霍尔检测元件

1、霍尔传感器 1霍尔传感器霍尔元件霍尔元件霍尔传感器 2 1878 1878年美国物理学家霍尔首先发现金属中的年美国物理学家霍尔首先发现金属中的霍尔效应，因为太弱没有得到应用。霍尔效应，因为太弱没有得到应用。 随着半导体技术的发展，人们发现半导体材随着半导体技术的发展，人们发现半导体材料的霍尔效应非常明显，并且体积小有利于集成料的霍尔效应非常明显，并且体积小有利于集成化。化。 霍尔传感器是基于霍尔效应。霍尔传感器是基于霍尔效应。霍尔传感器 3 通电的导体（半导体）垂直放在磁场通电的导体（半导体）垂直放在磁场中，导体在垂直于电流中，导体在垂直于电流I I与磁场与磁场B B方方向上会产生向上会产生感

2、应电动势感应电动势，这种现象，这种现象称为称为霍尔效应霍尔效应。 b UH B a d I + + + + + + + + fL fE - - - - - - - - - - - - - - v 霍尔传感器 4 在与磁场垂直的半导体薄片上通以电流在与磁场垂直的半导体薄片上通以电流I I，假设载，假设载流子为电子流子为电子(N(N型半导体材料型半导体材料) )，它沿与电流，它沿与电流I I相反的相反的方向运动，由于洛仑兹力方向运动，由于洛仑兹力f fL L的作用，电子将向一侧的作用，电子将向一侧偏转，并使该侧形成电子的积累，而另一侧形成正偏转，并使该侧形成电子的积累，而另一侧形成正电荷积累，于是

3、元件的横向便形成了电场。该电场电荷积累，于是元件的横向便形成了电场。该电场阻止电子继续向侧面偏移，当电子所受到的电场力阻止电子继续向侧面偏移，当电子所受到的电场力f fE E与洛仑兹力与洛仑兹力f fL L相等时，电子的积累达到动态平衡。相等时，电子的积累达到动态平衡。这时在两横端面之间建立的电场称为这时在两横端面之间建立的电场称为霍尔电场霍尔电场E EH H，相应的电势称为相应的电势称为霍尔电势霍尔电势U UH H。 b UH B a d I + + + + + + + + fL fE - - - - - - - - - - - - - - v 霍尔电势的产生霍尔电势的产生霍尔传感器 5霍尔

4、效应演示霍尔效应演示 当磁场垂直于薄片时，电子受到洛仑当磁场垂直于薄片时，电子受到洛仑兹力的作用，兹力的作用，向内侧偏移，在半导体薄片向内侧偏移，在半导体薄片c、d方向的端面之间建立起霍尔电势。方向的端面之间建立起霍尔电势。cd霍尔传感器 6在磁场作用下导体中的自由电子做定向运动。在磁场作用下导体中的自由电子做定向运动。 每个电子受洛仑兹力作用被推向导体的另一侧：每个电子受洛仑兹力作用被推向导体的另一侧： LFe B霍尔电场作用于电子的力霍尔电场作用于电子的力HHFeE霍尔电场霍尔电场当两作用力相等时电荷不当两作用力相等时电荷不再再 向两边积累达到动态平衡：向两边积累达到动态平衡：HLFFHe

5、Ee B b UH B a d I + + + + + + + + fL fE - - - - - - - - - - - - - - v HHUEbabUBHaHUBba霍尔电势霍尔电势霍尔传感器 7霍尔电势与电流和磁场强度的关系：霍尔电势与电流和磁场强度的关系：通过（半）导体薄片的电流通过（半）导体薄片的电流I I与下列因素有关：与下列因素有关： 载流子浓度载流子浓度n n，电子运动速度，电子运动速度v v，导体薄片横截面积，导体薄片横截面积 a a* *d d， e e 为电子电荷量。为电子电荷量。代入后：代入后：1HRne 与材料有关与材料有关霍尔常数霍尔常数霍尔电势与电流霍尔电势与电

6、流和磁场强度的乘和磁场强度的乘积成正比积成正比HHRKd与薄片尺寸有关与薄片尺寸有关霍尔灵敏度霍尔灵敏度式中：式中：电阻率、电阻率、n n电子浓度电子浓度 电子迁移率电子迁移率=/E =/E 单位电场强度作用下载流子运动速度。单位电场强度作用下载流子运动速度。Ine bd adHHHIBIBUBbRK IBnedd a b UH B a d I + + + + + + + + fL fE - - - - - - - - - - - - - - v 霍尔传感器 8磁场不垂直于霍尔元件时的霍尔电动势磁场不垂直于霍尔元件时的霍尔电动势 若磁感应强度若磁感应强度B B不垂直于霍尔元件，而是与其法不垂直

