传感及检测技术3-3-霍尔传感器

1、 霍尔式传感器是基于霍尔式传感器是基于霍尔效应霍尔效应而将被测量转换成电动势输出的而将被测量转换成电动势输出的一种传感器。霍尔器件是一种磁敏传感器，利用半导体元件对磁一种传感器。霍尔器件是一种磁敏传感器，利用半导体元件对磁场敏感的特性来实现磁电转换，它们可以检测磁场及其变化，可场敏感的特性来实现磁电转换，它们可以检测磁场及其变化，可在各种与磁场有关的场合中使用。在各种与磁场有关的场合中使用。 霍尔器件具有许多霍尔器件具有许多优点优点，它们的结构牢固，体积小，重量轻，它们的结构牢固，体积小，重量轻，寿命长，安装方便，功耗小，频率高寿命长，安装方便，功耗小，频率高( (可达可达1 MHz)1 MH

2、z)，耐振动，不，耐振动，不怕灰尘、油污、水汽及盐雾等的污染或腐蚀。怕灰尘、油污、水汽及盐雾等的污染或腐蚀。 按照霍尔器件的功能可将它们分为：按照霍尔器件的功能可将它们分为：霍尔线性器件霍尔线性器件和和霍尔开关霍尔开关器件器件，前者输出模拟量，后者输出数字量。，前者输出模拟量，后者输出数字量。 霍尔线性器件的精度高、线性度好；霍尔开关器件无触点、无霍尔线性器件的精度高、线性度好；霍尔开关器件无触点、无磨损、输出波形清晰、无抖动、无回跳、位置重复精度高磨损、输出波形清晰、无抖动、无回跳、位置重复精度高( (可达可达 级级) )。采用了各种补偿和保护措施的霍尔器件的工作温度范围宽，。采用了各种补偿

3、和保护措施的霍尔器件的工作温度范围宽，可达可达-55-55+150+150。 霍尔片是一块矩形半导体单晶薄片霍尔片是一块矩形半导体单晶薄片(一般为一般为4mm2mm0.1mm)，经研磨抛光，然后用蒸发合金法或其他方法制作欧姆，经研磨抛光，然后用蒸发合金法或其他方法制作欧姆接触电极，最后焊上引线并封装。而薄膜霍尔元件则是在一接触电极，最后焊上引线并封装。而薄膜霍尔元件则是在一片极薄的基片上用蒸发或外延的方法做成霍尔片，然后再制片极薄的基片上用蒸发或外延的方法做成霍尔片，然后再制作欧姆接触电极，焊上引作欧姆接触电极，焊上引线最后封装。线最后封装。霍尔元件的元件结构霍尔元件的元件结构如如图图1 1所

4、示所示，引出的电极其，引出的电极其中一对为控制电流端，一中一对为控制电流端，一般以红色导线标记，另一般以红色导线标记，另一对为霍尔电势输出端，常对为霍尔电势输出端，常用绿色导线标记用绿色导线标记图图1 1 霍尔元件的结构图霍尔元件的结构图如图如图2 2所示的一块所示的一块NN型半导体薄片，其长度为型半导体薄片，其长度为L L，宽度为，宽度为l l，厚度为，厚度为d d。在垂直于该半导体薄片平面的上方，施加磁感应强度为在垂直于该半导体薄片平面的上方，施加磁感应强度为B B的磁场，的磁场，在半导体薄片相对的两边通以控制电流在半导体薄片相对的两边通以控制电流I I，当，当NN型半导体中的载流型半导体

5、中的载流子（电子）沿着电流子（电子）沿着电流I I相反地方向运动时，受到洛仑兹力相反地方向运动时，受到洛仑兹力F FL L的作用，的作用，使电子偏向一端，产生负电荷的积聚，而另一端面则为正电荷积使电子偏向一端，产生负电荷的积聚，而另一端面则为正电荷积聚，产生了静电场，聚，产生了静电场，即霍尔电场。即霍尔电场。霍尔电场对电子的作用力霍尔电场对电子的作用力F FE E与洛与洛仑兹力仑兹力F FL L方向相反，将阻止电子方向相反，将阻止电子继续偏转，最后形成动态平衡，继续偏转，最后形成动态平衡，此时在半导体薄片电荷积聚的两此时在半导体薄片电荷积聚的两边将产生一个与控制电流边将产生一个与控制电流I I

