第八章霍尔传感器

1、第八章第八章 霍尔传感器霍尔传感器本章主要讲述内容：本章主要讲述内容：1、霍尔传感器的工作原理、霍尔传感器的工作原理2、霍尔集成电路的特性、霍尔集成电路的特性3、霍尔传感器的应用、霍尔传感器的应用第一节第一节 霍尔传感器的工作原理霍尔传感器的工作原理 磁感应强度磁感应强度B B=0时：时：c cd da ab b 半导体薄片置于磁感应强度为半导体薄片置于磁感应强度为B B的磁场中，磁场方向垂直的磁场中，磁场方向垂直于薄片，当有电流于薄片，当有电流I I流过薄片时，在垂直于电流和磁场的方向流过薄片时，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E EH H，这种现象称为，这种现象称为霍尔

2、效应霍尔效应。 第一节第一节 霍尔传感器的工作原理霍尔传感器的工作原理 磁感应强度磁感应强度B B 时：时： 半导体薄片置于磁感应强度为半导体薄片置于磁感应强度为B B 的磁场中，磁场方向垂直的磁场中，磁场方向垂直于薄片，当有电流于薄片，当有电流I I 流过薄片时，在垂直于电流和磁场的方向流过薄片时，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E EH H，这种现象称为，这种现象称为霍尔效应霍尔效应。 作用在半导体薄片上的磁场强度作用在半导体薄片上的磁场强度B B越强，霍尔电势也就越高。越强，霍尔电势也就越高。霍尔电势霍尔电势E EH H可用下式表示：可用下式表示： E EH H= =

3、K KH H IBIBc cd da ab b霍尔效应演示霍尔效应演示: 当磁场垂直于薄片时，电子受到洛仑兹力的作用，向内侧当磁场垂直于薄片时，电子受到洛仑兹力的作用，向内侧偏移，在半导体薄片偏移，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。 霍尔元件是一种基于霍尔效应的霍尔元件是一种基于霍尔效应的磁电传感器磁电传感器，得到广泛，得到广泛的应用。可以检测的应用。可以检测磁场、电流及其变化磁场、电流及其变化，可在各种与磁场有，可在各种与磁场有关的场合中使用。霍尔器件以霍尔效应为其工作基础。关的场合中使用。霍尔器件以霍尔效应为其工作基础。特点：特点： 霍尔器件具有

4、许多优点，它们的结构牢固，体积小，重量轻，寿命长，安装方便，功耗小，频率高，耐震动，不怕灰尘、油污、水汽及盐雾等的污染或腐蚀。 第一节第一节 霍尔传感器的工作原理霍尔传感器的工作原理第一节第一节 霍尔传感器的工作原理霍尔传感器的工作原理zxyIADBCBbldUHA、B-霍尔电极 C、D-控制电极 设图中的材料是型半导体，导电的载流子是电设图中的材料是型半导体，导电的载流子是电子。在轴方向的磁场作用下，电子将受到一个沿轴子。在轴方向的磁场作用下，电子将受到一个沿轴负方向力的作用，这个力就是洛仑兹力。它的大小为：负方向力的作用，这个力就是洛仑兹力。它的大小为： FL=Bqv第一节第一节 霍尔传感

5、器的工作原理霍尔传感器的工作原理zxyIADBCBbldUHA、 B-霍 尔 电 极 C、 D-控 制 电 极 在洛仑兹力的作用下，电子向在洛仑兹力的作用下，电子向一侧偏转，使该侧形成负电荷的积一侧偏转，使该侧形成负电荷的积累，另一侧则形成正电荷的积累。累，另一侧则形成正电荷的积累。这样，这样，A、B两端面因电荷积累而建两端面因电荷积累而建立了一个电场立了一个电场，称为霍尔电场。，称为霍尔电场。该电场该电场的强度为的强度为 Eh=vB 在在A与与B两点间建立的电势差两点间建立的电势差称为霍尔电压，用称为霍尔电压，用UH表示表示UH= Ehb= vBb由上式知，霍尔电压的大小决定于由上式知，霍尔