7、于霍尔元件，而是与其法线成某一角度线成某一角度 时，实际上作用于霍尔元件上的有效时，实际上作用于霍尔元件上的有效磁感应强度是其法线方向（与薄片垂直的方向）的分磁感应强度是其法线方向（与薄片垂直的方向）的分量，即量，即B Bcoscos ，这时的霍尔电势为，这时的霍尔电势为 U UH H= =K KH HIBIBcoscos 结论：结论：霍尔电势与输入电流霍尔电势与输入电流I I、磁感应强度、磁感应强度B B成成正比，且当正比，且当B B的方向改变时，霍尔电势的方向也随之的方向改变时，霍尔电势的方向也随之改变。如果所施加的磁场为交变磁场，则霍尔电势改变。如果所施加的磁场为交变磁场，则霍尔电势为同

8、频率的交变电势。为同频率的交变电势。 霍尔传感器 9HHRKd1HRne HHUK IB讨论：讨论： 任何材料在一定条件下都能产生霍尔电势，但不是任何材料在一定条件下都能产生霍尔电势，但不是都可以制造霍尔元件都可以制造霍尔元件; ; 绝缘材料绝缘材料很大，很大，很小，不适用；很小，不适用； 金属材料电子浓度金属材料电子浓度n n很高，很高，R RH H很小，很小，U UH H很小很小; ; 半导体材料电阻率半导体材料电阻率较大较大, ,R RH H大，非常适于做霍尔元大，非常适于做霍尔元件，半导体中电子迁移率一般大于空穴的迁移率，所件，半导体中电子迁移率一般大于空穴的迁移率，所以霍尔元件多采用

9、以霍尔元件多采用 N N 型半导体（多电子）型半导体（多电子）; ; 厚度厚度d d越小，霍尔灵敏度越小，霍尔灵敏度 K KHH 越大，所以霍尔元件做越大，所以霍尔元件做的较薄，通常近似的较薄，通常近似1 1微米微米(d1(d1m)m) 。霍尔传感器 102. 2. 霍尔元件的基本结构与基本测量电路霍尔元件的基本结构与基本测量电路 霍尔元件的结构很简单，它是由霍尔片、四根引线和壳体组成的，霍尔元件的结构很简单，它是由霍尔片、四根引线和壳体组成的，如图。霍尔元件一般可用两种符号表示，如图（如图。霍尔元件一般可用两种符号表示，如图（b b）所示。）所示。 霍尔片是一块矩形半导体薄片，引出四根引线：

10、霍尔片是一块矩形半导体薄片，引出四根引线： 1 1、 11两根引两根引线加激励电压或电流，称线加激励电压或电流，称激励电极（控制电极）激励电极（控制电极）； 2 2、 22引线引线为霍尔输出引线，为霍尔输出引线， 称称霍尔电极霍尔电极。 霍尔传感器 11 霍尔晶体的外形为矩形薄片有四根引线，霍尔晶体的外形为矩形薄片有四根引线， 两端加激励，两端为输出，两端加激励，两端为输出，RLRL为负载电阻为负载电阻 ； 电源电源E E通过通过R R控制激励电流控制激励电流I I； 磁场磁场B B与元件面垂直（向里）与元件面垂直（向里） 实测中可把实测中可把I I* *B B作输入，作输入， 也可把也可把I

11、 I或或B B单独做输入；单独做输入； 通过霍尔电势输出测量结果。通过霍尔电势输出测量结果。 输出输出UoUo与与I I或或B B成正比关系，或与成正比关系，或与I I* *B B成正比关系。成正比关系。霍尔传感器 12霍尔元件的转换效率较低，实际应用中，为了获得较霍尔元件的转换效率较低，实际应用中，为了获得较大的霍尔电压，可将几个霍尔元件的输出串联起来。大的霍尔电压，可将几个霍尔元件的输出串联起来。在这种连接方法中，激励电流极是并联的。在这种连接方法中，激励电流极是并联的。虽然霍尔元件的串联可以增加输出电压，但其输出电虽然霍尔元件的串联可以增加输出电压，但其输出电阻也将增大。阻也将增大。霍尔

12、元件输出串联霍尔元件输出串联霍尔传感器 133.3.霍尔元件的应用霍尔元件的应用 霍尔电势是关于霍尔电势是关于I、B、 三个变量的函数，三个变量的函数，即即 EH=KHIBcos 。 利用这个关系可以使其中两个量不变，将利用这个关系可以使其中两个量不变，将第三个量作为变量，或者固定其中一个量，第三个量作为变量，或者固定其中一个量，其余两个量都作为变量。这使得霍尔传感其余两个量都作为变量。这使得霍尔传感器有许多用途。器有许多用途。霍尔传感器 14（1）霍尔传感器用于测量磁场强度）霍尔传感器用于测量磁场强度 霍尔元件霍尔元件测量铁心测量铁心 气隙的气隙的B值值霍尔传感器 15（2）霍尔转速表）霍尔

