霍尔传感器原理及其应用

1、第第7章章 霍尔传感器原理及其应用霍尔传感器原理及其应用 7.1 概述概述 7.2霍尔传感器的测量电路和误差分析霍尔传感器的测量电路和误差分析 7.3霍尔传感器的应用电路霍尔传感器的应用电路 7.1 概述概述 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。1879年美年美国物理学霍尔首先在金属材料中发现了霍尔效应，但国物理学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太弱而没有得到应用。由于金属材料的霍尔效应太弱而没有得到应用。 随着半导体技术的发展，开始用半导体材料制成霍尔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

2、得到应用和发展。元件，由于它的霍尔效应显著而得到应用和发展。 霍尔传感器是基于霍尔效应将被测量（如电流、磁场、霍尔传感器是基于霍尔效应将被测量（如电流、磁场、位移、压力、压差、转速等）转换成电动势输出的一位移、压力、压差、转速等）转换成电动势输出的一种传感器。种传感器。 虽然它的转换率较低、温度影响大、要求转换精度较虽然它的转换率较低、温度影响大、要求转换精度较高时必须进行温度补偿，但霍尔式传感器结构简单、高时必须进行温度补偿，但霍尔式传感器结构简单、体积小、坚固、频率响应宽（从直流到微波）、动态体积小、坚固、频率响应宽（从直流到微波）、动态范围（输出电动势的变化）大、非接触、使用寿命长、范围

3、（输出电动势的变化）大、非接触、使用寿命长、可靠性高、易于微型化和集成化。可靠性高、易于微型化和集成化。 因此在测量技术、自动化技术和信息处理得到了广泛因此在测量技术、自动化技术和信息处理得到了广泛的应用。的应用。 7.1.1 霍尔元件的结构霍尔元件的结构霍尔元件的外形如图霍尔元件的外形如图7-1（a）所示，它是由霍尔片、）所示，它是由霍尔片、4根引线和壳体组成。根引线和壳体组成。霍尔片是一块矩形半导体单晶薄片（一般为），在它的霍尔片是一块矩形半导体单晶薄片（一般为），在它的长度方向两端面上焊有长度方向两端面上焊有a、b两根引线，称为控制电流两根引线，称为控制电流端引线，通常用红色导线。端引线

4、，通常用红色导线。其焊接处称为控制电流极（或称激励电流），要求焊接其焊接处称为控制电流极（或称激励电流），要求焊接处接触电阻很小，并呈纯电阻，即欧姆接触（无处接触电阻很小，并呈纯电阻，即欧姆接触（无PN结结特性）。特性）。在薄片的另两侧端面的中间以点的形式对称地焊有在薄片的另两侧端面的中间以点的形式对称地焊有c、d两根霍尔输出引线，通常用绿色导线。其焊接处称为两根霍尔输出引线，通常用绿色导线。其焊接处称为霍尔电极，要求欧姆接触，且电极宽度与基片长度之比霍尔电极，要求欧姆接触，且电极宽度与基片长度之比小于小于0.1，否则影响输出。，否则影响输出。霍尔元件的壳体上是用非导磁金属、陶瓷或环氧树脂封霍

5、尔元件的壳体上是用非导磁金属、陶瓷或环氧树脂封装。装。 7.1.1 霍尔元件的结构霍尔元件的结构 霍尔元件的外形如图霍尔元件的外形如图7-1（a）所示，图）所示，图7-1（b）为霍尔元件结构）为霍尔元件结构示意图，图示意图，图7-1（c）是霍尔元件符号。）是霍尔元件符号。 目前，最常用的霍尔元件材料是鍺（目前，最常用的霍尔元件材料是鍺（Ge）、硅（）、硅（Si）、锑化铟）、锑化铟（InSb）、砷化铟（）、砷化铟（InAs）和不同比例亚砷酸铟和磷酸铟组成）和不同比例亚砷酸铟和磷酸铟组成的的In型固熔体等半导体材料。型固熔体等半导体材料。 20世纪世纪80年代末出现了一种新型霍尔元件年代末出现了一

6、种新型霍尔元件超晶格结构（砷超晶格结构（砷化铝化铝/砷化稼）的霍尔器件，它可以用来测的微磁场。可以说，砷化稼）的霍尔器件，它可以用来测的微磁场。可以说，超晶格霍尔元件是霍尔元件的一个质的飞跃。超晶格霍尔元件是霍尔元件的一个质的飞跃。图图7-1 霍尔元件霍尔元件 7.1.2霍尔传感器的命名方法霍尔传感器的命名方法 国产霍尔元件型号命名的方法，如图国产霍尔元件型号命名的方法，如图7-2所示。所示。 7.1.3霍尔传感器的工作原理霍尔传感器的工作原理 半导体薄片置于磁场中，当它的电流方向与磁场方向半导体薄片置于磁场中，当它的电流方向与磁场方向不一致时，半导体薄片上平行于电流和磁场方向的两个不一致时，