6、电压的大小决定于载流体中载流体中电子的运动速度电子的运动速度，它随载，它随载流体材料的不同而不同。流体材料的不同而不同。 材料中电子在电场作材料中电子在电场作用下运动速度的大小常用用下运动速度的大小常用载流子迁移率载流子迁移率来表征来表征第一节第一节 霍尔传感器的工作原理霍尔传感器的工作原理zxyIADBCBbldUHA、 B-霍 尔 电 极 C、 D-控 制 电 极霍尔电压霍尔电压UH= Ehb= vBb 所谓所谓载流子迁移率载流子迁移率，是指在单位，是指在单位电场强度作用下，载流子的平均速度电场强度作用下，载流子的平均速度值。用符号值。用符号表示，表示，=v/EI 其中其中EI是是C、D两

7、端面之间的电两端面之间的电场强度。它是由外加电压场强度。它是由外加电压U产生的，产生的， 即即: EIU/L。 因此我们可以把电子运动速度表示为因此我们可以把电子运动速度表示为v=U/l。这时上式可写。这时上式可写为为:bBlUUH 第一节第一节 霍尔传感器的工作原理霍尔传感器的工作原理zxyIADBCBbldUHA、 B-霍 尔 电 极 C、 D-控 制 电 极霍尔电压霍尔电压UH= Ehb= vBb 当材料中的电子浓度为材料中的电子浓度为n时，有时，有如下关系式如下关系式: I=nqbdv 即即:nqbdIv IBnqdUH1 IBKdIBRHH KH为为霍尔灵敏度霍尔灵敏度，它表示一个霍

8、尔元件在单位控制电流和，它表示一个霍尔元件在单位控制电流和单位磁感应强度时产生的霍尔电压的大小，单位磁感应强度时产生的霍尔电压的大小，KH=UH/IB，它的单，它的单位是位是mV/(mAT)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: U UH H= =K KH HIBIBcoscos 第一节第一节 霍尔传感器的工作原理霍尔传感器的工作原理zxyIADBCBbldUHA、 B-霍 尔 电 极 C、 D-控 制 电 极通过以上分析可知：通过以上分析可知：IBnqdUH1 IBKdIBRHH 1）霍尔电压）霍尔电压UH与材料的性质有关，霍尔元件一般采用与材料的性质有关，霍

9、尔元件一般采用N型半导型半导体材料。体材料。2）霍尔电压）霍尔电压UH与元件的尺寸有关。与元件的尺寸有关。 d 愈小，愈小，KH 愈大，霍尔灵敏度愈高，所以霍尔元件的厚度都比较薄，但愈大，霍尔灵敏度愈高，所以霍尔元件的厚度都比较薄，但d太小，太小，会使元件的输入、输出电阻增加。会使元件的输入、输出电阻增加。3）霍尔电压霍尔电压U UH H与控制电流及磁场强度有关。与控制电流及磁场强度有关。 控制电流恒定时磁场强度愈大则控制电流恒定时磁场强度愈大则UH愈大。当磁场改变方向时，愈大。当磁场改变方向时， UH也改变方向也改变方向;如果所施加的磁场为交变磁场，则霍尔电势为同频率的交变电势。如果所施加的

10、磁场为交变磁场，则霍尔电势为同频率的交变电势。 bBlUUH 第一节第一节 霍尔传感器的工作原理霍尔传感器的工作原理霍尔元件的主要外特性参数霍尔元件的主要外特性参数最大磁感应强度最大磁感应强度BM 上图所示霍尔元件的线性范围是负的多少高斯至正上图所示霍尔元件的线性范围是负的多少高斯至正的多少高斯？的多少高斯？线性区线性区第一节第一节 霍尔传感器的工作原理霍尔传感器的工作原理霍尔元件的主要外特性参数霍尔元件的主要外特性参数最大激励电流最大激励电流IM 由于霍尔电势随激励电流增大而增大，故在应用中总由于霍尔电势随激励电流增大而增大，故在应用中总希望选用较大的激励电流。希望选用较大的激励电流。 但激

11、励电流增大，霍尔元件的功耗增大，元件的温度升但激励电流增大，霍尔元件的功耗增大，元件的温度升高，从而引起霍尔电势的温漂增大，因此每种型号的元件高，从而引起霍尔电势的温漂增大，因此每种型号的元件均规定了相应的最大激励电流，它的数值从均规定了相应的最大激励电流，它的数值从几毫安至十几几毫安至十几毫安毫安。 以下哪一个激励电流的数值较为妥当？以下哪一个激励电流的数值较为妥当？5 5A 0.1mA 2mA 80mAA 0.1mA 2mA 80mA 霍尔集成电路可分为霍尔集成电路可分为线性型线性型和和开关型开关型两大类。两大类。 线性型集成电路是将线性型集成电路是将和和、等做在一个芯片上，输出电压为伏级

