第9章 霍耳传感器

1、第9章 霍耳传感器本章主要内容9.1 霍尔传感器结构及工作原理 9.2 霍尔传感器的测量及补偿电路 9.3 霍尔传感器的应用教学目标及重点、难点教学目标：1、了解霍尔元件的工作原理及结构、霍尔元件的基本参数与温度误差的补偿；2、熟悉集成霍尔元件和霍尔式传感器的应用；重点、难点：重点：集成霍尔元件和霍尔式传感器的应用难点 霍尔传感器工作原理及应用一.霍尔效应 霍尔效应: 金属或半导体薄片置于磁场中，当有电流流过时，在垂直于电流和磁场的方向上将产生电动势，这种物理现象称为霍尔效应。 二.霍耳元件 霍尔元件: 基于霍尔效应工作的半导体器件称为霍尔元件，霍尔元件多采用N型半导体材料。 霍尔元件由霍尔片

2、、四根引线和壳体组成，如图所示。霍尔片是一块半导体单晶薄片(一般为4mm2mm0.1mm)，在它的长度方向两端面上焊有a、b两根引线，称为控制电流端引线，通常用红色导线，其焊接处称为控制电极；在它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，其焊接处称为霍尔电极。 9.1 霍尔传感器结构及工作原理一. 霍尔传感器（元件）工作原理 1. 霍耳效应金属或半导体薄片置于磁场中，当有电流流过时，在垂直于电流和磁场的方向上将产生电动势，这种物理现象称为霍尔效应。该电动势称为霍耳电势UH。置于磁场中的静止载流导体，当它的电流方向与磁场方向不一致时，载流导体上平行于电流和磁场

3、方向上的两个面之间产生电动势，这种现象称为霍耳效应。该电动势称为霍耳电势。如图4.59 所示，在垂直于外磁场B的方向上放置一导电板，导电板通以电流I，方向如图所示。导电板中的电流使金属中自由电子在电场作用下做定向运动。此时，每个电子受洛伦兹力fL作用，fL的大小为: fL=e v B式中: e电子电荷；v电子运动平均速度；B磁场的磁感应强度。在图4.59中，fL的方向是向内的，此时电子除了沿电流反方向作定向运动外，还在fL的作用下向导体一个侧面偏转，结果使金属导电板内侧面积累电子，而外侧面积累正电荷，从而形成了附加内电场EH，称为霍耳电场，该电场强度为：EH=UH /b式中：UH霍耳电位差；b

4、霍耳片的宽度。由于霍耳电场的存在，使作定向运动的电子除了受到洛伦兹力的作用外，还要受到霍耳效应产生的电场力的作用，其力的大小为fH=e EH，此力阻止电荷继续积累。随着内、外侧面积累电荷的增加，霍耳电场增大，电子受到的霍耳电场力也增大，因为电子所受洛伦兹力与霍耳电场作用力方向相反，当二者大小相等时有：e EH=e B v (4-97)即 EH=v B，达到动态平衡状态，此时电荷将不再向两侧面积累。2 霍耳电动势当电子运动方向与外磁场的方向相互垂直时，UH = EH b= b v B (9-1)假设金属导电板单位体积内的电子数为n，电子定向运动平均速度为v，由电流密度Q=n e v，则载流体的激

5、励电流I=Qbd=nevbd，则有 v=I/nebd (9-2)令RH=1/ne，称为霍耳常数，其大小取决于导体载流子密度，则UH =RH I B/d=KH I B式中，KH=RH/d，称为霍耳片的灵敏度。由此可见，霍耳电势正比于激励电流I及磁感应强度B，其霍耳片的灵敏度与霍耳系数RH成正比而与霍耳片的厚度d成反比。因此，为了提高灵敏度，霍耳元件常制成薄片形状。方向上，当B或I中任意一个量发生方向上变化时，霍耳电动势的方向发生变化，当B和I同时发生方向变化时，则霍耳电动势的方向保持不变。二. 霍耳元件的结构 霍耳元件的结构很简单，它是由霍耳片、四根引线和壳体组成，结构如图4.60(a)所示。在