6、和磁感和磁感应强度应强度B B乘积成正比的电势乘积成正比的电势U UH H，这一现象称为霍尔效应，该电势这一现象称为霍尔效应，该电势称为称为霍尔电势。霍尔电势。图图2 2 霍尔效应原理图霍尔效应原理图霍尔电势霍尔电势E EH H可用下式表示：可用下式表示： E EH H=K KH H IBIB霍尔效应演示实验霍尔效应演示实验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（d d侧）侧）偏移，在半导体薄片偏移，在半导体薄片c c、d 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。cdab 若磁感应强度若磁感应强度B B不垂直

7、于霍尔元件，而是与其法线成某一角度时，不垂直于霍尔元件，而是与其法线成某一角度时，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）的分量，即片垂直的方向）的分量，即BcosBcos，这时的霍尔电势与法线的夹，这时的霍尔电势与法线的夹角的余弦成正比：角的余弦成正比： E EH H=K=KH HIBcosIBcoscdb霍尔元件在环境温度霍尔元件在环境温度T=25T=25时，允许通过霍尔元件的电时，允许通过霍尔元件的电流流I I和电压和电压E E的乘积，分最小、典型、最大三档，单位为的乘积，分最小、典型、最大三档，单位为

8、mWmW。当供给霍尔元件的电压确定后，根据额定功耗可以。当供给霍尔元件的电压确定后，根据额定功耗可以知道额定控制电流知道额定控制电流I I，因此有些产品提供控制电流，则不，因此有些产品提供控制电流，则不给出额定功耗给出额定功耗P P0 0。霍尔元件两控制电流端的直流电阻称为输入电阻霍尔元件两控制电流端的直流电阻称为输入电阻R Ri i 。它的。它的数值从几十欧到几百欧，视不同型号的元件而定。温度升数值从几十欧到几百欧，视不同型号的元件而定。温度升高，输入电阻变小，从而使输入控制电流高，输入电阻变小，从而使输入控制电流I I变大，最终引变大，最终引起霍尔电动势变大。起霍尔电动势变大。为了减小这种

9、影响，最好采用恒流源为了减小这种影响，最好采用恒流源作为激励源。作为激励源。两个霍尔电势输出端之间的电阻称为输出电阻两个霍尔电势输出端之间的电阻称为输出电阻R R0 0，它的数，它的数值与输入电阻为同一数量级。它也随温度改变而改变。选值与输入电阻为同一数量级。它也随温度改变而改变。选择适当的负载电阻择适当的负载电阻R RL L与之匹配，可以使由温度引起的霍尔与之匹配，可以使由温度引起的霍尔电动势的漂移减至最小。电动势的漂移减至最小。在额定控制电流下，当外加磁场为零时，霍尔元件输出端在额定控制电流下，当外加磁场为零时，霍尔元件输出端之间的开路电压称为不等位电动势之间的开路电压称为不等位电动势U

10、U0 0，它是由于四个电极，它是由于四个电极的几何尺寸不对称引起的，使用时多采用电桥法来补偿不的几何尺寸不对称引起的，使用时多采用电桥法来补偿不等位电动势引起的误差。等位电动势引起的误差。霍尔元件在单位磁感应强度和单位控制电流作用下的空载霍尔元件在单位磁感应强度和单位控制电流作用下的空载霍尔电势值，称为霍尔元件的灵敏度霍尔电势值，称为霍尔元件的灵敏度K KH H。在一定磁场强度和控制电流的作用下，温度每变化在一定磁场强度和控制电流的作用下，温度每变化11时时霍尔电动势变化的百分数称为霍尔电动势温度系数，它与霍尔电动势变化的百分数称为霍尔电动势温度系数，它与霍尔元件的材料有关，一般约为霍尔元件的

11、材料有关，一般约为0.1%0.1%，在要求较高在要求较高的场合下，应选择低温漂的霍尔元件。的场合下，应选择低温漂的霍尔元件。由于霍尔电势随控制电流增大而增大，故在应用中总希望由于霍尔电势随控制电流增大而增大，故在应用中总希望选用较大的控制电流。但控制电流增大，霍尔元件的功耗选用较大的控制电流。但控制电流增大，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，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均规定了相应的最大控制电流因此每种型号的元件均规定了相应的最大控制电流I Imm，它，它的数值从几毫安至几十毫安。的数值从几毫安至几十毫安。为了得到较大的霍尔

