霍爾效應(yīng)原理圖

第六章霍爾傳感器本章主要講述內(nèi)容：1、霍爾傳感器的工作原理2、霍爾元件的基本結(jié)構(gòu)和主要技術(shù)指標(biāo)3、霍爾元件的測量電路4、霍爾傳感器舉例3/31/20241概述：

霍爾元件是一種基于霍爾效應(yīng)的磁傳感器，得到廣泛的應(yīng)用?？梢詸z測磁場及其變化，可在各種與磁場有關(guān)的場合中使用?；魻柶骷曰魻栃?yīng)為其工作基礎(chǔ)。特點：

霍爾器件具有許多優(yōu)點，它們的結(jié)構(gòu)牢固，體積小，重量輕，壽命長，安裝方便，功耗小，頻率高，耐震動，不怕灰塵、油污、水汽及鹽霧等的污染或腐蝕。

第一節(jié)霍爾元件的基本工作原理3/31/20242霍爾效應(yīng)原理圖3/31/20243霍爾元件

金屬或半導(dǎo)體薄片置于磁場中，當(dāng)有電流流過時，在垂直于電流和磁場的方向上將產(chǎn)生電動勢，這種物理現(xiàn)象稱為霍爾效應(yīng)。3/31/20244設(shè)圖中的材料是Ｎ型半導(dǎo)體，導(dǎo)電的載流子是電子。在ｚ軸方向的磁場作用下，電子將受到一個沿ｙ軸負(fù)方向力的作用，這個力就是洛侖茲力。它的大小為：FL=－evB

zxyIADBCBlLdUHA、B-霍爾電極C、D-控制電極FL3/31/20245

電荷的聚積必將產(chǎn)生靜電場，即為霍爾電場，該靜電場對電子的作用力為FE與洛侖茲力方向相反，將阻止電子繼續(xù)偏轉(zhuǎn)，其大小為式中EH為霍爾電場，e為電子電量，UH為霍爾電勢。當(dāng)FL=FE時，電子的積累達(dá)到動平衡，即所以IADBCBlLdUHA、B-霍爾電極C、D-控制電極FLFE3/31/20246設(shè)流過霍爾元件的電流為I時，式中l(wèi)d為與電流方向垂直的截面積，n為單位體積內(nèi)自由電子數(shù)(載流子濃度)。則IADBCBlLdUHA、B-霍爾電極C、D-控制電極FLFE3/31/20247令

RH則被定義為霍爾傳感器的霍爾系數(shù)。由于金屬導(dǎo)體內(nèi)的載流子濃度大于半導(dǎo)體內(nèi)的載流子濃度，所以，半導(dǎo)體霍爾系數(shù)大于導(dǎo)體?；魻栂禂?shù)及靈敏度則3/31/20248KH為霍爾元件的靈敏度。由上述討論可知，霍爾元件的靈敏度不僅與元件材料的霍爾系數(shù)有關(guān)，還與霍爾元件的幾何尺寸有關(guān)。一般要求霍爾元件靈敏度越大越好，霍爾元件靈敏度的公式可知，霍爾元件的厚度d與KH成反比。令

則3/31/20249通過以上分析可知：1）霍爾電壓UH與材料的性質(zhì)有關(guān)

n愈大，KH愈小，霍爾靈敏度愈低；

n愈小，KH愈大，但n太小，需施加極高的電壓才能產(chǎn)生很小的電流。因此霍爾元件一般采用N型半導(dǎo)體材料3/31/2024102）霍爾電壓UH與元件的尺寸有關(guān)。

d愈小，KH愈大，霍爾靈敏度愈高，所以霍爾元件的厚度都比較薄，但d太小，會使元件的輸入、輸出電阻增加。霍爾電壓UH與控制電流及磁場強度成正比，當(dāng)磁場改變方向時，也改變方向。3/31/202411若磁場B和霍爾元件平面的法線成一角度θ，則作用于霍爾元件的有效磁感應(yīng)強度為Bcosθ，因此