6、电路中，霍耳元件一般可用两种符号表示，如图4.60(b)所示。国产霍耳元件型号的命名方法如图4.60(c)： 常见的国产霍耳元件型号有：HZ-1、HZ-2、HZ-3、HT-1、HT-2、HS-1等。1) 霍耳片是一块矩形半导体单晶薄片，引出四根引线：1、1两根引线加激励电压或电流，称为激励电极(或控制电极)；2、2引线为霍耳输出引线，称为霍耳电极。2) 霍耳元件的壳体是用非导磁金属、陶瓷或环氧树脂封装。三. 霍耳元件的主要技术参数1 额定激励电流使霍耳元件温升10时所施加的激励电流称为额定激励电流。以元件允许最大温升为限制所对应的激励电流称为最大允许激励电流。因霍耳电势随激励电流增加而线性增加

7、，所以使用中希望选用尽可能大的激励电流以获得较高的霍耳电势输出，但是由于受到最大允许温升的限制，可以通过改善霍耳元件的散热条件，使激励电流增加。2 灵敏度KH霍耳元件在单位磁感应强度和单位激励电流作用下的空载霍耳电势值，称为霍耳元件的灵敏度。3 输入电阻和输出电阻霍耳元件激励电极间的电阻值称为输入电阻。霍耳电极输出电势对电路外部来说相当于一个电压源，其电源内阻即为输出电阻。以上电阻值是在磁感应强度为零，且环境温度在205时所确定的。4 不等位电势和不等位电阻当磁感应强度为零，霍耳元件的激励电流为额定值时，则其输出的霍耳电势应该为零，但实际不为零，用直流电位差计可以测得空载霍耳电势，这时测得的空

8、载霍耳电势称为不等位电势(一般)。产生不等位电势的主要原因有：霍耳电极安装位置不对称或不在同一等电位面上；半导体材料不均匀造成了电阻率不均匀或是几何尺寸不均匀；激励电极接触不良造成激励电流不均匀分布等。不等位电势也可用不等位电阻(零位电阻)表示，即式中U0不等位电势；R0不等位电阻；I额定激励电流。由式(4-105)可以看出，不等位电势就是激励电流流经不等位电阻所产生的电压，如图4.64 所示。5 寄生直流电势在外加磁场为零、霍耳元件用交流激励时，霍耳电极输出除了交流不等位电势外，还有一直流电势，称为寄生直流电势。产生寄生直流电势的原因有：激励电极与霍耳电极接触不良，形成非欧姆接触，造成整流效

9、果；两个霍耳电极大小不对称，则两个电极点的热容不同，散热状态不同而形成极间温差电势。寄生直流电势一般在1mV以下，它是影响霍耳片温漂的原因之一。6 霍耳电势温度系数在一定磁感应强度和激励电流下，温度每变化1时，霍耳电势变化的百分率称为霍耳电势温度系数。它同时也是霍耳系数的温度系数。它与霍耳元件的材料有关，一般约为0.1左右。9.2 霍尔传感器的测量及补偿电路一. 霍耳元件测量电路图4.61所示的是霍耳元件的基本检测电路。Rp用来调节激励电流的大小，电源E用以提供激励电流I，霍耳元件输出端接负载电阻RL(也可以是测量仪表的内阻或放大器的输入电阻等)霍耳效应建立的时间很短，所以也可以用频率很高的交

