的作用下向內(nèi)側(cè)偏移，這樣在半導(dǎo)體內(nèi)側(cè)方向積聚大量的電子，而外側(cè)則積聚大量的正電荷，上下兩個(gè)側(cè)面間形成電場(chǎng)，這一電場(chǎng)就是霍爾電場(chǎng)。圖3-1變磁阻式傳感器1—線圈；2—鐵芯（定鐵芯）；3—銜鐵（動(dòng)鐵芯）該電場(chǎng)強(qiáng)度為

（6-1）式中：UH——電勢(shì)差。圖6-1霍爾效應(yīng)原理圖洛侖茲力FL的大小為

FL=eBv （6-2）

該電場(chǎng)的電場(chǎng)力又阻礙電子的偏移，當(dāng)電場(chǎng)力FE與洛侖茲力相等時(shí)，即

eEH=eBv（6-3）則EH=Bv（6-4）

此時(shí)電荷不在向兩側(cè)面積累，達(dá)到平衡狀態(tài)。若金屬導(dǎo)電板單位體積內(nèi)電子數(shù)為n，電子定向運(yùn)動(dòng)平均速度為v，則激勵(lì)電流I=nevbd，則（6-5）

將式（6-5）代入式（6-4），得

（6-6）將式（6-6）代入式（6-1），得

（6-7）式中：令RH=1/ne，稱之為霍爾常數(shù)，其大小取決于導(dǎo)體載流子密度。則

（6-8）式中：KH=RH/d稱為霍爾片的靈敏度。從上面的公式可以看出，霍爾電勢(shì)正比于電流強(qiáng)度和磁場(chǎng)強(qiáng)度，且與霍爾元件的形狀有關(guān)。在電流強(qiáng)度恒定，元件形狀確定的情況下，霍爾電勢(shì)正比于磁場(chǎng)強(qiáng)度。當(dāng)所加磁場(chǎng)方向改變時(shí)，霍爾電勢(shì)的符號(hào)也隨著改變，因此，利用霍爾元件可以測(cè)量磁場(chǎng)的大小和方向?；魻栃?yīng)演示cdab當(dāng)磁場(chǎng)垂直于薄片時(shí)，電子受到洛侖茲力的作用，向內(nèi)側(cè)偏移，在半導(dǎo)體薄片c、d方向的端面之間建立起霍爾電勢(shì)。

6.1.2霍爾元件的基本結(jié)構(gòu)

霍爾元件是根據(jù)霍爾效應(yīng)原理制成的磁電轉(zhuǎn)換元件，常用鍺、硅、砷化鎵、砷化銦及銻化銦等半導(dǎo)體材料制成。用銻化銦制成的霍爾元件靈敏度最高，但受溫度的影響較大。用鍺制成的霍爾元件雖然靈敏度低，但它的溫度特性及線性度好。目前使用銻化銦霍爾元件的場(chǎng)合較多。如圖6-2（a）所示是霍爾元件的外形結(jié)構(gòu)圖，它由霍爾片、四根引線和殼體組成，激勵(lì)電極通常用紅色線，而霍爾電極通常用綠色或黃色線表示。

（a）（b）圖6-2霍爾元件（a）外形示意圖；（b）圖形符號(hào)

1、1′—激勵(lì)電極；2、2′—霍爾電極霍爾元件由霍爾片、四根引線和殼體組成

6.1.3霍爾元件的基本特性1、線性特性與開關(guān)特性線性特性是指霍爾元件的輸出電動(dòng)勢(shì)UH分別和基本參數(shù)I、B成線性關(guān)系，開關(guān)特性是指霍爾元件的輸出電動(dòng)勢(shì)UH在一定區(qū)域隨B增加迅速增加的特性。圖6-3霍爾元件的特性

2、不等位電勢(shì)U0和不等位電阻r0

霍爾元件在額定激勵(lì)電流作用下，若元件不加外磁場(chǎng)，輸出的霍爾電勢(shì)的理想值應(yīng)為零，但實(shí)際不等于零，此時(shí)的空載霍爾電勢(shì)稱為不等位電勢(shì)。原因有以下幾方面。（1）存在電極的安裝位置不對(duì)稱；（2）半導(dǎo)體材料電阻率不均衡或幾何尺寸不均勻；（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)也可以用不等位電阻r0表示，其值為不等位電勢(shì)與激勵(lì)電流I的比值，如圖6-4所示。圖6-4不等位電阻

一般采用的方式利用補(bǔ)償?shù)脑韥硐坏任浑妱?shì)誤差的影響。如圖6-5所示，霍爾元件可以等效為一個(gè)四臂電橋，當(dāng)存在不等位電阻時(shí)，說明電橋不平衡，四個(gè)電阻值不相等。為了使電橋平衡，可以采用兩種補(bǔ)償方法：第一，在電橋阻值較大的橋臂上并聯(lián)電阻，這種補(bǔ)償方式被稱為不對(duì)稱補(bǔ)償。第二，在兩個(gè)橋臂上同時(shí)并聯(lián)電阻，這種補(bǔ)償方式被稱為對(duì)稱補(bǔ)償。（a）（b）圖6-5不等位電勢(shì)補(bǔ)償電路（a）不對(duì)稱補(bǔ)償；（b）對(duì)稱補(bǔ)償

