霍尔式传感器

5.5霍尔传感器

霍尔传感器是利用半导体材料的霍尔效应进行测量的一种传感器。它可以直接测量磁场及微位移量，也可以间接测量液位、压力、转速等工业生产过程参数。目前霍尔传感器已从分立元件开展到了集成电路的阶段，正越来越受到人们的重视，应用日益广泛。1.霍尔效应

霍尔效应：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，这种现象称为霍尔效应。霍尔效应的实质霍尔效应是电磁学一种重要的电磁感应现象.产生霍尔效应的微观原因是洛仑兹力的作用，载流子在磁场中作定向运动，将受到洛仑兹力的作用，分布产生一定的偏离，其结果在宏观上感应出电动势。

如下图，在均匀强磁场B中放一导电板，设导电板与B的方向垂直，板的宽度为b，厚度为d，在导电板中沿着与磁场B垂直的方向通以电流I．设载流子的定向速度为v，那么可认为载流子线流元在磁场中运动，切割了磁感线，在线流元内将产生感应电动势．

磁场力

Q----电子的电荷量〔1.602X10-19C〕V----半导体的电子运动速度B----外磁场的磁感应强度电场力

为静电场的电场强度磁场力

平衡时，

所以

材料中电子在电场作用下运动速度的大小常用载流子迁移率来表征；载流子迁移率，是指在单位电场强度作用下，载流子的平均速度值。载流子迁移率用符号μ表示，μ=v/EI。其中EI是A、B两端面之间的电场强度。它是由外加电压U产生的，即EI＝U/L。因此我们可以把电子运动速度表示为v=μU/l。霍尔电势

控制电流

——N型半导体载流子浓度所以

霍尔灵敏度

对N型半导体：对P型半导体：它的单位是mV/(mA·T)霍尔元件灵敏度KH是在单位磁感应强度和单位鼓励电流作用下，霍尔元件输出的霍尔电压值，它不仅决定于载流体材料，而且取决于它的几何尺寸通过以上分析，可以看出:1)霍尔电压UH与材料的性质有关。根据式，材料的ρ、μ大，RH就大。金属的μ虽然很大，但ρ很小，故不宜做成元件。在半导体材料中，由于电子的迁移率比空穴的大，且μn>μp，所以霍尔元件一般采用N型半导体材料。载流体的电阻率-----ρ载流子迁移率--------μ2)霍尔电压UH与元件的尺寸有关。根据式，d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d太小，会使元件的输入、输出电阻增加。

从式中可见，元件的长度比l/b对UH也有影响。由于控制电极对内部产生的霍尔电压有局部短路作用，在两控制电极的中间处测得的霍尔电压最大，离控制电极很近的地方，霍尔电压下降到接近于零。为了减少短路影响l/b要大一些，一般l/b=2。但如果l/b过大，反而使输入功耗增加降低元件的输出。霍尔电压UH与控制电流及磁场强度有关。当控制电流恒定时B愈大UH愈大。当磁场改变方向时，UH也改变方向。同样，当霍尔灵敏度及磁感应强度恒定时，增加控制电流，也可以提高霍尔电压的输出。

霍尔电势表达式

2.霍尔传感器的组成与根本特性一.霍尔元件1〕、材料——多用N型半导体2〕、结构和符号霍尔片——半导体薄片〔因为d小，KH大，l/b=2时KH最大〕引线——鼓励电极〔短边端面〕引线11′、霍尔电极〔长边端面〕引线22′。封装外壳——陶瓷或环氧树脂目前最常用的霍尔元件材料是锗〔Ge〕、硅〔Si〕、锑化铟〔InSb〕、砷化铟〔InAs〕等半导体材料。其中N型锗容易加工制造，其霍尔系数、温度性能和线性度都较好。N型硅的线性度最好，其霍尔系数、温度性能同N型锗，但其电子迁移率比较低，带负载能力较差，通常不用作单个霍尔元件。二、电路局部1、根本电路2、霍尔元件的输出电路线性应用图5-5-4a)开关应用图5-5-4b)它由霍尔元件、差分放大器组成。其输出电压和加在霍尔元件上的磁感强度B成比例，这类电路有很高的灵敏度和优良的线性度，适用于各种磁场检测。霍尔线性电路的性能参数见下表。