12、，比直接使用霍尔元件方等做在一个芯片上，输出电压为伏级，比直接使用霍尔元件方便得多。较典型的线性型霍尔器件如便得多。较典型的线性型霍尔器件如UGN3501等。等。 线性型三端霍尔集线性型三端霍尔集成电路成电路第二节第二节 霍尔集成电路霍尔集成电路 线性型霍尔特性线性型霍尔特性 右图示出了具有双右图示出了具有双端差动输出特性的线性端差动输出特性的线性霍尔器件的输出特性曲霍尔器件的输出特性曲线。当磁场为零时，它线。当磁场为零时，它的输出电压等于零；当的输出电压等于零；当感受的磁场为正向（磁感受的磁场为正向（磁钢的钢的S S极对准霍尔器件极对准霍尔器件的正面）时，的正面）时， 输出为输出为正；磁场反

13、向时，输出正；磁场反向时，输出为负。为负。 第二节第二节 霍尔集成电路霍尔集成电路 开关型霍尔集成电路是将开关型霍尔集成电路是将霍尔元件霍尔元件、稳压电路稳压电路、放大器放大器、施密特触发器施密特触发器、OC门（集电极开路输出门）门（集电极开路输出门）等电路做在同一等电路做在同一个芯片上。个芯片上。 当外加磁场强度超过规定的工作点时，当外加磁场强度超过规定的工作点时，OC门由高阻态变门由高阻态变为导通状态，输出变为低电平；当外加磁场强度低于释放点时，为导通状态，输出变为低电平；当外加磁场强度低于释放点时，OC门重新变为高阻态，输出高电平。门重新变为高阻态，输出高电平。 较典型的开关型霍尔器件如

14、较典型的开关型霍尔器件如UGN3020等。等。 开关型霍尔集成电路开关型霍尔集成电路第二节第二节 霍尔集成电路霍尔集成电路OCOC门门 施密特施密特 触发电路触发电路 双端输入、双端输入、 单端输出运放单端输出运放霍尔霍尔 元件元件. .VccVcc开关型霍尔集成电路的外形及内部电路开关型霍尔集成电路的外形及内部电路 开关型霍尔集成电路开关型霍尔集成电路第二节第二节 霍尔集成电路霍尔集成电路开关型霍尔集成电路的史密特输出特性开关型霍尔集成电路的史密特输出特性回差越大，抗振动干扰能力就越强。回差越大，抗振动干扰能力就越强。 开关型霍尔集成电路开关型霍尔集成电路第二节第二节 霍尔集成电路霍尔集成电

15、路 请按以下电路，将下一页中的有关元件连接起来请按以下电路，将下一页中的有关元件连接起来.开关型霍尔集成电路（开关型霍尔集成电路（OC门输出）的接线门输出）的接线 开关型霍尔集成电路开关型霍尔集成电路第二节第二节 霍尔集成电路霍尔集成电路开关型霍尔集成电路开关型霍尔集成电路与继电器的接线与继电器的接线? ?第三节第三节 霍尔传感器的应用霍尔传感器的应用 霍尔电势是关于霍尔电势是关于I、B、 三个变量的函数，即三个变量的函数，即 EH=KHIBcos 。 利用这个关系可以使其中两个量不变，将第三个量作为变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，其余两个量都作为变

16、量。这使得量，或者固定其中一个量，其余两个量都作为变量。这使得霍尔传感器有许多用途。霍尔传感器有许多用途。霍尔特斯拉计（高斯计）霍尔特斯拉计（高斯计） 霍尔元件霍尔元件1 1特斯拉特斯拉10,00010,000高斯高斯 1 1高斯高斯1,0001,000毫高斯毫高斯 1 1微特斯拉微特斯拉1010毫高斯毫高斯 霍尔传感器用于测量磁感应强度霍尔传感器用于测量磁感应强度 霍尔元件霍尔元件测量铁心测量铁心 气隙的气隙的B值值霍尔转速表霍尔转速表60 22fn 在被测转速的转轴上安装一个齿盘，也可选取机在被测转速的转轴上安装一个齿盘，也可选取机械系统中的一个齿轮，将线性型霍尔器件及磁路系统械系统中的一