UH=KHIBcosθIADBCBlLdUHA、B-霍爾電極C、D-控制電極θ3/31/2024123）P型半導(dǎo)體，其多數(shù)載流子是空穴，也存在霍爾效應(yīng)，但極性和N型半導(dǎo)體的相反。4）霍爾電壓UH與磁場B和電流I成正比，只要測出UH，那么B或I的未知量均可利用霍爾元件進(jìn)行測量。3/31/202413一、霍爾元件的基本結(jié)構(gòu)組成由霍爾片、四根引線和殼體組成，如下圖示。第二節(jié)霍爾元件的基本結(jié)構(gòu)和主要技術(shù)指標(biāo)3/31/202414國產(chǎn)霍爾元件型號的命名方法3/31/202415二、主要技術(shù)指標(biāo)1、額定控制電流IC和最大控制電流ICm霍爾元件在空氣中產(chǎn)生10℃的溫升時所施加的控制電流稱為額定控制電流IC。在相同的磁感應(yīng)強度下，IC值較大則可獲得較大的霍爾輸出?；魻栐拗艻C的主要因素是散熱條件。隨著激勵電流的增大，霍爾元件的功耗也隨之增大，元件的溫度升高，將引起霍爾電勢的溫漂。因此對霍爾元件要規(guī)定最大激勵電流。3/31/202416一般鍺元件的最大允許溫升ΔTm<80℃，硅元件的ΔTm<175℃。當(dāng)霍爾元件的溫升達(dá)到ΔTm時的電流就是最大控制電流ICm。3/31/202417霍爾元件的乘積靈敏度定義為在單位控制電流和單位磁感應(yīng)強度下，霍爾電勢輸出端開路時的電勢值，其單位為V（AT），它反應(yīng)了霍爾元件本身所具有的磁電轉(zhuǎn)換能力，一般希望它越大越好。2、乘積靈敏度KH其定義3/31/2024183、輸入電阻Ri和輸出電阻R0Ri是指流過控制電流的電極（簡稱控制電極）間的電阻值，R0是指霍爾元件的霍爾電勢輸出電極（簡稱霍爾電極）間的電阻，單位為Ω?？梢栽跓o磁場即B＝0和室溫（205）℃時，用歐姆表等測量。3/31/202419若溫度變化，則引起輸入電阻變化，從而使輸入電流發(fā)生改變，最終導(dǎo)致霍爾電勢變化。輸出電阻也會隨著環(huán)境溫度的變化而變化。適當(dāng)選擇負(fù)載與之匹配，可以減小霍爾電勢的溫度漂移。3/31/2024203.最大磁感應(yīng)強度BM由霍爾效應(yīng)可知，磁感應(yīng)強度的增加將使霍爾電勢的輸出增加。但磁感應(yīng)強度若超過一定的界限，霍爾電勢的非線性明顯增加，故規(guī)定了BM來抑制非線性。3/31/202421在額定控制電流Ic

之下，不加磁B＝0時，霍爾電極間的空載霍爾電勢UH≠0，稱為不平衡(不等位)電勢，單位為mV。一般要求霍爾元件的UH<1mV，好的霍爾元件的UH可以小于0.1mV。不等位電勢和額定控制電流Ic之比為不等位電阻RM，即

5、不等位電勢UM和不等位電阻RM3/31/202422

不平衡電勢UH是主要的零位誤差。因為在工藝上難以保證霍爾元件兩側(cè)的電極焊接在同一等電位面上。如下圖(a)所示。當(dāng)控制電流I流過時，即使末加外磁場，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（不平衡電勢）UH。3/31/202423

在一定的磁感應(yīng)強度和控制電流下，溫度變化1℃時，霍爾電勢變化的百分率稱為霍爾電勢溫度系數(shù)α，單位為1／℃。6、霍爾電勢溫度系數(shù)α3/31/202424一、基本測量電路控制電流I由電源E供給，電位器R調(diào)節(jié)控制電流I的大小?；魻栐敵鼋迂?fù)載電阻RL，RL可以是放大器的輸入電阻或測量儀表的內(nèi)阻。由于霍爾元件必須在磁場與控制電流作用下，才會產(chǎn)生霍爾電勢UH，所以在測量中，可以把I

第三節(jié)霍爾元件的測量電路與B的乘積、或者I，或者B作為輸入情號，則霍爾元件的輸出電勢分別正比于IB或I或B。3/31/202425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。下圖(a)為直流供電，控制電流端并聯(lián)輸出串聯(lián)。下圖(b)為交流供電，控制電流端串聯(lián)變壓器疊加輸出。連接方式3/31/202426

由于載流子濃度等隨溫度變化而變化，因此會導(dǎo)致霍爾元件的內(nèi)阻、霍爾電勢等也隨溫度變化而變化。這種變化程度隨不同半導(dǎo)體材料有所不同。而且溫度高到一定程度，產(chǎn)生的變化相當(dāng)大。溫度誤差是霍爾元件測量中不可忽視的誤差。針對溫度變化導(dǎo)致內(nèi)阻(輸入、輸出電阻)的變化，可以采用對輸入或輸出電路的電阻進(jìn)行補償。

