项目4霍尔传感器课件

霍尔传感器 霍尔传感器是基于霍尔效应的一种传感器。1879年美国物理学家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。 由于霍尔传感器具有体积小、、灵敏度高、性能可靠、频率响应宽、动态范围大的特点，并可采用集成电路工艺，因此被广泛用于电磁测量、压力、加速度、振动等方面的测量。

1.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。该电动势称霍尔电势，半导体薄片称霍尔元件。霍尔效应实验山东农业大学物理实验教学中心实验装置霍尔效应测试仪霍尔效应实验仪

由电磁铁（2500GS/A）、霍尔样品及调节架、双刀双掷开关构成。

霍尔样品及调节架

调节架上的水平和垂直刻度

霍尔效应测试仪

上式中比例系数R称为霍尔系数，对同一材料R为一常数。因成品霍尔元件（根据霍尔效应制成的器件）d也是一常数。故R/d常用另一常数K来表示，有K称为霍尔元件的灵敏度，它是一个重要参数，表示该元件在单位磁感应强度和单位电流作用时霍尔电压的大小。如果霍尔元件的灵敏度K知道（一般由实验室给出），测出电流和霍尔电压，就可以根据下式求出磁感应强度B。霍尔效应的解释+++++++

+-------LxBbYd现研究一个长度为L、宽度为d的N型半导体材料制成的霍尔元件。当沿X方向通以电流后，载流子（对N型半导体是电子）e将以平均速度v沿与电流相反的方向运动，在磁感应强度为B的磁场中，电子将受到洛仑兹力的作用，其大小为ezv的方向可以由左手定则决定。在的作用下，电荷将在元件沿y的两端面堆积形成电场它会对载流子产生一静电力，其大小为它的方向与洛仑兹力相反，即它是阻止电荷继续堆积。+++++++

+-------LxBbYZdeV将代入可得可改写为就是霍尔系数

2.霍尔元件结构及测量电路

1)霍尔元件结构 霍尔元件的结构很简单，如图中所示，霍尔元件是由具有霍尔效应的半导体薄片、电极引线及壳体组成。

霍尔片是一块矩形半导体单晶薄片，在两个相互垂直方向侧面上，分别引出一对电极，共四个电极。其中a、b电极用于控制电流，称控制电极，c、d电极用于引出霍尔电势，称为霍尔电势输出极。在霍尔基片外面用非导磁金属、陶瓷或环氧树脂封装作为外壳。1．锗(Ge)输出小，但温度性能和线性度较好；2．硅(Si)线性度最好，但带负载能力较差，通常不作单个霍尔元件；3．砷化铟(InAs)输出较大，受温度影响小，线性度较好，应用较多；4．锑化铟(InSb)输出大，但受温度影响大（尤其是低温）

霍尔元件材料：

2)测量电路

图中控制电流I由电源UE供给，可以是直流电源或交流电源，调节电阻RW是用来调节控制电流I的大小；RL是霍尔输出电压UH的负载电阻，通常是放大电路的输入电阻或表头内阻。霍尔电压UH一般为毫伏数量级，因而实际应用时要后接差动放大器。

3.误差及其补偿

在实际使用中，存在着各种影响霍尔元件精度的因素，即在霍尔电动势中叠加着各种误差电势，这些误差电势产生的主要原因有两类：一类是由于制造工艺的缺陷；另一类是由于半导体本身固有的特性。不等位电势和温度是影响霍尔元件主要误差的两个因素。霍尔元件不等位电势原理图

不等位电势补偿电路,图(a)是在电阻值较大的桥臂上并联电阻，图(b)是在两相邻桥臂上并联电阻，以增加电极等效电桥的对称性。

霍尔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，霍尔元件的载流子浓度、迁移率、电阻率及霍尔系数都将发生化，从而使霍尔元件产生温度误差。

2)温度误差及其补偿温度补偿电路电流I为恒定电流，不受温度影响；电阻rH为霍尔元件等效输入电阻；在霍尔元件的控制电极并联一个合适的补偿电阻rT，rT具有与rH相同的正温度系数，起分流作用。当霍尔元件的输入电阻随温度升高而增加时，rT会自动加强分流，减小了霍尔元件的控制电流IH，从而达到补偿的目的。补偿原理：桥路补偿法的温度补偿电路3）寄生直流电压在无磁场的情况下，元件通入交流电流，输出端除交流不等位电压以外的直流分量称为寄生直流电压。产生寄生直流电压的原因大致上的两个方面：1)由于控制极焊接处欧姆接触不良而造成一种整流效应，使控制电流因正、反向电流大小不等而具有一定的直流分量。2)输出极焊点热容量不相等产生温差电动势。制做和封装霍尔元件时，发送电极欧姆接触性能和元件的散热条件，是减少寄生直流电压的有效措施。

4、集成霍尔传感器集成霍尔传感器是利用硅集成电路工艺将霍尔元件和测量线路集成在一起的一种传感器。它取消了传感器和测量电路之间的界限，实现了材料、元件、电路三位一体。集成霍尔传感器与分立相比，由于减少了焊点，因此显著地提高了可靠性。此外，它具有体积小、重量轻、功耗低等优点，正越来越爱到众的重视。集成霍尔传感器的输出是经过处理的霍尔输出信号。按照输出信号的形式，可以分为开关型集成霍尔传感器和线性集成霍尔传感器两种类型。(1)开关型集成霍尔传感器

开关型集成霍尔传感器是把霍尔元件的输出经过处理后输出一个高电平或低电平的数字信号。其典型电路见图。

集成霍尔传感器的输出电平与磁场B之间的关系见图6-2-7，可以看出，集成霍尔传感器的导通磁感应强度和截止磁感应强度之间存在滞后效应。开关型集成霍尔传感器的这一特性，正是我们所需要的，它大大增强了开关电路的抗干扰能力，保证开关动作稳定，不产生振荡现象。(2)线性集成霍尔传感器线性集成霍尔传感器是把霍尔元件与放大线路集成在一起的传感器。其输出信号与磁感应强度成比例。通常由霍尔元件、差分放大、射极跟随输出及稳压四部分组成，其典型线路见图。图中，霍尔元件的输出经由V1、V2、R1至R5组成的第一级差分放大器放大，放大后的信号再由V3、V6、R6、R7组成的第二级差分放大器放大。第二级放大采用达林顿对管，射极电阻R8外接，适当选取R8的阻值，可以调整该极的工作点，从而改变电路增益。在电源电压为9V，R8取2K时，全电路的增益可达1000倍左右，与分立元件霍尔传感器相比，灵敏度大为提高。

4.霍尔式传感器的应用

I保持恒定，UH∝B

可测量位移、角度、转速及加速度等。

B保持恒定，UH∝IUH∝B、I（乘法器）可测量P(=U×I)等。

1)位移传感器

2)霍尔式汽车点火器

霍尔汽车点火器结构示意图

3)转速计霍尔式压力传感器结钩原理图及磁钢外形

4)压力传感器１、属于四端元件的

。A.应变片B.压电晶片C.霍尔元件D.热敏电阻2、霍尔元件采用恒流源激励是为了

。A.提高灵敏度B.克服温漂C.减小不等位电势3、减小霍尔元件的输出不等位电势的