12、电压输出，可以把几个霍尔元件输出串为了得到较大的霍尔电压输出，可以把几个霍尔元件输出串联起来，但是控制电流必须并联，联起来，但是控制电流必须并联，如图如图3 3（a a）所示，不能接）所示，不能接成图成图3 3（b b）那样）那样，因为控制电流串联起来将有大部分控制电，因为控制电流串联起来将有大部分控制电流被相连的霍尔电势输出端短接，使霍尔元件不能正常工作。流被相连的霍尔电势输出端短接，使霍尔元件不能正常工作。I（b）错误接法）错误接法R1R2adcb（a）正确接法）正确接法图图3 3 霍尔元件输出叠加连接霍尔元件输出叠加连接当元件的控制电流采用交流时，还可采用当元件的控制电流采用交流时，还可

13、采用图图4 4的方式增加霍的方式增加霍尔输出电势和输出功率，此时霍尔元件的控制电流端串联，尔输出电势和输出功率，此时霍尔元件的控制电流端串联，而各元件的输出分别接至输出变压器的各初级，变压器的次而各元件的输出分别接至输出变压器的各初级，变压器的次级获得霍尔输出信号的叠加。若输出信号小，则可用差分放级获得霍尔输出信号的叠加。若输出信号小，则可用差分放大器放大，如大器放大，如图图5 5所示。所示。I图图5 5 霍尔元件输出的放大电路示意图霍尔元件输出的放大电路示意图图图4 4 交流时霍尔元件输出的叠加交流时霍尔元件输出的叠加霍尔元件的基本测量电路霍尔元件的基本测量电路如图如图6 6所示。所示。图图

14、6 6 霍尔元件的基本测量电路霍尔元件的基本测量电路霍尔元件是一种四端器件，本身不带放大器，且霍尔电势一般在霍尔元件是一种四端器件，本身不带放大器，且霍尔电势一般在毫伏量级。因此，在实际使用时必须加差分放大器。霍尔元件大毫伏量级。因此，在实际使用时必须加差分放大器。霍尔元件大体分为线性测量和开关状态两种使用方式，因此，输出电路有体分为线性测量和开关状态两种使用方式，因此，输出电路有如如图图7 7所示两种结构。所示两种结构。 当霍尔元件作线性测量时，最好选用灵敏度低一点、不等位电势小、稳定性和线性度优良的霍尔元件。当霍尔元件作开关使用时，要选择灵敏度高的霍尔元件。图图7 7 霍尔元件的输出电路霍

15、尔元件的输出电路霍尔集成元件是将霍尔元件和放大器等集成在一块芯片上，可分霍尔集成元件是将霍尔元件和放大器等集成在一块芯片上，可分为线性和开关型两大类，有三端为线性和开关型两大类，有三端T T形单端输出和八脚双列直插型双形单端输出和八脚双列直插型双端输出两种结构。端输出两种结构。霍尔集成线性元件将霍尔元件霍尔集成线性元件将霍尔元件和恒流源、线性放大器等集成和恒流源、线性放大器等集成在一个芯片上。例如在一个芯片上。例如UGN3501UGN3501，如图如图8 8所示。所示。 开关型霍尔集成元件是将霍尔元开关型霍尔集成元件是将霍尔元件、稳压电路、放大器、施密特件、稳压电路、放大器、施密特触发器、触发

16、器、OCOC门等电路集成在同一门等电路集成在同一个芯片上。例如个芯片上。例如UGN3020UGN3020，如图如图9 9所示。所示。 图图8 8 线性型霍尔集成电路线性型霍尔集成电路 图图9 9 开关型霍尔集成电路开关型霍尔集成电路零位误差是霍尔元件在不加控制电流或不加外磁场时，而出现零位误差是霍尔元件在不加控制电流或不加外磁场时，而出现的霍尔电势称为零位误差。由制造霍尔元件的工艺问题造成的的霍尔电势称为零位误差。由制造霍尔元件的工艺问题造成的不等位电势是主要的零位误差，因为在工艺上难以保证霍尔元不等位电势是主要的零位误差，因为在工艺上难以保证霍尔元件两侧的电极焊接在同一等电位面上，件两侧的电

17、极焊接在同一等电位面上，如图如图1010所示，当控制电所示，当控制电流流I I流过时，即使未加外磁场，流过时，即使未加外磁场，A A、B B两电极此时仍存在电位差，两电极此时仍存在电位差，此电位差被称为不等位电势此电位差被称为不等位电势U U0 0。图图10 10 霍尔元件的不等位电势和等效电路霍尔元件的不等位电势和等效电路为了减小或消除不等位电势，可以采用电桥平衡原理补偿。为了减小或消除不等位电势，可以采用电桥平衡原理补偿。几种补偿线路几种补偿线路如图如图11 11所示。图（所示。图（a a）、（）、（b b）为常见的补偿）为常见的补偿电路，图（电路，图（b b）、（）、（c c）相当于在等

