第7章-霍尔式传感器及应用

1、2021-7-91 第第7 7章章 霍尔式传感器及应用霍尔式传感器及应用 2021-7-92 引言引言 n霍尔传感器是基于霍尔效应的一种传感器。霍尔传感器是基于霍尔效应的一种传感器。 n1879年美国物理学家霍尔首先在金属材料中年美国物理学家霍尔首先在金属材料中 发现了霍尔效应，但由于金属材料的霍尔效应发现了霍尔效应，但由于金属材料的霍尔效应 太弱而没有得到应用。太弱而没有得到应用。 n随着半导体技术的发展，开始用半导体材料制随着半导体技术的发展，开始用半导体材料制 成霍尔元件，由于它的霍尔效应显著而得到应成霍尔元件，由于它的霍尔效应显著而得到应 用和发展。用和发展。 n霍尔传感器广泛用于电磁

2、测量、压力、加速度、霍尔传感器广泛用于电磁测量、压力、加速度、 振动等方面的测量。振动等方面的测量。 2021-7-93 主要章节主要章节 n7.1霍尔效应及霍尔元件霍尔效应及霍尔元件 n7.2霍尔传感器实用电路霍尔传感器实用电路 2021-7-94 7.1霍尔效应及霍尔元件霍尔效应及霍尔元件 n金属或半导体薄片置于磁感应强度金属或半导体薄片置于磁感应强度B的磁的磁 场（磁场方向垂直与薄片）中，当有电场（磁场方向垂直与薄片）中，当有电 流流I通过时，在垂直于电流和磁场的方向通过时，在垂直于电流和磁场的方向 上将产生电动势上将产生电动势UH，这种物理现象称为，这种物理现象称为 霍尔效应。该电势霍

3、尔效应。该电势UH 称霍尔电势。称霍尔电势。 7.1.1 霍霍 尔尔 效效 应应 2021-7-95 霍尔效应原理霍尔效应原理 n一块长为一块长为L、宽为、宽为W、厚为、厚为d的的N型半导型半导 体薄片，位于磁感应强度为体薄片，位于磁感应强度为B的磁场中，的磁场中， B垂直于垂直于L-W平面，沿平面，沿L通电流通电流I，N型半型半 导体的载流体导体的载流体-电子将受到电子将受到B产生的洛仑产生的洛仑 兹力兹力FB的作用的作用 B eFvB 2021-7-96 n在力在力FB的作用下，电子向半导体片的一的作用下，电子向半导体片的一 个侧面偏转，在该侧面上形成电子的积个侧面偏转，在该侧面上形成电子

4、的积 累，而在相对的另一侧面上因缺少电子累，而在相对的另一侧面上因缺少电子 而出现等量的正电荷。在这两个侧面上而出现等量的正电荷。在这两个侧面上 产生霍尔电场产生霍尔电场EH。该电场使运动电子受。该电场使运动电子受 有电场力有电场力FE EH eFE 2021-7-97 n电场力阻止电子继续向原侧面积累，当电场力阻止电子继续向原侧面积累，当 电子所受电场力和洛仑兹力相等时，电电子所受电场力和洛仑兹力相等时，电 荷的积累达到动态平衡，由于存在荷的积累达到动态平衡，由于存在EH， 半导体片两侧面间出现电位差半导体片两侧面间出现电位差UH ，称为，称为 霍尔电势霍尔电势 H HH R UIBK IB

5、 d 2021-7-98 n磁场与薄片法线夹角为磁场与薄片法线夹角为 HH cosUK IB 2021-7-99 常用的霍尔元件材料常用的霍尔元件材料 n锗、硅、砷化铟、锑化铟等半导体材料。锗、硅、砷化铟、锑化铟等半导体材料。 其中其中N型锗容易加工制造，其霍尔系数、型锗容易加工制造，其霍尔系数、 温度性能和线性度都较好。温度性能和线性度都较好。N型硅的线型硅的线 性度最好，其霍尔系数、温度性能同性度最好，其霍尔系数、温度性能同N 型锗相近。锑化铟对温度最敏感，尤其型锗相近。锑化铟对温度最敏感，尤其 在低温范围内温度系数大，但在室温时在低温范围内温度系数大，但在室温时 其霍尔系数较大。砷化铟的