霍尔线性电路霍尔开关电路又称霍尔数字电路，由稳压器、霍尔片、差分放大器，斯密特触发器和输出级组成。在外磁场的作用下，当磁感应强度超过导通阈值BOP时，霍尔电路输出管导通，输出低电平。之后，B再增加，仍保持导通态。假设外加磁场的B值降低到BRP时，输出管截止，输出高电平。我们称BOP为工作点，BRP为释放点，BOP－BRP=BH称为回差。回差的存在使开关电路的抗干扰能力增强。图4(a)表示集电极开路(OC)输出，(b)表示双输出。它们的输出特性见图5，图5(a)表示普通霍尔开关，(b)表示锁定型霍尔开关的输出特性霍尔开关电路(a)单OC输出(b)双OC输出(a)开关型输出特性(b)锁定型输出特性

锁定型霍尔开关电路的特点是：当外加场B正向增加，到达BOP时，电路导通，之后无论B增加或减小，甚至将B除去，电路都保持导通态，只有到达负向的BRP时，才改变为截止状态，因而称为锁定型。输出叠加连接方式直流供电交流供电三.磁路局部图5-5-6――产生梯度磁场图5－5－6霍尔式位移传感器原理示意图霍尔片沿x方向移动时，假设控制电流I保持不变，那么霍尔电势为：四、根本特性1、霍尔传感器的灵敏度和线性度主要取决于磁路系统和霍尔元件的特性。2、提高磁场的磁感应强度B和增大鼓励电流I，也可获得较大的霍尔电势。但I的增大受到元件发热的限制。3、霍尔传感器动态性能好。3霍尔传感器的应用

一、利用与I的关系可用于直接测量电流和能转换为电流的其它物理量二、利用与B的关系可用于测量磁场及可转换为磁场的其它物理量

实例――霍尔式钳形电流表图５-５-７KB为电磁转换灵敏度K为电流表灵敏度图５-５-７灵敏度改变方法1．改变控制电流I2．增加环形铁心上的周数——改变KB因为所以

〔增加周数可使灵敏度增加n倍〕三、利用与IB的关系可进行乘法运算或功率测量霍尔功率变换器图5-5-8式中：为负载电流电压的有效值滤去二次频交流分量后，4测量误差及补偿方法一．不等位电压及其补偿①不等位电压U0——B=0时的空载霍尔电势②产生原因：1°两个霍尔电极不在同一等位面上2°霍尔元件电阻率不均匀3°霍尔元件厚度不均匀因为不成立，所以③补偿方法图5-5-10其中〔c〕方案最好二．温度误差及其补偿温度误差产生原因:霍尔灵敏度KH、霍尔元件内阻r随温度变化，故UH随温度改变。霍尔元件由半导体材料制成，一般半导体材料的电阻率、迁移率和载流子浓度等都随温度而变化。因此它的性能参数如输入和输出电阻、霍尔常数等也随温度而变化，致使霍尔电势变化，产生温度误差。为了减小温度误差，除选用温度系数较小的材料如砷化铟外，还可以采用适当的补偿电路。〔1〕采用恒流源供电和输入回路并联电阻图5-5-11恒流源温度补偿电路元件的灵敏度系数kH是温度的函数，因此采用恒流源后仍有温度误差。为了进一步提高UH的温度稳定性，对于具有正温度系数的霍尔元件，可在其输入回路中并联一电阻R。设：其中α为霍尔元件灵敏度温度系数；β为元件的电阻温度系数。