7、半导体薄片上平行于电流和磁场方向的两个面之间产生电动势，这种现象称为霍尔效应，该电动势面之间产生电动势，这种现象称为霍尔效应，该电动势称霍尔电势，半导体薄片称霍尔元件。称霍尔电势，半导体薄片称霍尔元件。如图如图7-3所示，在垂直于外磁场所示，在垂直于外磁场B的方向上放置半导体的方向上放置半导体薄片，当有电流薄片，当有电流I流过薄片时，在垂直于电流和磁场方流过薄片时，在垂直于电流和磁场方向上将产生霍尔电势向上将产生霍尔电势 。作用在半导体薄片上的磁场。作用在半导体薄片上的磁场强度强度B越强，霍尔电势越强，霍尔电势 也就越高。也就越高。 HEHE0B0B图图7-3 霍尔效应原理图霍尔效应原理图 7

8、.1.3霍尔传感器的工作原理霍尔传感器的工作原理霍尔电势可用下式表示：霍尔电势可用下式表示： 霍尔器件的灵敏度，它表示霍尔器件在单位磁霍尔器件的灵敏度，它表示霍尔器件在单位磁感应强度和单位激励电流作用下霍尔电势的大小。感应强度和单位激励电流作用下霍尔电势的大小。 HK 7.1.4霍尔传感器的特性参数霍尔传感器的特性参数 由式（由式（7-1）看出，当磁场和环境温度一定时，霍尔元）看出，当磁场和环境温度一定时，霍尔元件输出的霍尔电势件输出的霍尔电势 与控制电流与控制电流 I成正比。成正比。同样，当控制电流和环境温度一定时，霍尔元件的输出同样，当控制电流和环境温度一定时，霍尔元件的输出电势与磁感应强

9、度电势与磁感应强度B的乘积成正比。用上述的一些线性的乘积成正比。用上述的一些线性关系可以制作多种类型的传感器。关系可以制作多种类型的传感器。但是，只有磁感应强度小于但是，只有磁感应强度小于0.5T时，上述的线性关系才时，上述的线性关系才较好。较好。 u霍尔元件的主要特性参数如下霍尔元件的主要特性参数如下 1额定控制电流与最大控制电流额定控制电流与最大控制电流2输入电阻和输出电阻输入电阻和输出电阻3.乘积灵敏度乘积灵敏度4.不等位电势和不等位电阻不等位电势和不等位电阻HE7.2霍尔传感器的测量电路和误差分析霍尔传感器的测量电路和误差分析 7.2.1 霍尔传感器的测量电路霍尔传感器的测量电路霍尔元

10、件的基本测量电路如图霍尔元件的基本测量电路如图7-4所示。控制电流所示。控制电流I由电压源由电压源E供给，供给，R是调节电阻，用以根据要求改变是调节电阻，用以根据要求改变I的大小。所施加的外电场的大小。所施加的外电场B一般与霍尔元件的平面一般与霍尔元件的平面垂直。控制电流也可以是交流电。垂直。控制电流也可以是交流电。 图图7-4 霍尔元件的基本测量电路霍尔元件的基本测量电路 7.2.2霍尔传感器的误差分析霍尔传感器的误差分析霍尔元件对温度的变化很敏感，因此，霍尔元件的输入霍尔元件对温度的变化很敏感，因此，霍尔元件的输入电阻、输出电阻、乘积灵敏度等将受到温度变化的影响，电阻、输出电阻、乘积灵敏度

11、等将受到温度变化的影响，从而给测量带来较大的误差。从而给测量带来较大的误差。为了减少测量中的温度误差，除了选用温度系数小的霍为了减少测量中的温度误差，除了选用温度系数小的霍尔元件或采取一些恒温措施外，也可使用以下的温度补尔元件或采取一些恒温措施外，也可使用以下的温度补偿方法。偿方法。u（1）恒流源供电）恒流源供电恒流源温度补偿电路，如图恒流源温度补偿电路，如图7-5所示。所示。图图7-5恒流源温度补偿电路恒流源温度补偿电路u（2）采用热敏元件）采用热敏元件对于由温度系数较大的半导体材料制成的霍尔元件，采对于由温度系数较大的半导体材料制成的霍尔元件，采用图用图7-6所示的温度补偿电路，图中是热敏