6、霍尔系数较其霍尔系数较大。砷化铟的霍尔系数较 小，温度系数也较小，输出特性线性度小，温度系数也较小，输出特性线性度 好。好。 2021-7-910 常用国产霍尔元件的技术参数常用国产霍尔元件的技术参数 参参 数数 名名 称称符号符号单位单位 HZ-1型型HZ-2型型HZ-3型型HZ-4型型HT-1型型HT-2型型HS-1型型 材料（材料（N）型）型 Ge（111）Ge（111）Ge（111）Ge（100）InSbInSbInAS 电阻率电阻率 cm0.81.20.81.20.81.20.40.50.0030.010.0030.050.01 几何尺寸几何尺寸 Lb d mm3840.2420.2

7、840.2840.2630.2840.2840.2 输入电阻输入电阻Ri 11020%11020%11020%4520%0.820%0.820%1.220% 输出电阻输出电阻Ru 10020%10020%10020%4020%0.520%0.520%120% 灵敏度灵敏度KH mV/(m AT) 12121241.820%1.820%120% 不等位电阻不等位电阻ro 0.070.050.070.020.0050.0050.003 2021-7-911 7.1.2 霍尔元件基本结构霍尔元件基本结构 n霍尔片、引线和壳体组成霍尔片、引线和壳体组成 1霍尔元件的结构霍尔元件的结构 2021-7-9

8、12 2.霍尔元件的连接霍尔元件的连接 n（1）当控制电流为直流输入时，为了得）当控制电流为直流输入时，为了得 到较大的霍尔输出，可将几块霍尔元件到较大的霍尔输出，可将几块霍尔元件 的输出串联。但控制电流必须并联，决的输出串联。但控制电流必须并联，决 不能串联。因为串联起来将有大部分控不能串联。因为串联起来将有大部分控 制电流被相连的霍尔电势极短接。制电流被相连的霍尔电势极短接。 2021-7-913 n（2）当控制电流为交流输入时，可采用）当控制电流为交流输入时，可采用 如图连接方式，这样可以增加霍尔输出如图连接方式，这样可以增加霍尔输出 电势及功率。电势及功率。 2021-7-914 7.

9、1.3 霍尔元件主要参数及其误差霍尔元件主要参数及其误差 n（1）乘积灵敏度）乘积灵敏度KH n（2）额定控制电流）额定控制电流Icm n（3）磁灵敏度）磁灵敏度KB n（4）输入电阻）输入电阻Ri、输出电阻、输出电阻R。 n（5）不等位电势）不等位电势Uo和不等位电阻和不等位电阻Ro n（6）寄生直流电势）寄生直流电势UOD n（7）霍尔电势温度系数）霍尔电势温度系数 n（8）工作温度范围）工作温度范围 1主要特性参数主要特性参数 2021-7-915 2.霍尔元件的误差及补偿霍尔元件的误差及补偿 n（1）不等位电势的补偿）不等位电势的补偿 n不等位电势的大小和极性与控制电流的不等位电势的大

10、小和极性与控制电流的 大小和方向有关大小和方向有关 n不等位电势的大小和相位随交流控制电不等位电势的大小和相位随交流控制电 流而变流而变 n不等位电势与控制电流之间并非线性关不等位电势与控制电流之间并非线性关 系，而且系，而且U 0还随温度而变还随温度而变 2021-7-916 常用的不等位电势的补偿电路常用的不等位电势的补偿电路 霍尔元件的零位误差主要由不等位电势和寄生直流电 势等，不等位电势Um是霍尔误差中最主要的一种。 Um产生的原因是由于制造工艺不可能保证两个霍尔 电极绝对对称地焊在霍尔片的两侧，导致两电极点不 能完全位于同一等位面上；此外霍尔片电阻率不均匀 或片厚薄不均匀或控制电流极