一般α＜＜β，故有〔2〕采用恒压源和输入回路串联电阻当霍尔元件采用稳压电源供电，且霍尔输出开路状态下工作时，可在输入回路中串入适当的电阻来补偿温度误差。其分析过程与结果同式〔3〕合理选取负载电阻RL的阻值霍尔元件的输出电阻Ro和霍尔电势UH都是温度的函数〔设为正温度系数〕，当霍尔元件接有负载RL〔如放大器的输入电阻〕时，在RL上的电压为为使UL不随温度变化，应使UL对的导数为0，令求解上式可得(4)采用温度补偿元件

1°补偿负温度系数霍尔输出，即

图〔a〕，补偿了图〔b〕图〔c〕，补偿了

2°补偿正温度系数霍尔输出，即图〔d〕

补偿了霍尔元件因通入控制电流I而有温升，且I变动，温升改变，都会影响元件的内阻和霍尔输出。为使温升不超过所需值，必须对霍尔元件的额定控制电流加以限制，尤其在安装元件时要尽量做到散热情况良好，只要有可能应选用面积大些的元件，以降低其温升。假设将硅霍尔元件与放大电路、温度补偿电路等集成在一起制成集成霍尔传感器，那么具有性能优良、使用方便、体积小、本钱低、输出功率大和输出电压高等优点，是应用最为广泛的集成传感器之一。汽车上的霍尔器件在现实生活中霍尔效应有很多的应用，与我们日常生活关系越来越密切的汽车上就应用了很多霍尔器件霍尔器件是根据霍尔效应做成的，就是以磁场为工作媒体，将物体的运动参量转变为数字电压的形式输出，使之具备传感和开关的功能。汽车上广泛应用的霍尔器件有：ABS系统中的速度传感器汽车速度表和里程表液体物理量检测器各种用电负载的电流检测及工作状态诊断发动机转速及曲轴角度传感器各种开关等等“ABS〞中文译为“防锁死刹车系统〞.它是一种具有防滑、防锁死等优点的汽车平安控制系统。ABS是常规刹车装置根底上的改进型技术，可分机械式和电子式两种。

现代汽车上大量安装防抱死制动系统，ABS既有普通制动系统的制动功能，又能防止车轮锁死，使汽车在制动状态下仍能转向，保证汽车的制动方向稳定性，防止产生侧滑和跑偏，是目前汽车上最先进、制动效果最正确的制动装置。用于ABS系统的速度传感器主要有电磁式和霍尔式两种

转速传感器的功用是检测车轮的速度，并将速度信号输入ABS的电控单元。以下图所示为转速传感器在车轮上的安装位置。〔1〕电磁式转速传感器结构

它由永磁体2、极轴5和感应线圈4等组成,极轴头部结构有凿式和柱式两种。齿圈6旋转时，齿顶和齿隙交替对向极轴。在齿圈旋转过程中，感应线圈内部的磁通量交替变化从而产生感应电动势，此信号通过感应线圈末端的电缆1输入ABS的电控单元。当齿圈的转速发生变化时，感应电动势的频率也变化。ABS电控单元通过检测感应电动势的频率来检测车轮转速。

电磁式轮速传感器结构简单、本钱低，但存在下述缺点：一是其输出信号的幅值随转速的变化而变化。假设车速过慢，其输出信号低于1V，电控单元就无法检测；二是响应频率不高。当转速过高时，传感器的频率响应跟不上；三是抗电磁波干扰能力差。目前，国内外ABS系统的控制速度范围一般为15～160km/h，今后要求控制速度范围扩大到8～260km/h以至更大，显然电磁感应式轮速传感器很难适应。

〔2〕霍尔轮速传感器霍尔轮速传感器也是由传感头和齿圈组成。传感头由永磁体，霍尔元件和电子电路等组成，永磁体的磁力线穿过霍尔元件通向齿轮，如以下图所示。

当齿轮位于图中(a)所示位置时，穿过霍尔元件的磁力线分散，磁场相对较弱；而当齿轮位于图中(b)所示位置时，穿过