電氣測(cè)試技術(shù)（第5版）課件：霍爾式傳感器

28December2024

霍爾式傳感器3.15.1

霍爾式傳感器工作原理3.15.2霍爾元件的特性及其補(bǔ)償3.15.3霍爾集成電路3.15.4霍爾傳感器的應(yīng)用及實(shí)例28December20243.15.1霍爾式傳感器工作原理霍爾式傳感器是基于某些半導(dǎo)體材料的霍爾效應(yīng)原理制成的。半導(dǎo)體薄片的兩端通以電流，而在垂直方向施加磁感應(yīng)強(qiáng)度，在半導(dǎo)體的兩側(cè)會(huì)產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)，這一現(xiàn)象稱為霍爾效應(yīng)，見圖3-145a。產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)稱為霍爾電動(dòng)勢(shì)；半導(dǎo)體薄片稱為霍爾元件。圖3-145霍爾效應(yīng)及基本電路28December2024設(shè)霍爾元件為N型半導(dǎo)體材料制成，電子為多數(shù)載流子，施加電流后，多數(shù)載流子沿著相反的方向運(yùn)動(dòng)，電子在磁場(chǎng)中受到洛侖茲力的作用，即：式中，為電子電量；為電子的速度。在的作用下，電子向一側(cè)偏轉(zhuǎn)，見圖3-145a的虛線所示。因此，在半導(dǎo)體薄片的一側(cè)有電子積累而帶負(fù)電荷，而另一側(cè)因缺少電子而帶正電荷，于是在半導(dǎo)體薄片兩側(cè)建立靜電場(chǎng)。作用于運(yùn)動(dòng)電子的電場(chǎng)力為：式中，為霍爾元件的寬度。28December2024電場(chǎng)力阻止電子繼續(xù)偏轉(zhuǎn)。當(dāng)時(shí)，達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，由式（3-153）和（3-154）得：

（3-155）半導(dǎo)體的電流密度可用其電子濃度

來表示，即：因此，電流為：由上式求得為：

（3-156）將上式代入式（3-155），得：

（3-157）為霍爾元件的厚度；為霍爾元件的靈敏度，，其量綱為[mV/（mA·T）]。28December2024霍爾元件的靈敏度是極為重要的參數(shù)。表示霍爾元件在單位電流、單位磁感應(yīng)強(qiáng)度作用下，元件輸出霍爾電勢(shì)的大小。一般要求愈大愈好。半導(dǎo)體的電子濃度適中，而且可通過摻雜來控制電子濃度，因此，毫不例外地應(yīng)采用半導(dǎo)體作為霍爾元件的材料。此外，愈小，愈大，但是不能做得太薄，否則增加霍爾元件的輸入和輸出電阻。式（3-157）是在磁感應(yīng)強(qiáng)度

與元件平面垂直條件下導(dǎo)出的。若與元件平面法線成一角度，則作用于元件的有效磁感應(yīng)強(qiáng)度為，因此，式（3-157）變?yōu)椋夯魻栐幕具B接電路見圖3-145b。圖中，RP調(diào)節(jié)元件的電流；為霍爾元件的負(fù)載電阻，通常為放大器或測(cè)量電路的輸入阻抗。28December20243.15.2霍爾元件的特性及其補(bǔ)償霍爾元件的特性：特性

磁感應(yīng)強(qiáng)度

為常數(shù)，在一定溫度下，電流

與

之間的關(guān)系稱為元件的

特性，見圖3-146a。特性

電流

固定，霍爾元件開路輸出

與磁感應(yīng)強(qiáng)度

的關(guān)系稱為元件的

特性，見圖3-146b。特性

霍爾元件的輸入電阻或輸出電阻與磁感應(yīng)強(qiáng)度

的關(guān)系稱為元件的

特性，見圖3-146c。圖3-146霍爾元件的特性28December2024霍爾元件特性補(bǔ)償如前所述，霍爾元件用半導(dǎo)體材料制成。由于半導(dǎo)體的特性受環(huán)境溫度的影響較嚴(yán)重，故必須對(duì)霍爾元件的特性進(jìn)行補(bǔ)償。溫度補(bǔ)償圖3-147霍爾元件的特性補(bǔ)償a）恒流源b）熱敏電阻補(bǔ)償電流c）熱敏電阻補(bǔ)償

28December2024不等位電動(dòng)勢(shì)的補(bǔ)償作用于霍爾元件的磁感應(yīng)強(qiáng)度

，控制電流

，

，而

，

稱為不等位電動(dòng)勢(shì)。產(chǎn)生不等位電動(dòng)勢(shì)的原因有兩種：其一為元件的電流極或電勢(shì)極不焊接在等位面上；其二為元件的電阻率不均勻。圖3-148不等位電動(dòng)勢(shì)及其補(bǔ)償a）不等位電動(dòng)勢(shì)的產(chǎn)生

b）補(bǔ)償電路28December20243.15.3霍爾集成電路隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，目前霍爾元件與測(cè)量電路已集成化，二者融為一體?；魻柤蓧K有線性集成塊和開關(guān)集成塊兩種。線性集成塊又有內(nèi)部有線性化補(bǔ)償和內(nèi)部無線性化補(bǔ)償兩種。開關(guān)型集成電路

開關(guān)型霍爾集成電路內(nèi)部組成框圖見圖3-149a。線性集成電路

線性霍爾集成電路的組成框圖見圖3-149b?；魻柤呻娐返耐庑我妶D3-149c。使用時(shí)磁敏感面應(yīng)正對(duì)磁感應(yīng)強(qiáng)度。圖3-149霍爾集成電路框圖及其外形a）開關(guān)型集成電路框圖

b）線性集成電路框圖

c）外形圖28December20243.15.4霍爾傳感器的應(yīng)用及實(shí)例圖3-150無觸點(diǎn)照明控制器原理電路無觸點(diǎn)照明控制器

該控制器電路原理見圖3-150。采用永久磁鋼開關(guān)和開關(guān)型集成霍爾傳感器UGN3040L。GTJ3-1A為具有高低壓隔離的光電固體繼電器。28December2024交直流鉗形數(shù)字電流表

儀表原理見圖3-151。在環(huán)形鉗口式磁集束器的空氣隙中放置一塊線性霍爾集成片。磁集束器的作用是將載流導(dǎo)線與磁集束器相互作用產(chǎn)生的磁場(chǎng)集中到霍爾