12、元件（热电所示的温度补偿电路，图中是热敏元件（热电阻或热敏电阻）。阻或热敏电阻）。图图7-6（a）是在输入回路进行温度补偿的电路）是在输入回路进行温度补偿的电路 ；图；图7-6（b）则是在输出回路进行温度补偿的电路。）则是在输出回路进行温度补偿的电路。在安装测量电路时，热敏元件最好和霍尔元件封装在一在安装测量电路时，热敏元件最好和霍尔元件封装在一起或尽量靠近，以使二者的温度变化一致。起或尽量靠近，以使二者的温度变化一致。(a) 在输入回路进行补偿；在输入回路进行补偿； (b)在输出回路进行补偿在输出回路进行补偿图图7-6 采用热敏元件的温度补偿电路采用热敏元件的温度补偿电路u（3）不等位电势的

13、补偿）不等位电势的补偿 不等位电势与霍尔电势具有相同的数量级，有时甚至超不等位电势与霍尔电势具有相同的数量级，有时甚至超过霍尔电势。实用中，若想消除不等位电势是极其困难过霍尔电势。实用中，若想消除不等位电势是极其困难的，因而只有采用补偿的方法。的，因而只有采用补偿的方法。由图由图7-7看出，不等位电势由不等位电阻产生，因此可看出，不等位电势由不等位电阻产生，因此可以用分析电阻的方法找到一个不等位电势的补偿方法。以用分析电阻的方法找到一个不等位电势的补偿方法。图图 7-7 霍尔元件的等效电路霍尔元件的等效电路u（3）不等位电势的补偿）不等位电势的补偿 一个矩形霍尔片有两对电极，各个相邻电极之间有

14、一个矩形霍尔片有两对电极，各个相邻电极之间有4个个电阻电阻 ，因而可以把霍尔元件视为一个，因而可以把霍尔元件视为一个4臂臂电阻电桥，如图电阻电桥，如图7-8所示所示 ，这样不等位电势就相当于电，这样不等位电势就相当于电桥的初始不平衡输出电压。桥的初始不平衡输出电压。理想情况下，不等位电势为零，即电桥平衡，相当理想情况下，不等位电势为零，即电桥平衡，相当于于 ，则所有能够使电桥达到平衡的方法均，则所有能够使电桥达到平衡的方法均可用于补偿不等位电势，使不等位电势为零。可用于补偿不等位电势，使不等位电势为零。图图7-8 电势的补偿电路电势的补偿电路u（1）基本补偿电路）基本补偿电路霍尔元件的不等位电

15、势补偿电路有很多形式，图霍尔元件的不等位电势补偿电路有很多形式，图7-9为为两种常见电路，图两种常见电路，图7-9（a）是在造成电桥不平衡的电阻）是在造成电桥不平衡的电阻值较大的一个桥臂上并联值较大的一个桥臂上并联 ，通过调节，通过调节 使电桥达到使电桥达到平衡状态，称为不对称补偿电路；平衡状态，称为不对称补偿电路；图图7-9（b）则相当于在两个电桥臂上并联调用电阻，称）则相当于在两个电桥臂上并联调用电阻，称为对称补偿电路。为对称补偿电路。PRPR(a) 不对称补偿；不对称补偿； (b) 对称电路对称电路图图7-9 不对称电势的基本补偿电路不对称电势的基本补偿电路 u（2）具有温度补偿的补偿电

16、路）具有温度补偿的补偿电路图图7-10是一种常见的具有温度补偿的不等位电势补偿电是一种常见的具有温度补偿的不等位电势补偿电路。其中一个桥为热敏电阻路。其中一个桥为热敏电阻 ，并且，并且 与霍尔元件的与霍尔元件的等效电路的温度特性相同。等效电路的温度特性相同。在磁感应强度在磁感应强度B为零时调节为零时调节 和和 ，使补偿电压抵消，使补偿电压抵消霍尔元件，此时输出不等位电势，从而使霍尔元件，此时输出不等位电势，从而使B=0时的总输时的总输出电压为零。出电压为零。tRtR1RP2RP图图7-10 不等位电势的桥式补偿电路不等位电势的桥式补偿电路 7.3霍尔传感器的应用电路霍尔传感器的应用电路 霍尔元