18、效电桥的两个桥臂上同）相当于在等效电桥的两个桥臂上同时并联电阻，图（时并联电阻，图（d d）用于交流供电的情况。）用于交流供电的情况。 图图11 11 不等位电势补偿电路原理图不等位电势补偿电路原理图由于半导体材料的电阻率、迁移率和载流子浓度等都随温由于半导体材料的电阻率、迁移率和载流子浓度等都随温度变化而变化，因此，会导致霍尔元件的内阻、霍尔电势度变化而变化，因此，会导致霍尔元件的内阻、霍尔电势也随温度变化而变化。这种变化程度随不同半导体材料有也随温度变化而变化。这种变化程度随不同半导体材料有所不同，而且温度升高到一定程度，产生的变化相当大。所不同，而且温度升高到一定程度，产生的变化相当大。

19、温度误差是霍尔元件测量中不可忽视的误差。温度误差是霍尔元件测量中不可忽视的误差。针对温度变针对温度变化导致内阻（输入、输出电阻）的变化，可以采用对输入化导致内阻（输入、输出电阻）的变化，可以采用对输入或输出电路的电阻进行补偿。或输出电路的电阻进行补偿。恒流源补偿法恒流源补偿法选择合理的负载电阻进行补偿选择合理的负载电阻进行补偿霍尔霍尔元件输入元件输入回路串联回路串联电阻或并联电阻或并联电阻电阻热敏电阻补偿法热敏电阻补偿法在没有磁场时，元件通以交流电，它的输出除了交流不等在没有磁场时，元件通以交流电，它的输出除了交流不等位电势外，还存在一直流电压分量，此电压称为寄生直流位电势外，还存在一直流电压

20、分量，此电压称为寄生直流电压。电压。 寄生直流电压的产生原因有以下几个方面：寄生直流电压的产生原因有以下几个方面：（1 1）由于控制电流极及电压极的接触不佳造成整流效应）由于控制电流极及电压极的接触不佳造成整流效应所致。所致。（2 2）由于霍尔电极的焊点大小不一致，其热容量不一致）由于霍尔电极的焊点大小不一致，其热容量不一致产生温差，造成直流附加电压。产生温差，造成直流附加电压。元件制作安装时，应尽可能改善电极的欧姆接触性能和元元件制作安装时，应尽可能改善电极的欧姆接触性能和元件的散热条件下，并做到件的散热条件下，并做到散热均匀，这是减小寄生直流电散热均匀，这是减小寄生直流电压的有效措施。压的

21、有效措施。表表1 1 部分霍尔传感器的型号与用途部分霍尔传感器的型号与用途霍尔式传感器的应用主要分为三个方面：霍尔式传感器的应用主要分为三个方面：当输入电流恒定不变时，传感器的输出正比于磁感当输入电流恒定不变时，传感器的输出正比于磁感应强度应强度B B，因此，凡是能转换为磁感应强度，因此，凡是能转换为磁感应强度B B变化的物变化的物理量均可以进行测量，如位移、角度、转速和加速度理量均可以进行测量，如位移、角度、转速和加速度等。等。当磁感应强度当磁感应强度B B保持恒定时，传感器的输出正比于控保持恒定时，传感器的输出正比于控制电流制电流I I的变化，因此，凡能转换为电流变化的物理量的变化，因此，

22、凡能转换为电流变化的物理量均可进行测量和控制。均可进行测量和控制。由于霍尔电压正比于控制电流由于霍尔电压正比于控制电流I I和磁感应强度和磁感应强度B B，所，所以凡是可以转换为乘法的物理量（如功率）都可以进以凡是可以转换为乘法的物理量（如功率）都可以进行测量。行测量。 下面介绍几种常见的霍尔传感器的应用实例下面介绍几种常见的霍尔传感器的应用实例。 霍尔位移传感器可制成霍尔位移传感器可制成如图如图1212所示，在极性相反、磁场强所示，在极性相反、磁场强度相同的两个磁钢的气隙间放置一个霍尔元件。度相同的两个磁钢的气隙间放置一个霍尔元件。 当控制电流当控制电流I I恒定不变恒定不变时，霍尔电势时，