10、流激励电流(如109Hz以上)，由于霍耳电势正比于激励电流I或磁感应强度B，或者二者的乘积，因此在实际应用中，可以把激励电流I 或磁感应强度B，或者二者的乘积作为输入信号进行检测。通常，霍耳电势的转换效率比较低，为了获得更大的霍耳电势输出，可以将若干个霍耳元件串联起来使用。图4.62所示的是两个霍耳元件串联的接线图。而在霍耳元件输出信号不够大的情况下，可以采用运算放大器对霍耳电势进行放大，如图4.63所示。当然，最好还是采用集成霍耳传感器。二. 测量误差及误差补偿1. 不等位电势的产生误差及补偿不等位电动势是一个主要的零位误差，不等位电势与霍耳电势具有相同的数量级，有时甚至超过霍耳电势，而实用

11、中要消除不等位电势是极其困难的，因而必须采用补偿的方法。分析不等位电势时，可以把霍耳元件等效为一个电桥，用分析电桥平衡来补偿不等位电势。图4.65 所示为霍耳元件的等效电路，其中A、B为霍耳电极，C、D为激励电极，电极分布电阻分别用r1、r2、r3、r4表示，把它们看作电桥的四个桥臂。理想情况下，电极A、B 处于同一等位面上，r1= r2= r3= r4，电桥平衡，不等位电势Uo为0。实际上，由于A、B电极不在同一等位面上，此四个电阻阻值不相等，电桥不平衡，不等位电势不等于零。此时可根据A、B两点电位的高低，判断应在某一桥臂上并联一定的电阻，使电桥达到平衡，从而使不等位电势为零。几种补偿线路如

12、图4.66所示。图(a)、(b)为常见的补偿电路，图(b)、(c)相当于在等效电桥的两个桥臂上同时并联电阻，图(d)用于交流供电的情况。2. 温度补偿（温度误差及其补偿）霍耳元件是采用半导体材料制成的，因此它们的许多参数都具有较大的温度系数。当温度变化时，霍耳元件的载流子浓度、迁移率、电阻率及霍耳系数都将发生变化，从而使霍耳元件产生温度误差。为了减小霍耳元件的温度误差，除选用温度系数小的元件或采用恒温措施外，由UH=KH I B可看出：采用恒流源供电是个有效措施，可以使霍耳电势稳定。但也只能是减小由于输入电阻随温度变化所引起的激励电流I的变化的影响。霍耳元件的灵敏度KH也是温度的函数，它随温度

13、变化将引起霍耳电势的变化。霍耳元件的灵敏度系数与温度的关系可写成：KH=KH0(1+aT)式中 KH0温度为T0时的KH值；T=T-T0温度变化量；a霍耳电势温度系数。大多数霍耳元件的温度系数a是正值，它们的霍耳电势随温度升高而增加aT倍。但如果同时让激励电流Is相应地减小，并能保持KHIs乘积不变，也就抵消了灵敏度KH增加的影响。图4.67就是按此思路设计的一个既简单，补偿效果又较好的补偿电路。电路中Is为恒流源，分流电阻Rp与霍耳元件的激励电极相并联。当霍耳元件的输入电阻随温度升高而增加时，旁路分流电阻Rp自动地增大分流，减小了霍耳元件的激励电流IH，从而达到补偿的目的。霍尔元件的温度误差

14、可以采用多种方法进行补偿，而采用温度补偿元件是一种最常见的补偿方法。见P63图312三、集成霍尔元件集成霍尔元件可分为线性型和开关型两大类，前者是将霍尔元件和恒流源、线性放大器等做在一个芯片上；后者是将霍尔元件、稳压电路、放大器、施密特触发器、OC门等电路做在同一个芯片上。1. 线性型集成霍尔元件（线性型霍尔集成传感器）线性型霍尔集成传感器是将霍尔元件、恒流源和线性放大器等集成在一块芯片上，输出电压为伏级，比直接使用霍尔元件要方便得多，比较典型的线性霍尔器件有UGN3501等。图9-21所示为UGN3501T的外形及内部电路框图，其输出特性曲线图如图9-22所示。UGN3501M为具有双端差动