13、转速表 将线性型霍尔器件及磁路系统靠近齿盘。将线性型霍尔器件及磁路系统靠近齿盘。随着随着齿轮的转动，齿轮的转动，磁路的磁阻随气隙的改变而周期磁路的磁阻随气隙的改变而周期性地变化，霍尔器件输出的微小脉冲信号经放性地变化，霍尔器件输出的微小脉冲信号经放大、整形后可以确定被测物的转速。大、整形后可以确定被测物的转速。S SN N霍尔元件霍尔元件磁铁磁铁霍尔传感器 16霍尔转速表原理霍尔转速表原理 当齿对准霍尔元件时，磁力线集中穿过霍尔当齿对准霍尔元件时，磁力线集中穿过霍尔元件，可产生较大的霍尔电动势，放大、整形元件，可产生较大的霍尔电动势，放大、整形后输出高电平；反之，当齿轮的空隙对准霍尔后输出高电

14、平；反之，当齿轮的空隙对准霍尔元件时，输出为低电平。元件时，输出为低电平。霍尔传感器 17 测量霍尔元件输出的脉冲频率就可以确定被测量霍尔元件输出的脉冲频率就可以确定被测物的转速。测物的转速。齿轮齿齿轮齿数数fmin)/(60 rNfn霍尔传感器 18 被测力使波纹膜盒膨胀，带动杠杆向上移动，被测力使波纹膜盒膨胀，带动杠杆向上移动，从而使霍尔元件在磁路系统中运动，改变了从而使霍尔元件在磁路系统中运动，改变了霍尔元件所受的磁场大小及方向，引起霍尔霍尔元件所受的磁场大小及方向，引起霍尔电势大小和极性的变化。电势大小和极性的变化。 由于波纹膜盒及霍尔元件的灵敏度很高，所由于波纹膜盒及霍尔元件的灵敏度

15、很高，所以可用于测量微小压力的变化。以可用于测量微小压力的变化。霍尔式压力传感器霍尔式压力传感器 (3)(3)测量压力测量压力霍尔传感器 19 作为压力敏感元件的弹簧管，其一端固定，另一端作为压力敏感元件的弹簧管，其一端固定，另一端安装霍尔元件。安装霍尔元件。 当输入压力增加时，弹簧管伸长，使处于恒定磁场当输入压力增加时，弹簧管伸长，使处于恒定磁场中的霍尔元件产生相应位移，霍尔元件的输出即可中的霍尔元件产生相应位移，霍尔元件的输出即可反映被测压力的大小。反映被测压力的大小。 弹 簧 管 霍 尔 元 件磁 钢 N S N 被 测 压 力p(3)(3)测量压力测量压力霍尔传感器 20(4) (4)

16、 霍尔液位传感器霍尔液位传感器 霍尔器件装在容器外面，永久磁体支在浮子霍尔器件装在容器外面，永久磁体支在浮子上，随着上，随着液位变化液位变化，作用到霍尔器件上的，作用到霍尔器件上的磁磁场的磁感应强度改变场的磁感应强度改变，从而可测得液位。，从而可测得液位。 霍尔传感器 21霍尔式振动示意图（5 5）测振动）测振动霍尔传感器 22（6）霍尔式接近开关）霍尔式接近开关 当磁铁的有效磁极接当磁铁的有效磁极接近、并达到动作距离近、并达到动作距离时，霍尔式接近开关时，霍尔式接近开关动作。动作。如保安系统，把如保安系统，把霍尔开关集成器件装在门框里，永霍尔开关集成器件装在门框里，永久磁铁装在门上，当门关闭

17、时，开关输出低电平；久磁铁装在门上，当门关闭时，开关输出低电平；当门打开时，磁铁离开传感器，开关输出高电平，当门打开时，磁铁离开传感器，开关输出高电平，驱动电铃，可作为报警设备。驱动电铃，可作为报警设备。 霍尔传感器 23（6）霍尔式接近开关）霍尔式接近开关 当磁铁的有效磁极接当磁铁的有效磁极接近、并达到动作距离近、并达到动作距离时，霍尔式接近开关时，霍尔式接近开关动作。动作。霍尔传感器 24霍尔式接近开关霍尔式接近开关用于转速测量演示用于转速测量演示n= = 6060f4(r/min)软铁翼片 开关型霍尔开关型霍尔IC IC T T霍尔传感器 25霍尔集成器件可分为线性型和开关型两大类。霍尔

18、集成器件可分为线性型和开关型两大类。 (1) (1)霍尔线性集成器件霍尔线性集成器件将霍尔元件和恒流源、线性差动放大器等做在一个芯将霍尔元件和恒流源、线性差动放大器等做在一个芯片上，输出电压为伏级，比直接使用霍尔元件方便得片上，输出电压为伏级，比直接使用霍尔元件方便得多。较典型的线性型霍尔器件如多。较典型的线性型霍尔器件如UGN3501等。等。4.4.霍尔集成器件霍尔集成器件霍尔传感器 26线性型霍尔特性线性型霍尔特性 右图示出了具有双端差右图示出了具有双端差动输出特性的线性霍尔动输出特性的线性霍尔器件的输出特性曲线。器件的输出特性曲线。 当磁场为零时，它的输当磁场为零时，它的输出电压等于零；出电压等于零； 当感受的磁场为正向当感受的磁场为正向（磁钢的（磁钢的S S极对准霍尔极对准霍尔器件的正面）时，器件的正面）时， 输输出为正；出为正； 磁