23、霍尔电势U UH H与外与外磁感应强度成正比；磁感应强度成正比；若磁场在一定范围内若磁场在一定范围内沿沿x x方向的变化方向的变化梯度梯度 为一常数，为一常数，则当霍尔元件沿则当霍尔元件沿x x方方向移动时，输出的霍向移动时，输出的霍尔电势为尔电势为式中，式中，K K位移传感器的输出灵敏度。位移传感器的输出灵敏度。dxdB利用这一原理可以测量与位移有关的非电量，如力、压力、加利用这一原理可以测量与位移有关的非电量，如力、压力、加速度、液位和压差等。速度、液位和压差等。图图12 12 霍尔位移传感器原理图霍尔位移传感器原理图汽车霍尔点火器汽车霍尔点火器如图如图1313所示，将霍尔元件固定在汽车分

24、电器所示，将霍尔元件固定在汽车分电器的白金座上，在分火点上装一个隔磁罩，罩的竖边根据汽车的白金座上，在分火点上装一个隔磁罩，罩的竖边根据汽车发动机的缸数，开出等间距的缺口，当缺口对准霍尔元件时，发动机的缸数，开出等间距的缺口，当缺口对准霍尔元件时，磁通通过霍尔元件而组成闭合回路，所以电路导通，此时，磁通通过霍尔元件而组成闭合回路，所以电路导通，此时，霍尔电路输出低电平；当罩边突出部分挡在霍尔元件和磁体霍尔电路输出低电平；当罩边突出部分挡在霍尔元件和磁体之间时，电路截止，霍尔电路输出高电平，此时点火线圈的之间时，电路截止，霍尔电路输出高电平，此时点火线圈的次级线圈以高压放电形式输出，即放电点火。

25、次级线圈以高压放电形式输出，即放电点火。图图13 13 霍尔电子点火器原理图霍尔电子点火器原理图图图14 14 霍尔电子霍尔电子点火器电路点火器电路图图霍尔开关传感器霍尔开关传感器SL3501 SL3501 是具有较高灵敏度的集成霍是具有较高灵敏度的集成霍尔元件，能感受到很小的磁场变化，因而可对黑色尔元件，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。金属零件进行计数检测。图图1515所示的是对钢球进行所示的是对钢球进行计数的工作示意图。当钢球通过霍尔开关传感器时，计数的工作示意图。当钢球通过霍尔开关传感器时，传感器可输出峰值传感器可输出峰值20mV 20mV 的脉冲电压，该电压经

26、运的脉冲电压，该电压经运算放大器放大后，可接计数器进行计数，并由显示算放大器放大后，可接计数器进行计数，并由显示器显示检测数值。器显示检测数值。图图15 15 霍尔计数装置工作示意图霍尔计数装置工作示意图传统的直流电动机使用换向器来改变转子（或定子）的电传统的直流电动机使用换向器来改变转子（或定子）的电枢电流的方向，以维持电动机的持续运转。霍尔式无刷电枢电流的方向，以维持电动机的持续运转。霍尔式无刷电动机取消了换向器和电刷，而采用霍尔元件来检测转子和动机取消了换向器和电刷，而采用霍尔元件来检测转子和定子之间的相对位置，其输出信号经放大、整形后触发电定子之间的相对位置，其输出信号经放大、整形后触

27、发电子线路，从而控制电枢电流的换向，维持电动机的正常运子线路，从而控制电枢电流的换向，维持电动机的正常运转。霍尔式无刷电动机的结构转。霍尔式无刷电动机的结构如图如图1616所示。所示。图图16 16 霍尔无刷电动机结构示意图霍尔无刷电动机结构示意图键盘是计算机系统中一个非常重要的外围设备。早期的电键盘是计算机系统中一个非常重要的外围设备。早期的电键与键盘都是采用机械接触式，在使用过程中容易发生抖键与键盘都是采用机械接触式，在使用过程中容易发生抖动噪声，系统可靠性受到影响。动噪声，系统可靠性受到影响。目前广泛采用的是目前广泛采用的是无触点键盘开关无触点键盘开关，其构造是：每个键上，其构造是：每个键上都有两小块永久磁铁，键按下时，磁铁的磁场加在键下方都有两小块永久磁铁，键按下时，磁铁的磁场加在键下方的开关型集成霍尔传感器上，输出开关信号。因为开关型的开关型集成霍尔传感器上，输出开关信号。因为开关型集成霍尔传感器具有滞后效应，故工作十分稳定可靠。无集成霍尔传感器具有滞后效应，故工作十分稳定可靠。无触点键盘开关功耗低，动作过程中传感器是无接触形式，触点键盘开关功耗低，动作过程中传感器是无接触形式，因此使用寿命非常长。因此使用寿命非常长。 图图1717所示所示的是几种不同结构的霍尔转速计。转盘的输入轴与的是几种不同结构的霍尔转速计。转盘的输入轴与被测转轴相连，并且让转盘上的