15、输出的线性霍尔器件，其外形及内部电路如图9-23所示。其输出特性曲线如图9-24所示。当感受的磁场为零时，输出电压为零；当感受的磁场为正时（磁钢的S极对准3501M的正面），输出为正；当磁场反向时，输出为负。因此，它使用起来更加方便。它的第5、6、7脚外接一只微调电位器后，就可以微调并消除不等位电动势引起的差动输出零点漂移。2. 开关型集成霍尔元件（开关型霍尔集成传感器） 开关型霍尔集成传感器由霍尔元件、稳压器、差分放大器、施密特触发器、OC门（集电极开路输出门）等电路做在同一芯片上组成。当外加磁场强度达到或超过规定的工作点时，OC门由高阻态变为导通状态，输出为低电平；当外加磁场低于释放点时，

16、OC门重新变为高组态，输出变为高电平（有上拉电阻时）。 开关型霍尔集成传感器有单稳态和双稳态两种。UGN(S)3019T及UGN(S)3020T均为单稳开关型霍尔器件。双稳开关型霍尔器件内部包含双稳态电路，其特点是必须施加相反极性的磁场，电路的输出才能翻转回到高电平，即具有“锁键”功能，这类器件又称为锁键型霍尔集成电路，如UGN3075等。图9-25示出的为UGN3020的外形及电路框图，图9-26为其输出特性曲线。9.3 霍尔传感器的应用霍耳元件具有结构简单、体积小、动态特性好和寿命长的优点，它不仅用于磁感应强度、有功功率及电能参数的测量，也在位移测量中得到广泛应用。一 霍耳式微位移传感器（

17、位移检测）图4.68给出了一些霍耳式位移传感器的工作原理图。图4.68(a)是磁场强度相同的两块永久磁铁，同极性相对地放置，霍耳元件处在两块磁铁的中间。由于磁铁中间的磁感应强度B=0，因此霍耳元件输出的霍耳电势UH也等于零，此时位移x=0。若霍耳元件在两磁铁中产生相对位移，霍耳元件感受到的磁感应强度也随之改变，这时UH不为零，其量值大小反映出霍耳元件与磁铁之间相对位置的变化量。这种结构的传感器，其动态范围可达5mm，分辨率为0.001mm。图4.68(c)将霍尔元件置于磁场中，左半部磁场方向向上，右半部磁场方向向下，从a端通人电流I，根据霍尔效应，左半部产生霍尔电势VH1，右半部产生露尔电势V

18、H2，其方向相反。因此c、d两端电势为VH1VH2。如果霍尔元件在初始位置时VH1=VH2，则输出为零；当改变磁极系统与霍尔元件的相对位置时，即可得到输出电压，其大小正比于位移量。 二. 霍耳式转速传感器（转速测量）图4.69所示的是几种不同结构的霍耳式转速传感器。转盘的输入轴与被测转轴相连，当被测转轴转动时，转盘随之转动，固定在转盘附近的霍耳传感器便可在每一个小磁铁通过时产生一个相应的脉冲，检测出单位时间的脉冲数，便可知被测转速。根据磁性转盘上小磁铁数目多少就可确定传感器测量转速的分辨率。三. 霍耳计数装置霍耳集成元件是将霍耳元件和放大器等集成在一块芯片上。它由霍耳元件、放大器、电压调整电路、电流放大输出电路、失调调整及线性度调整电路等几部分组成，有三端T形单端输出和八脚双列直插型双端输出两种结构。它的特点是输出电压在一定范围内与磁感应强度成线性关系。霍耳开关传感器SL3501是具有较高灵敏度的集成霍耳元件，能感受到很小的磁场变化，因而可对黑色金属零件进行计数检测。图4.70所示的是对钢球进行计数的工作示意图和电路图。当钢球通过霍耳开关传感器时，传感器可输出峰值20mV的脉冲电压，该电压经运算放大器(A741)放大后，驱动半导体三极管VT(2N5812