11、接触不良将使等位面歪 斜，致使两霍尔电极不在同一等位面上而产生不等电 势。 补偿方法（1）工艺措施（2）补偿电路 2021-7-917 霍尔元件等效为一个四臂电桥，补偿电路使电桥达到 平衡，以此来补偿不等位电动势 2021-7-918 （2）温度补偿）温度补偿 n 恒流源供电，输入端并联电阻；或恒恒流源供电，输入端并联电阻；或恒 压源供电，输入端串联电阻压源供电，输入端串联电阻 输入端并联电阻补偿 输入端串联电阻补偿 2021-7-919 合理选择负载电阻合理选择负载电阻 n霍尔电势的负载通常是放大器、显示器霍尔电势的负载通常是放大器、显示器 或记录仪的输入电阻，其值一定，可用或记录仪的输入电

12、阻，其值一定，可用 串、并联电阻的方法使输出负载电压不串、并联电阻的方法使输出负载电压不 变，但此时，灵敏度将相应有所降低。变，但此时，灵敏度将相应有所降低。 2021-7-920 采用热敏元件采用热敏元件 n最常采用的补偿方法最常采用的补偿方法 2021-7-921 几种补偿电路几种补偿电路 采用热敏元件的温度误差补偿电路 2021-7-922 7.2霍尔传感器实用电路霍尔传感器实用电路 n将霍尔元件、放大器、施密特触发器以及输出将霍尔元件、放大器、施密特触发器以及输出 电路等集成在一块芯片上，为用户提供了一种电路等集成在一块芯片上，为用户提供了一种 简化的和较完善的磁敏传感器简化的和较完善

13、的磁敏传感器 n其输出信号快，传送过程中无抖动现象，且功其输出信号快，传送过程中无抖动现象，且功 耗低，对温度的变化是稳定的，灵敏度与磁场耗低，对温度的变化是稳定的，灵敏度与磁场 移动速度无关。移动速度无关。 n霍尔集成传感器分为线性集成电路和开关集成霍尔集成传感器分为线性集成电路和开关集成 电路。电路。 7.2.1 霍尔集成传感器霍尔集成传感器 2021-7-923 1.线性集成传感器线性集成传感器 n线性霍尔集成传感器的特点是输出电压线性霍尔集成传感器的特点是输出电压 与外加磁感应强度与外加磁感应强度B呈线性关系呈线性关系 . n由霍尔元件由霍尔元件HG、放大器、放大器A、差动输出电、差动

14、输出电 路路D和稳压电源和稳压电源R等组成等组成 2021-7-924 内部框图和输出特性内部框图和输出特性 2021-7-925 2.开关集成传感器开关集成传感器 n由霍尔元件由霍尔元件HG、放大器、放大器A、输出晶体管、输出晶体管VT、 施密特电路施密特电路C和稳压电源和稳压电源R等组成，与线性集等组成，与线性集 成传感器不同之处是增设了施密特电路成传感器不同之处是增设了施密特电路C，通，通 过晶体管过晶体管VT的集电极输出的集电极输出 n关集成传感器只有一个输出端，是以一定磁场关集成传感器只有一个输出端，是以一定磁场 电平值进行开关工作的。由于内设有施密特电电平值进行开关工作的。由于内设

15、有施密特电 路，开关特性具有时滞，因此有较好的抗噪声路，开关特性具有时滞，因此有较好的抗噪声 效果。霍尔集成传感器一般内有稳压电源，工效果。霍尔集成传感器一般内有稳压电源，工 作电源的电压范围较宽，可为作电源的电压范围较宽，可为316V。 2021-7-926 开关集成传感器的内部框图和输开关集成传感器的内部框图和输 出特性出特性 2021-7-927 7.2.2 霍尔传感器的应用简介霍尔传感器的应用简介 n霍尔电势是关于霍尔电势是关于I、B、 3个变量的函数，个变量的函数， 即即EH=KHIBcos 。利用这个关系可以。利用这个关系可以 使其中两个量不变，将第使其中两个量不变，将第3个量作为