3、負(fù)載特性

在線性特性中描述的霍爾電動(dòng)勢(shì)，是指霍爾電極間開路或測(cè)量?jī)x表阻抗無窮大情況下測(cè)得的。當(dāng)霍爾電極間串聯(lián)有負(fù)載時(shí)，由于要流過霍爾電流，故在其內(nèi)祖上產(chǎn)生壓降，實(shí)際的霍爾電動(dòng)勢(shì)比理論值略小。這就是霍爾元件的負(fù)載特性。4、溫度特性

霍爾元件的溫度特性包括霍爾電動(dòng)勢(shì)、靈敏度、輸入阻抗和輸出阻抗的溫度特性。一般半導(dǎo)體材料都具有較大的溫度系數(shù)。所以當(dāng)溫度發(fā)生變化時(shí)，霍爾元件的載流子濃度、遷移率、電阻率以及霍爾系數(shù)都會(huì)發(fā)生變化。為了減小溫度誤差，除了使用溫度系數(shù)小的半導(dǎo)體材料（如砷化銦）外，還可以采用適當(dāng)?shù)难a(bǔ)償電路進(jìn)行補(bǔ)償。（6-9）

5、寄生直流電勢(shì)

當(dāng)沒有外加磁場(chǎng)，霍爾元件用交流控制電流，霍爾電極的輸出有一個(gè)直流電勢(shì)，稱為寄生直流電勢(shì)。當(dāng)霍爾元件的電極焊點(diǎn)是不完全的歐姆接觸（指金屬與半導(dǎo)體的接觸，其接觸面的電阻值遠(yuǎn)小于半導(dǎo)體本身的電阻），霍爾電極焊點(diǎn)大小不等、熱容量不同時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生寄生直流電動(dòng)勢(shì)。寄生直流電動(dòng)勢(shì)與工作電流有關(guān)，隨工作電流減小而減小。因此要求元件在制作安裝時(shí)，盡量做到使電極歐姆接觸，并做到散熱均勻。

6.1.4測(cè)量電路

霍爾元件的基本測(cè)量電路如圖6-6所示。激勵(lì)電流由電源E供給，可變電阻RP用來調(diào)節(jié)激勵(lì)電流I的大小。RL為輸出霍爾電勢(shì)UH的負(fù)載電阻。圖6-6測(cè)量電路6.2應(yīng)用舉例

6.2.1霍爾式微量位移的測(cè)量由霍爾效應(yīng)可知，當(dāng)控制電流恒定時(shí)，霍爾電壓U與磁感應(yīng)強(qiáng)度B成正比，若磁感應(yīng)強(qiáng)度B是位置x的函數(shù)，即

UH=kx （6-11）式中：ｋ——位移傳感器靈敏度。則霍爾電壓的大小就可以用來反映霍爾元件的位置。當(dāng)霍爾元件在磁場(chǎng)中移動(dòng)時(shí)，輸出霍爾電壓U的變化就反映了霍爾元件的位移量Δx。利用上述原理可對(duì)微量位移進(jìn)行測(cè)量。

圖6-4為霍爾式位移傳感器的工作原理圖。圖6-4（a）中磁場(chǎng)強(qiáng)度相同的兩塊永久磁鐵，同極性相對(duì)地放置，霍爾元件處于兩塊磁鐵中間。由于磁鐵中間的磁感應(yīng)強(qiáng)度B=0，由此霍爾元件的輸出電壓U也等于零，這時(shí)位移Δx=0。若霍爾元件在兩磁鐵中間產(chǎn)生相對(duì)位移，霍爾元件感受到的磁感應(yīng)強(qiáng)度也隨之改變，這時(shí)有輸出U，其量值大小反映出霍爾元件與磁鐵之間相對(duì)位置的變化量。這種結(jié)構(gòu)的傳感器，其動(dòng)態(tài)范圍可達(dá)5mm，當(dāng)位移小于2mm時(shí)，輸出霍爾電壓與位移之間有良好的線性關(guān)系。圖6-4（b）所示的是一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的霍爾位移傳感器，是由一塊永久磁鐵組成磁路的傳感器，在霍爾元件處于初始位置Δx=0時(shí)，霍爾電壓不等于零。

圖6-4（c）所示的是一個(gè)由兩個(gè)結(jié)構(gòu)相同的磁路組成的霍爾式位移傳感器，為了獲得較好的線性分布，在磁極端面裝有極靴，霍爾元件調(diào)整好初始位置時(shí)，可以使霍爾電壓等于零。這種傳感器靈敏度很高，但它所能檢測(cè)的位移量較小，適合于微位移量及振動(dòng)的測(cè)量。圖6-4霍爾式位移傳感器的工作原理圖（a）磁場(chǎng)強(qiáng)度相同的傳感器；（b）簡(jiǎn)單的位移傳感器；（c）結(jié)構(gòu)相同的位移傳感器