17、个齿轮，将线性型霍尔器件及磁路系统靠近齿盘。齿盘的转动使磁路的磁阻随气隙的改变而靠近齿盘。齿盘的转动使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隔直、周期性地变化，霍尔器件输出的微小脉冲信号经隔直、放大、整形后可以确定被测物的转速。放大、整形后可以确定被测物的转速。S SN N线性霍尔线性霍尔磁铁磁铁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，当齿轮的空挡对准霍尔后输出高电平；反之，当齿轮的空挡对准霍尔元件时，

18、输出为低电平。元件时，输出为低电平。霍尔转速传感器在汽车防抱死装置霍尔转速传感器在汽车防抱死装置（ABS）中的应用）中的应用 若汽车在刹车时车轮被抱死，将产生危险。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。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霍尔转速表的其他安装方法霍尔转速表的其他安装方法 只要黑色金属旋转体的表面存在缺口或突只要黑色金属旋转体的表面存在缺口或突起，就可产生磁场强度的脉动，从而引起霍尔起，就可产生磁场强度的脉动，从而引起霍尔电势的变化，

19、产生转速信号。电势的变化，产生转速信号。 霍尔元件霍尔元件磁铁磁铁霍尔式无触点汽车电子点火装置霍尔式无触点汽车电子点火装置 采用霍尔式无采用霍尔式无触点电子点火装置触点电子点火装置能较好地克服汽车能较好地克服汽车合金触点点火时间合金触点点火时间不准确、触点易烧不准确、触点易烧坏、高速时动力不坏、高速时动力不足等缺点。足等缺点。 汽车点火线圈汽车点火线圈高压输出高压输出接头接头12V低压电源低压电源输入接头输入接头霍尔式无触点汽车电子点火装置工作原理霍尔式无触点汽车电子点火装置工作原理 采用霍尔式无触点电子点火装置无磨损、点采用霍尔式无触点电子点火装置无磨损、点火时间准确、高速时动力足。火时间准

20、确、高速时动力足。桑塔纳汽车霍尔式分电器示意图桑塔纳汽车霍尔式分电器示意图 1-1-触发器叶片触发器叶片 2- -槽口槽口 3- -分电器转轴分电器转轴 4- -永久磁铁永久磁铁 5- -霍尔集成电路（霍尔集成电路（PNP型霍尔型霍尔IC） a a）带缺口的触发器叶片）带缺口的触发器叶片 b）触发器叶片与永久磁铁及霍尔集）触发器叶片与永久磁铁及霍尔集成电路之间的安装关系成电路之间的安装关系 c c）叶片位置与点火正时的关系）叶片位置与点火正时的关系 霍尔式无触点汽车电子点火装置霍尔式无触点汽车电子点火装置(续）续） 当叶片遮挡在霍尔当叶片遮挡在霍尔ICIC面前时，面前时，PNPPNP型霍尔型霍

21、尔ICIC的输出为低电平，的输出为低电平，晶体管功率开关处于导通状态，点火线圈低压侧有较大电流通晶体管功率开关处于导通状态，点火线圈低压侧有较大电流通过，并以磁场能量的形式储存在点火线圈的铁心中。过，并以磁场能量的形式储存在点火线圈的铁心中。 汽车电子点火电路及波形汽车电子点火电路及波形 1点火开关点火开关 2达林顿晶体管功率开关达林顿晶体管功率开关 3点火线圈低压侧点火线圈低压侧 4点火线圈铁心点火线圈铁心 5点火线圈高压侧点火线圈高压侧 6分火头分火头 7火花塞火花塞 a a）电路）电路 b）霍尔）霍尔IC及点火线圈高压侧输出波形及点火线圈高压侧输出波形 当叶片槽口当叶片槽口转到霍尔转到霍

22、尔IC面前面前时，霍尔时，霍尔IC输出输出跳变为高电平，跳变为高电平，经反相变为低电经反相变为低电平，达林顿管截平，达林顿管截止，切断点火线止，切断点火线圈的低压侧电流。圈的低压侧电流。由于没有续流元由于没有续流元件，所以存储在件，所以存储在点火线圈铁心中点火线圈铁心中的磁场能量在高的磁场能量在高压侧感应出压侧感应出3050kV的高电压。的高电压。 汽车电子点火装置使用的汽车电子点火装置使用的 点火控制器、霍尔传感器及点火总成点火控制器、霍尔传感器及点火总成磁铁磁铁点火总成点火总成霍尔式无刷电动机霍尔式无刷电动机 霍尔式无刷电动机取消了换霍尔式无刷电动机取消了换向器和电刷，而采用霍尔元件来向器