二、溫度誤差及其補償3/31/202427合理選擇負(fù)載電阻如上圖所示，若霍爾電勢輸出端接負(fù)載電阻RL，則當(dāng)溫度為T時，RL上的電壓可表示為：式中R0—霍爾元件的輸出電阻。3/31/202428當(dāng)溫度由T變?yōu)門+ΔT時，則RL上的電壓變?yōu)槭街笑痢魻栯妱莸臏囟认禂?shù)；β—霍爾元件輸出電阻的溫度系數(shù)。要使UL不受溫度變化的影響，即ΔUL＝0，由上兩式可知，必須對上式進(jìn)行整理可得3/31/202429

對于一個確定的霍爾元件，可以方便地獲得α、β和R0的值，因此只要使負(fù)載電阻RL滿足上式，就可在輸出回路實現(xiàn)對溫度誤差的補償了。雖然RL通常是放大器的輸入電阻或表頭內(nèi)阻，其值是一定的，但可通過串、并聯(lián)電阻來調(diào)整RL的值。3/31/202430（三）采用熱敏元件對于由溫度系數(shù)較大的半導(dǎo)體材料（如銻化銦）制成的霍爾元件，常采用右圖所示的溫度補償電路，圖中Rt是熱敏元件（熱電阻或熱敏電阻）。3/31/202431圖（a）是在輸入回路進(jìn)行溫度補償電路，當(dāng)溫度變化時，用Rt的變化來抵消霍爾元件的乘積靈敏度KH和輸入電阻Ri變化對霍爾輸出電勢UH的影響。3/31/202432

圖（b）則是在輸出回路進(jìn)行溫度補償?shù)碾娐罚?dāng)溫度變化時，用Rt的變化來抵消霍爾電勢UH和輸出電阻R0變化對負(fù)載電阻RL上的電壓UL的影響。在安裝測量電路時，應(yīng)使熱敏元件和霍爾元件的溫度一致。3/31/202433

不等位電勢是霍爾元件在加控制電流而不加外磁場時，而出現(xiàn)的霍爾電勢稱為零位誤差。在分析不等位電勢時，可將霍爾元件等效為一個電橋，如右圖所示?？刂齐姌OA、B和霍爾電極C、D可看作電橋的電阻連接點。它們之間分布電阻R1、R2、R3、R4構(gòu)成四個橋臂，控制電壓可視為電橋的工作電壓。三、不等位電勢的補償3/31/202434

理想情況下，不等位電勢UM=0，對應(yīng)于電橋的平衡狀態(tài)，此時R1＝R2＝R3＝R4。如果霍爾元件的UM≠0，則電橋就處于不平衡狀態(tài)，此時R1、R2、R3、R4的阻值有差異，UM就是電橋的不平衡輸出電壓。只要能使電橋達(dá)到平衡的方法都可作為不等位電勢的補償方法。3/31/202435（一）基本補償電路

霍爾元件的不等位電勢補償電路有多種形式，圖9－7為兩種常見電路，其中RW是調(diào)節(jié)電阻?；狙a償電路沒有考慮溫度變化的影響。當(dāng)溫度發(fā)生變化，需要重新進(jìn)行平衡調(diào)節(jié)。3/31/202436（二）具有溫度補償?shù)难a償電路右圖是一種常見的具有溫度補償?shù)牟坏任浑妱菅a償電路。該補償電路本身也接成橋式電路，其工作電壓有霍爾元件的控制電壓提供；其中一個為熱敏電阻Rt，并且于霍爾元件的等效電阻的溫度特性相同。3/31/202437在該電橋的負(fù)載電阻RP2上取出電橋的部分輸出電壓（稱為補償電壓），與霍爾元件的輸出電壓反向串聯(lián)。在磁感應(yīng)強度B為零時，調(diào)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。3/31/202438優(yōu)點：采用橋式補償電路，可以在霍爾元件的整個溫度范圍內(nèi)對不等位電勢進(jìn)行良好的補償，并且對不等位電勢的恒定部分和變化部分的補償可獨立地進(jìn)行調(diào)節(jié)。所以，可達(dá)到相當(dāng)高的補償精度。3/31/202439第四節(jié)霍爾式傳感器舉例一、將被測量轉(zhuǎn)換為磁感應(yīng)強度B保持霍爾元件的控制電流I恒定不變，就可測量磁感應(yīng)強度B，以及位移、角度等可直接轉(zhuǎn)換為B的物理量，進(jìn)一步還可以測量先轉(zhuǎn)換成位移或角度、然后間接轉(zhuǎn)換為B的物理量，如振動、壓力、速度、加速度、轉(zhuǎn)速等等。下面以霍爾式壓力傳感器為例進(jìn)行說明。3/31/202440