6.2.2霍爾元件在轉(zhuǎn)速測(cè)量上的應(yīng)用利用霍爾元件測(cè)量轉(zhuǎn)速的工作原理非常簡(jiǎn)單，將永久磁體按適當(dāng)?shù)姆绞焦潭ㄔ诒粶y(cè)軸上，霍爾元件置于磁鐵的氣隙中，當(dāng)軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，霍爾元件輸出的電壓則包含有轉(zhuǎn)速的信息，該電壓經(jīng)后續(xù)電路處理，便可得到轉(zhuǎn)速的數(shù)據(jù)。如圖6-5（a）、（b）是兩種測(cè)量轉(zhuǎn)速方法的示意圖。

（a）（b）（c）（d）圖6-5幾種霍爾式轉(zhuǎn)速傳感器的結(jié)構(gòu)1—輸入軸；2—轉(zhuǎn)盤；3—小磁鐵；4—霍爾傳感器霍爾元件測(cè)量轉(zhuǎn)速演示n=60f4(r/min)軟鐵分流翼片

開關(guān)型霍爾ICT霍爾轉(zhuǎn)速表的安裝方法

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)?；魻栐盆F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?；魻栟D(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。帶有微型磁鐵的霍爾傳感器鋼質(zhì)霍爾6.2.3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。2024/2/21霍爾式接近開關(guān)的內(nèi)部原理圖1、霍爾式接近開關(guān)原理及開關(guān)特性霍爾式集成電路

利用霍爾效應(yīng)可以制成開關(guān)型傳感器，廣泛應(yīng)用于測(cè)轉(zhuǎn)速、制作接近開關(guān)等。如圖6-9所示是霍爾式接近開關(guān)原理圖及工作特性曲線。它主要由霍爾元件、放大電路、整形電路、輸出驅(qū)動(dòng)及穩(wěn)壓電路5部分組成?；魻栭_關(guān)的輸入端是以磁感應(yīng)強(qiáng)度B來表征的，當(dāng)B值達(dá)到一定的程度（如BH）時(shí)，霍爾開關(guān)內(nèi)部的觸發(fā)器翻轉(zhuǎn)，霍爾開關(guān)的輸出電平狀態(tài)也隨之翻轉(zhuǎn)。輸出端一般采用晶體管輸出。由工作特性曲線可見，霍爾式接近開關(guān)工作時(shí)具有一定的磁滯特性，可以使開關(guān)更可靠工作。圖中BH為工作點(diǎn)“開”的磁場(chǎng)強(qiáng)度，BL為釋放點(diǎn)“關(guān)”的磁場(chǎng)強(qiáng)度。2024/2/21霍爾式接近開關(guān)輸入/輸出的轉(zhuǎn)移特性2024/2/212、霍爾式接近開關(guān)的安裝方式

為保證霍爾器件，尤其是霍爾開關(guān)器件的可靠工作，在應(yīng)用中要考慮有效工作氣隙的長(zhǎng)度。在計(jì)算總有效工作氣隙時(shí)，應(yīng)從霍爾片表面算起。工作磁體和霍爾器件間的運(yùn)動(dòng)方式有：(a)對(duì)移；(b)側(cè)移；(c)旋轉(zhuǎn)；(d)遮斷

如圖6-11所示是應(yīng)用于計(jì)數(shù)的霍爾接近開關(guān)原理圖。當(dāng)帶磁性的物體接近霍爾元件時(shí)，霍爾元件就輸出一個(gè)脈沖電壓，經(jīng)過放大整形后驅(qū)動(dòng)光電管工作，計(jì)數(shù)器便進(jìn)行計(jì)數(shù)，并由顯示器進(jìn)行顯示。2、霍爾式接近開關(guān)用于金屬計(jì)數(shù)器圖6-11霍爾式接近開關(guān)應(yīng)用于計(jì)數(shù)電原理圖

本章小結(jié)霍爾式傳感器是利用半導(dǎo)體在磁場(chǎng)中的霍爾效應(yīng)制成的一種傳感器。位于磁場(chǎng)中的靜止載流導(dǎo)體，當(dāng)電流I的方向與磁場(chǎng)強(qiáng)度H的方向垂直時(shí)，則在載流導(dǎo)體中平行與H、I的兩側(cè)面之間將產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)，這個(gè)電動(dòng)勢(shì)稱為霍爾電勢(shì)，這種物理現(xiàn)象稱為霍爾效應(yīng)。利用霍爾效應(yīng)原理制成的傳感器稱為霍爾式傳感器。描述霍爾器件的基本特性有線性特性與開關(guān)特性、不等位電勢(shì)和不等位電阻、寄生直流電勢(shì)、負(fù)載特性、溫度特性等?；魻杺鞲衅鲝V泛用于電磁、壓力、加速度、振動(dòng)等方