23、和电刷，而采用霍尔元件来检测转子和定子之间的相对位置，检测转子和定子之间的相对位置，其输出信号经放大、整形后触发其输出信号经放大、整形后触发电子线路，从而控制电枢电流的电子线路，从而控制电枢电流的换向，维持电动机的正常运转。换向，维持电动机的正常运转。由于无刷电动机不产生电火花及由于无刷电动机不产生电火花及电刷磨损等问题，所以它在电刷磨损等问题，所以它在录像录像机、机、CD唱机唱机、光驱等家用电器中、光驱等家用电器中得到越来越广泛的应用。得到越来越广泛的应用。 普通直流电动机使用普通直流电动机使用的电刷和换向器的电刷和换向器无刷电动机在电动自行车上的应用无刷电动机在电动自行车上的应用 电动自行

24、车电动自行车可充电可充电电池组电池组无刷电动机无刷电动机无刷电动机在电动自行车上的应用无刷电动机在电动自行车上的应用 无刷直流电动机无刷直流电动机的的外转子采用高性能外转子采用高性能钕铁硼稀土永磁材料；钕铁硼稀土永磁材料；三个霍尔三个霍尔位置传感器位置传感器产生六个状态编码信产生六个状态编码信号，控制逆变桥各功号，控制逆变桥各功率管通断，使三相内率管通断，使三相内定子线圈与外转子之定子线圈与外转子之间产生连续转矩，具间产生连续转矩，具有效率高、无火花、有效率高、无火花、可靠性强等特点。可靠性强等特点。电动自行车的电动自行车的无刷电动机及控制电路无刷电动机及控制电路 去速度去速度控制器控制器 利

25、用利用PWM调速调速光驱用的无刷电动机内部结构光驱用的无刷电动机内部结构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、并达到动作距离时，近、并达到动作距离时，霍尔式接近开关动作。霍霍尔式接近开关动作。霍尔接近开关一般还配一块尔接近开关一般还配一块钕铁硼磁铁。钕铁硼磁铁。霍尔式接近开关霍尔式接近开关 用霍尔用霍尔ICIC也能完成接近开关的功能，但是它只能也能完成接近开关的功能，但是它只能用于铁磁材料的检测，并且还需要建立一个较强的闭用于铁磁材料的检测，并且还需要建立一个较强的闭合磁场。合磁场。 在右图中，当磁在右图中，当磁铁随运动部件移动到距铁随运动部件移动到距霍尔接近开

26、关几毫米时，霍尔接近开关几毫米时，霍尔霍尔ICIC的输出由高电平的输出由高电平变为低电平，经驱动电变为低电平，经驱动电路使继电器吸合或释放，路使继电器吸合或释放，控制运动部件停止移动控制运动部件停止移动（否则将撞坏霍尔（否则将撞坏霍尔ICIC）起到限位的作用。起到限位的作用。 霍尔式接近开关用于霍尔式接近开关用于转速测量演示转速测量演示n= = 6060f4(r/min)软铁分流翼片 开关型霍尔开关型霍尔IC IC T T霍尔电流传感器霍尔电流传感器 将被测电流的将被测电流的导线穿过霍尔电流导线穿过霍尔电流传感器的检测孔。传感器的检测孔。当有电流通过导线当有电流通过导线时，在导线周围将时，在导线周围将产生磁场，磁力线产生磁场，磁力线集中在铁心内，并集中在铁心内，并在铁心的缺口处穿在铁心的缺口处穿过霍尔元件，从而过霍尔元件，从而产生与电流成正比产生与电流成正比的霍尔电压。的霍尔电压。霍尔电流传感器演示霍尔电流传感器演示铁心铁心 线性霍尔线性霍尔IC EH=KH IB 所实现的多媒体界面：所实现的多媒体界面：其他霍尔其他霍尔 电流传感器电流传感器其他霍尔电流其他霍尔电流传感器（续）传感器（续）霍尔钳形电流表（交直流两用）霍尔钳形电流表（交直流两用）压舌压舌豁口豁口霍尔钳形电流表演示霍尔钳形电流表演示直流直流200A