《电气测试技术第5版》 课件 3.15 霍尔式传感器

02December20243.15霍尔式传感器3.15.1

霍尔式传感器工作原理3.15.2霍尔元件的特性及其补偿3.15.3霍尔集成电路3.15.4霍尔传感器的应用及实例02December20243.15.1霍尔式传感器工作原理霍尔式传感器是基于某些半导体材料的霍尔效应原理制成的。半导体薄片的两端通以电流，而在垂直方向施加磁感应强度，在半导体的两侧会产生电动势，这一现象称为霍尔效应，见图3-145a。产生的电动势称为霍尔电动势；半导体薄片称为霍尔元件。图3-145霍尔效应及基本电路02December2024设霍尔元件为N型半导体材料制成，电子为多数载流子，施加电流后，多数载流子沿着相反的方向运动，电子在磁场中受到洛仑兹力的作用，即：式中，为电子电量；为电子的速度。在的作用下，电子向一侧偏转，见图3-145a的虚线所示。因此，在半导体薄片的一侧有电子积累而带负电荷，而另一侧因缺少电子而带正电荷，于是在半导体薄片两侧建立静电场。作用于运动电子的电场力为：式中，为霍尔元件的宽度。02December2024电场力阻止电子继续偏转。当时，达到动态平衡，由式（3-153）和（3-154）得：

（3-155）半导体的电流密度可用其电子浓度

来表示，即：因此，电流为：由上式求得为：

（3-156）将上式代入式（3-155），得：

（3-157）为霍尔元件的厚度；为霍尔元件的灵敏度，，其量纲为[mV/（mA·T）]。02December2024霍尔元件的灵敏度是极为重要的参数。表示霍尔元件在单位电流、单位磁感应强度作用下，元件输出霍尔电势的大小。一般要求愈大愈好。半导体的电子浓度适中，而且可通过掺杂来控制电子浓度，因此，毫不例外地应采用半导体作为霍尔元件的材料。此外，愈小，愈大，但是不能做得太薄，否则增加霍尔元件的输入和输出电阻。式（3-157）是在磁感应强度

与元件平面垂直条件下导出的。若与元件平面法线成一角度，则作用于元件的有效磁感应强度为，因此，式（3-157）变为：霍尔元件的基本连接电路见图3-145b。图中，RP调节元件的电流；为霍尔元件的负载电阻，通常为放大器或测量电路的输入阻抗。02December20243.15.2霍尔元件的特性及其补偿霍尔元件的特性：特性

磁感应强度

为常数，在一定温度下，电流

与

之间的关系称为元件的

特性，见图3-146a。特性

电流

固定，霍尔元件开路输出

与磁感应强度

的关系称为元件的

特性，见图3-146b。特性

霍尔元件的输入电阻或输出电阻与磁感应强度

的关系称为元件的

特性，见图3-146c。图3-146霍尔元件的特性02December2024霍尔元件特性补偿如前所述，霍尔元件用半导体材料制成。由于半导体的特性受环境温度的影响较严重，故必须对霍尔元件的特性进行补偿。温度补偿图3-147霍尔元件的特性补偿a）恒流源b）热敏电阻补偿电流c）热敏电阻补偿

02December2024不等位电动势的补偿作用于霍尔元件的磁感应强度

，控制电流

，

，而

，

称为不等位电动势。产生不等位电动势的原因有两种：其一为元件的电流极或电势极不焊接在等位面上；其二为元件的电阻率不均匀。图3-148不等位电动势及其补偿a）不等位电动势的产生

b）补偿电路02December20243.15.3霍尔集成电路随着微电子技术的发展，目前霍尔元件与测量电路已集成化，二者融为一体。霍尔集成块有线性集成块和开关集成块两种。线性集成块又有内部有线性化补偿和内部无线性化补偿两种。开关型集成电路

开关型霍尔集成电路内部组成框图见图3-149a。线性集成电路

线性霍尔集成电路的组成框图见图3-149b。霍尔集成电路的外形见图3-149c。使用时磁敏感面应正对磁感应强度。图3-149霍尔集成电路框图及其外形a）开关型集成电路框图

b）线性集成电路框图

c）外形图02December20243.15.4霍尔传感器的应用及实例图3-150无触点照明控制器原理电路无触点照明控制器

该控制器电路原理见图3-150。采用永久磁钢开关和开关型集成霍尔传感器UGN3040L。GTJ3-1A为具有高低压隔离的光电固体继电器。02December2024交直流钳形数字电流表

仪表原理见图3-151。在环形钳口式磁集束器的空气隙中放置一块线性霍尔集成片。磁集束器的作用是将载流导线与磁集束器相互作用产生的磁场集中到霍