17、件具有结构简单、体积小、重量轻、频带宽、霍尔元件具有结构简单、体积小、重量轻、频带宽、动态性能好和寿命长等许多优点，因而得到广泛应用。动态性能好和寿命长等许多优点，因而得到广泛应用。 在电磁测量中，用它测量恒定的或交变的磁感应强度、在电磁测量中，用它测量恒定的或交变的磁感应强度、有功功率、无功功率、相位、电能等参数；有功功率、无功功率、相位、电能等参数； 在自动检测系统中，多用于位移、压力的测量。在自动检测系统中，多用于位移、压力的测量。 7.3霍尔传感器的应用电路霍尔传感器的应用电路 1.霍尔接近开关霍尔接近开关霍尔接近开关电路如图霍尔接近开关电路如图7-11所示。它是一个无接触磁所示。它是

18、一个无接触磁控开关，当磁铁靠近时，开关接通；当磁铁离开后，控开关，当磁铁靠近时，开关接通；当磁铁离开后，开关断开。图开关断开。图7-12为常见霍尔接近开关的实物图。为常见霍尔接近开关的实物图。图图7-11 霍尔接近开关霍尔接近开关 1.霍尔接近开关霍尔接近开关图图7-12 常见霍尔接近开关实物图常见霍尔接近开关实物图 2.霍尔式压力传感器霍尔式压力传感器霍尔元件组成的压力传感器基本包括两部分：一部分是霍尔元件组成的压力传感器基本包括两部分：一部分是弹性元件，如弹簧管或膜盒等，用它感受压力，并把它弹性元件，如弹簧管或膜盒等，用它感受压力，并把它转换成位移量；另一部分是霍尔元件和磁路系统。转换成位

19、移量；另一部分是霍尔元件和磁路系统。图图7-13所示为霍尔式压力传感器的结构示意图。其中，所示为霍尔式压力传感器的结构示意图。其中，弹性元件是弹簧管，当被测压力发生变化时，弹簧管端弹性元件是弹簧管，当被测压力发生变化时，弹簧管端部发生位移，带动霍尔片在均匀梯度磁场中移动，作用部发生位移，带动霍尔片在均匀梯度磁场中移动，作用在霍尔片的磁场发生变化，输出的霍尔电势随之改变。在霍尔片的磁场发生变化，输出的霍尔电势随之改变。图图7-13 霍尔式压力传感器结构示意图霍尔式压力传感器结构示意图 3.霍尔式转速传感器霍尔式转速传感器霍尔元件图霍尔元件图7-14是几种不同结构的霍尔式转速传感器。是几种不同结构

20、的霍尔式转速传感器。转盘的输入轴与被测转轴相连，当被测转轴转动时，转转盘的输入轴与被测转轴相连，当被测转轴转动时，转盘随之转动，固定在转盘附近的霍尔传感器便可在每一盘随之转动，固定在转盘附近的霍尔传感器便可在每一个小磁场通过时产生一个相应的脉冲，检测出单位时间个小磁场通过时产生一个相应的脉冲，检测出单位时间的脉冲数，便可知道被测转速。根据磁性转盘上小磁铁的脉冲数，便可知道被测转速。根据磁性转盘上小磁铁数目就可确定传感器测量转速的分辨率。数目就可确定传感器测量转速的分辨率。图图7-14 霍尔式转速传感器霍尔式转速传感器 4. 电动机停转报警器电动机停转报警器 电动机停转报警电路如图电动机停转报警

21、电路如图7-15所示，该电路主要由霍尔所示，该电路主要由霍尔检测、报警电路两个部分组成。检测、报警电路两个部分组成。当电动机转动时，安装在电动机转轴上的磁铁以一定的当电动机转动时，安装在电动机转轴上的磁铁以一定的频率经过霍尔传感器，霍尔传感器不断地输出脉冲信号，频率经过霍尔传感器，霍尔传感器不断地输出脉冲信号，使扬声器发出声音。使扬声器发出声音。 图图7-15 电动机停转报警电路电动机停转报警电路 5.霍尔式汽车无触点点火装置霍尔式汽车无触点点火装置传统的机电汽缸点火装置使用机械式的分电器，存在着传统的机电汽缸点火装置使用机械式的分电器，存在着点火时间不准确、触点易磨损等缺点。点火时间不准确、触点易磨损等缺点。采用霍尔开关无触点晶体管点火装置可以克服上述缺点，采用霍尔开关无触点晶体管点火装置可以克服上述缺点，提高燃烧效率。提高燃烧效率。四汽缸汽车点