圖9-9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3/31/202441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波登管用以感受壓力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)形成一個均勻梯度磁場，如右圖所示，在其工作范圍內(nèi)，B＝KBx，其中斜率KB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中的位移也是x。這樣，霍爾電勢UH與被測壓力P之間的關(guān)系就可表示為UH＝KHIB＝KHIKBKPP＝KP式中KHIKBKP＝K—霍爾式壓力傳感器的輸出靈敏度。3/31/2024422檢測鐵磁物體在霍爾線性電路背面偏置一個永磁體，如圖所示。圖（a）表示檢測鐵磁物體的缺口，圖（b）表示檢測齒輪的齒。它們的電路接法見圖。用這種方法可以檢測齒輪的轉(zhuǎn)速。

用霍爾線性電路檢測鐵磁物體

用霍爾線性電路檢測齒口的線路

3/31/2024433無損探傷霍爾無損探傷已在炮膛探傷、管道探傷，海用纜繩探傷，船體探傷以及材料檢驗等方面得到廣泛應(yīng)用。鐵磁材料受到磁場激勵時，因其導(dǎo)磁率高，磁阻小，磁力線都集中在材料內(nèi)部。若材料均勻，磁力線分布也均勻。如果材料中有缺陷，如小孔、裂紋等，在缺陷處，磁力線會發(fā)生彎曲，使局部磁場發(fā)生畸變。用霍爾探頭檢出這種畸變，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理，可辨別出缺陷的位置，性質(zhì)（孔或裂紋）和大?。ㄈ缟疃取挾鹊龋?，圖示出兩種用于無損探傷的探頭結(jié)構(gòu)。

(a)無損探傷的探頭結(jié)構(gòu)(b)檢測板材用

圖1用于無損探傷的兩種霍爾探頭

3/31/2024444霍爾齒輪傳感器新一代的霍爾齒輪轉(zhuǎn)速傳感器，廣泛用于新一代的汽車智能發(fā)動機，作為點火定時用的速度傳感器，用于ABS（汽車防抱死制動系統(tǒng)）作為車速傳感器等。在汽車的新一代智能發(fā)動機中，用霍爾齒輪傳感器來檢測曲軸位置和活塞在汽缸中的運動速度，以提供更準(zhǔn)確的點火時間，其作用是別的速度傳感器難以代替的，它具有如下許多新的優(yōu)點。3/31/2024455霍爾接近傳感器和接近開關(guān)在霍爾器件背后偏置一塊永久磁體，并將它們和相應(yīng)的處理電路裝在一個殼體內(nèi)，做成一個探頭，將霍爾器件的輸入引線和處理電路的輸出引線用電纜連接起來，構(gòu)成如圖2所示的接近傳感器。圖2霍爾接近傳感器的外形圖3/31/202446霍爾線性接近傳感器主要用于黑色金屬的自控計數(shù)，黑色金屬的厚度檢測、距離檢測、齒輪數(shù)齒、轉(zhuǎn)速檢測、測速調(diào)速、缺口傳感、張力檢測、棉條均勻檢測、電磁量檢測、角度檢測等。接近開關(guān)霍爾接近開關(guān)主要用于各種自動控制裝置，完成所需的位置控制，加工尺寸控制、自動計數(shù)、各種計數(shù)、各種流程的自動銜接、液位控制、轉(zhuǎn)速檢測等等。3/31/2024476旋轉(zhuǎn)傳感器

按不同的方法設(shè)置磁體，將它們和霍爾開關(guān)電路組合起來可以構(gòu)成各種旋轉(zhuǎn)傳感器?；魻栯娐吠姾?，磁體每經(jīng)過霍爾電路一次，便輸出一個電壓脈沖。