16、变量，个量作为变量， 或者固定其中一个量，其余两个量都作或者固定其中一个量，其余两个量都作 为变量。为变量。 n霍尔传感器结构简单、工艺成熟、体积霍尔传感器结构简单、工艺成熟、体积 小、寿命长、线性好、频带宽，因而得小、寿命长、线性好、频带宽，因而得 到广泛的应用。到广泛的应用。 2021-7-928 1.测量位移测量位移 n将霍尔传感器放置在呈梯度分布的磁场将霍尔传感器放置在呈梯度分布的磁场 中，通以恒定的控制电流，当传感器移中，通以恒定的控制电流，当传感器移 动时，元件上感知的磁场大小随位移发动时，元件上感知的磁场大小随位移发 生变化，从而使得其输出生变化，从而使得其输出UH 也产生变化，

17、也产生变化， 且与位移成比例。从原理上来分析，磁且与位移成比例。从原理上来分析，磁 场梯度越大，霍尔输出场梯度越大，霍尔输出UH对位移变化的对位移变化的 灵敏度就越高，磁场梯度越均匀，则灵敏度就越高，磁场梯度越均匀，则UH 对位移的线性度就越好。对位移的线性度就越好。 2021-7-929 国产国产YSH-1型霍尔压力变送器型霍尔压力变送器 2021-7-930 2.无触点发信无触点发信 n霍尔传感器通以恒定的控制电流，在近霍尔传感器通以恒定的控制电流，在近 距离运动的磁钢作用下，输出距离运动的磁钢作用下，输出UH产生显产生显 著的变化，这就是霍尔无触点发信。无著的变化，这就是霍尔无触点发信。

18、无 触点发信只要求传感器输出一个足够大触点发信只要求传感器输出一个足够大 的的UH信号，而对元件本身的温度特性、信号，而对元件本身的温度特性、 线性度等参数要求不高，因此被广泛用线性度等参数要求不高，因此被广泛用 于精确定位、接近开关、导磁产品记数于精确定位、接近开关、导磁产品记数 以及转速测量。以及转速测量。 2021-7-931 磁转子的转速检测电路磁转子的转速检测电路 2021-7-932 3.无触点开关无触点开关 n霍尔式无触点开关的每个键上都有两小块永久霍尔式无触点开关的每个键上都有两小块永久 磁铁，当按钮未按下，通过霍尔传感器的磁力磁铁，当按钮未按下，通过霍尔传感器的磁力 线是由上

19、向下的。线是由上向下的。 n当按下按钮时，通过霍尔传感器的磁力线是由当按下按钮时，通过霍尔传感器的磁力线是由 下向上的。下向上的。 n霍尔传感器输出不同的状态，将此输出的开关霍尔传感器输出不同的状态，将此输出的开关 信号直接与后面的逻辑门电路连接使用。信号直接与后面的逻辑门电路连接使用。 n这类键盘开关工作十分稳定可靠，功耗很低，这类键盘开关工作十分稳定可靠，功耗很低， 动作过程中传感器与机械部件之间没有机械接动作过程中传感器与机械部件之间没有机械接 触，使用寿命特别长。触，使用寿命特别长。 2021-7-933 集成霍尔传感器构成的按钮集成霍尔传感器构成的按钮 1按钮按钮 2外壳外壳 3导磁

20、材料导磁材料 4集成传感器集成传感器 2021-7-934 4.霍尔齿轮传感器霍尔齿轮传感器 n差动霍尔电路制成的霍尔齿轮转速传感差动霍尔电路制成的霍尔齿轮转速传感 器广泛用于新一代汽车智能发动机。作器广泛用于新一代汽车智能发动机。作 为点火定时用的速度传感器，用于为点火定时用的速度传感器，用于ABS （汽车防抱死制动系统）作为车速传感（汽车防抱死制动系统）作为车速传感 器等。器等。 2021-7-935 霍尔转速传感器在汽车防抱死装置（ABS） 中的应用 若汽车在刹车时车轮被抱死，将产生 危险。用霍尔转速传感器来检测车轮的转 动状态有助于控制刹车力的大小。 带有微带有微 型磁铁型磁铁 的霍尔的霍尔 传感器传感器 钢质钢质 霍尔霍尔 2021-7-936 ABS的工作原理的工作原理 1车速齿轮传感器 2压力调节器 3控制器