霍尔效应传感器基本组成及原理

1、霍尔效应传感器基本组成及原理第1页，共18页，2022年，5月20日，1点59分，星期四霍尔效应传感器基本组成及原理 霍尔效应传感器是基于霍尔效应：当一块导电的平面与磁力线垂直地放置在磁场中，将在平面上产生一个与电流方向和磁场方向都垂直的电场。如图1，当电流流过一个半导体平面（霍尔单元），与电流平行的两个端面引出两条导线作为输出信号端，此时，没有磁场施加在半导体平面，输出端的电压为零。 深圳市铭之光电子技术有限公司 传感器专家网 第2页，共18页，2022年，5月20日，1点59分，星期四第3页，共18页，2022年，5月20日，1点59分，星期四 如果与半导体平面垂直的方向加一个磁场，如图2

2、，此时，有劳伦茨力施加在电流上，使电流分布变形，同时在输出端形成了电位差。这个电位差就称为霍尔电压，它的大小与流过的电流I及穿过的磁场强度成正比。 深圳市铭之光电子技术有限公司 传感器专家网第4页，共18页，2022年，5月20日，1点59分，星期四第5页，共18页，2022年，5月20日，1点59分，星期四 霍尔电压与电流I和磁场强度B的乘积成正比，对于最常用的硅半导体材料，此比例系数是7uV/Vs/Gauss，其中,Vs是生成电流I的电压。从此系数可以看出，生成的霍尔电压是非常小的，实际应用中，需要放大器对此信号进行放大。硅半导体材料也有压电效应，当有机械变形时，会引起其电阻值的变化，这样

3、，当有应力引起硅变形时，必将影响霍尔传感器的效果，实际应用中，通常使用多个霍尔单元，来减小机械变形的影响，如使用两个或四个霍尔单元，第6页，共18页，2022年，5月20日，1点59分，星期四霍尔单元只是个基本的磁传感器，对多数应用来说，还需要信号调理电路，将信号放大，同时增加温度补偿，使输出信号可以被其他电路或系统使用。同时如果供电电源没有稳压，还需要相应的电源调整电路。 第7页，共18页，2022年，5月20日，1点59分，星期四第8页，共18页，2022年，5月20日，1点59分，星期四如图3，这是一个基本的霍尔传感器，因为霍尔电压是与磁场强度成比例，而磁场是有方向的，当磁场方向变化时，

4、其生成的霍尔电压的极性也发生变化。所以图中用的是双电源的差分放大器，它需要正负两组电源，使设计复杂，为简化设计，通常给差分放大器加上一定的偏置，从而只需要单电源供电。 当磁场为0时,差分放大器输出一定的基准电压，当感应到正向磁场时，放大器输出的电压高于基准电压，当感应到反向磁场时，放大器输出的电压低于基准电压，如图4是一个简单的模拟电压输出的霍尔传感器。 第9页，共18页，2022年，5月20日，1点59分，星期四第10页，共18页，2022年，5月20日，1点59分，星期四 对于模拟电压输出的霍尔传感器，当正向磁场强度越大，输出的电压越高，当输出电压达到电源电压的限制时，输出电压不在随正向磁

5、场强度的增大而增大，此时，电路达到饱和。同样，当反向磁场强度越大时，输出的电压越低，当输出电压达到电源地的限制时，输出电压不再随反向磁场强度的增大而减小。 为了增加传感器接口的灵活性，满足更多应用的要求，在差分放大器的输出端通常会加上射极开路电路、集电极开路电路、或推挽式放大电路等。第11页，共18页，2022年，5月20日，1点59分，星期四数字式输出霍尔传感器 在某些应用中，我们只需要高或低电平，或者只需开或关的状态，这时，可以在传感器的差分放大器输出端加上一级施密特触发电路，如图5所示, 当磁场高于某个值时，霍尔传感器输出为高电平，而当磁场强度下降到另一个值时，霍尔传感器输出变为低电平。

6、第12页，共18页，2022年，5月20日，1点59分，星期四第13页，共18页，2022年，5月20日，1点59分，星期四 霍尔效应传感器因其非接触测量、没有运动部件、使用温度范围宽、响应速度快等特点，应用越来越广泛，如用于感应电流的变化，则是电流传感器，用于感应磁场的变化，则可以做成位置传感器、接近开关、速度传感器、磁传感器等。 第14页，共18页，2022年，5月20日，1点59分，星期四霍尔元件基本结构 由霍尔片、引线和壳体组成, 如图所示。 霍尔片是一块矩形半导体单晶薄片，引出四个引线。1、1两根引线加激励电压或电流，称为激励电极；2、2引线为霍尔输出引线，称为霍尔电极。 霍尔元件壳体由非导磁金属、陶瓷或环氧树脂封装而成。 在电路中霍尔元件可用两种符号表示。第15页，共18页，2022年，5月20日，1点59分，星期四第16页，共18页，2022年，5月20日，1点59分，星期四基本电路RW调节控制电流的大小。RL为负载电阻，可以是放大器的内阻或指示器内阻。霍尔效应建立的时间极短（10-1210-14S），I即可以是直流，也可以是交流。若被测物理量是I、B或者IB乘积的函数