(a)徑向磁極(b)軸向磁極(c)遮斷式

圖3旋轉(zhuǎn)傳感器磁體設(shè)置

3/31/202448由此，可對轉(zhuǎn)動物體實施轉(zhuǎn)數(shù)、轉(zhuǎn)速、角度、角速度等物理量的檢測。在轉(zhuǎn)軸上固定一個葉輪和磁體，用流體（氣體、液體）去推動葉輪轉(zhuǎn)動，便可構(gòu)成流速、流量傳感器。在車輪轉(zhuǎn)軸上裝上磁體，在靠近磁體的位置上裝上霍爾開關(guān)電路，可制成車速表，里程表等等。

3/31/202449圖4霍爾流量計圖4的殼體內(nèi)裝有一個帶磁體的葉輪，磁體旁裝有霍爾開關(guān)電路，被測流體從管道一端通入，推動葉輪帶動與之相連的磁體轉(zhuǎn)動，經(jīng)過霍爾器件時，電路輸出脈沖電壓，由脈沖的數(shù)目，可以得到流體的流速。若知管道的內(nèi)徑，可由流速和管徑求得流量?；魻栯娐酚呻娎|來供電和輸出。3/31/2024507霍爾壓力傳感器霍爾壓力傳感器由彈性元件，磁系統(tǒng)和霍爾元件等部分組成，如圖5所示。在圖5中，（a）的彈性元件為膜盒，(b)為彈簧片，(c)為波紋管。磁系統(tǒng)最好用能構(gòu)成均勻梯度磁場的復(fù)合系統(tǒng)。加上壓力后，使磁系統(tǒng)和霍爾元件間產(chǎn)生相對位移，改變作用到霍爾元件上的磁場，從而改變它的輸出電壓VH。由事先校準(zhǔn)的p～f(VH)曲線即可得到被測壓力p的值。圖5幾種霍爾壓力傳感器的構(gòu)成原理

3/31/2024518霍爾應(yīng)力檢測裝置圖6示出用來進(jìn)行土壤和砂子與鋼界面上的法向和切向應(yīng)力檢測的霍爾傳感器裝置。(a)檢測剪切應(yīng)力，(b)檢測壓應(yīng)力。箭頭所指是施加的外力方向。3/31/202452圖6霍爾應(yīng)力檢測裝置在圖6(a)中，儀器上用鋼作成上下兩個塊子，它們之間有兩條較細(xì)的梁支撐，在鋼下塊上置一銷柱，銷上貼兩對永磁體，形成均勻梯度磁場，在上塊上貼兩個霍爾傳感器，受剪切力作用后，支撐梁發(fā)生形變，使霍爾傳感器和磁場間發(fā)生位移，使傳感器輸出發(fā)生變化。由霍爾傳感器的輸出可從事先校準(zhǔn)的曲線上查得與該裝置相接的砂或土受到的剪切應(yīng)力。

圖6(b)的磁體固定在受力后產(chǎn)生形變的膜片上，霍爾傳感器固定在一桿上。檢測原理同上。應(yīng)用檢測壓應(yīng)力的原理，可構(gòu)成檢測重量的裝置，稱作霍爾稱重傳感器。

3/31/202453實現(xiàn)電－磁－電的轉(zhuǎn)換

眾所周知,在有電流流過的導(dǎo)線周圍會感生出磁場,該磁場與流過的電流的關(guān)系,可由安培環(huán)路定理求出。用霍爾器件檢測由電流感生的磁場,即可測出產(chǎn)生這個磁場的電流的量值。由此,可以構(gòu)成霍爾電流、電壓傳感器。3/31/202454因為霍爾器件的輸出電壓與加在它上面的磁感應(yīng)強度以及流過其中的工作電流的乘積成比例，是一個具有乘法器功能的器件，因而可用它檢測電功率，構(gòu)成具有各種特殊功能的霍爾功率計和霍爾電度表。由輸入的電信號建立的磁場，經(jīng)霍爾器件的作用，實現(xiàn)了磁電變換后，又變成電信號輸出，這一變換實現(xiàn)了輸入－輸出信號間的電隔離，由此可構(gòu)成隔離放大器、隔離耦合器等許多新型產(chǎn)品。3/31/2024559霍爾電流傳感器霍爾電流傳感器的結(jié)構(gòu)如圖7所示。用一環(huán)形導(dǎo)磁材料作成磁芯，套在被測電流流過的導(dǎo)線上，將導(dǎo)線中電流感生的磁場聚集起來，在磁芯上開一氣隙，內(nèi)置一個霍爾線性器件，器件通電后，便可由它的霍爾輸出電壓得到導(dǎo)線中流通的