《传感器技术及应用》课件第6章 霍尔式传感器

第6章霍尔式传感器本章内容

6.1霍尔效应及霍尔元件

6.2应用举例

学习目标

了解霍尔效应、霍尔元件电路符号、基本特性和基本结构。掌握霍尔元件的典型应用。6.1霍尔效应及霍尔元件

6.1.1霍尔效应

霍尔式传感器是利用半导体在磁场中的霍尔效应制成的一种传感器。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。随着半导体技术的发展，开始用半导体材料制成霍尔元件，由于它的霍尔效应显著而得到应用和发展。

金属或半导体薄片在磁场中，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。该电势称为霍尔电势。霍尔效应的原理图如图6-1所示。图中为N型半导体薄片，在半导体左右两端通以电流I（称为控制电流）。当没有外加磁场作用时，半导体中电子沿直线运动。当在半导体正面垂直方向加上磁场B时，电子在洛仑兹力FL的作用下向内侧偏移，这样在半导体内侧方向积聚大量的电子，而外侧则积聚大量的正电荷，上下两个侧面间形成电场，这一电场就是霍尔电场。图3-1变磁阻式传感器1—线圈；2—铁芯（定铁芯）；3—衔铁（动铁芯）该电场强度为

（6-1）式中：UH——电势差。图6-1霍尔效应原理图洛仑兹力FL的大小为

FL=eBv （6-2）

该电场的电场力又阻碍电子的偏移，当电场力FE与洛仑兹力相等时，即

eEH=eBv（6-3）则EH=Bv（6-4）

此时电荷不在向两侧面积累，达到平衡状态。若金属导电板单位体积内电子数为n，电子定向运动平均速度为v，则激励电流I=nevbd，则（6-5）

将式（6-5）代入式（6-4），得

（6-6）将式（6-6）代入式（6-1），得

（6-7）式中：令RH=1/ne，称之为霍尔常数，其大小取决于导体载流子密度。则

（6-8）式中：KH=RH/d称为霍尔片的灵敏度。从上面的公式可以看出，霍尔电势正比于电流强度和磁场强度，且与霍尔元件的形状有关。在电流强度恒定，元件形状确定的情况下，霍尔电势正比于磁场强度。当所加磁场方向改变时，霍尔电势的符号也随着改变，因此，利用霍尔元件可以测量磁场的大小和方向。

6.1.2霍尔元件的基本结构

霍尔元件是根据霍尔效应原理制成的磁电转换元件，常用锗、硅、砷化镓、砷化铟及锑化铟等半导体材料制成。用锑化铟制成的霍尔元件灵敏度最高，但受温度的影响较大。用锗制成的霍尔元件虽然灵敏度低，但它的温度特性及线性度好。目前使用锑化铟霍尔元件的场合较多。如图6-2（a）所示是霍尔元件的外形结构图，它由霍尔片、四根引线和壳体组成，激励电极通常用红色线，而霍尔电极通常用绿色或黄色线表示。

（a）（b）图6-2霍尔元件（a）外形示意图；（b）图形符号

1、1′—激励电极；2、2′—霍尔电极

6.1.3霍尔元件的基本特性1、输入电阻和输出电阻

霍尔元件激励电极之间电阻为输入电阻，霍尔电极输出电势对于电路外部来说相当于一个电压源，其电源内阻即为输出电阻。当压力进入膜盒时，膜盒的顶端在压力P的作用下产生与压力P大小成正比的位移。于是衔铁也发生移动，从而使气隙发生变化，流过线圈的电流也发生相应的变化，电流表指示值就反映了被测压力的大小。

2、额定激励电流当霍尔元件自身温升10℃时所流过的激励电流称为额定激励电流。3、不等位电势U0和不等位电阻r0

霍尔元件在额定激励电流作用下，若元件不加外磁场，输出的霍尔电势的理想值应为零，但实际不等于零，此时的空载霍尔电势称为不等位电势。原因有以下几方面。（1）存在电极的安装位置不对称；（2）半导体材料电阻率不均衡或几何尺寸不均匀；（3）激励电极接触不良造成激励电流不均匀分布等。不等位电势也可以用不等位电阻ro表示，其值为不等位电势与激励电流I的比值，如图6-3所示。

图6-3不等位电阻4、寄生直流电势（霍尔元件零位误差的一部分）当没有外加磁场，霍尔元件用交流控制电流，霍尔电极的输出有一个直流电势，称为寄生直流电势。其产生的原因有：（1）控制电极和霍尔电极与基片的连接是非完全欧姆接触时，会产生整流效应。（2）两个霍尔电极焊点的不一致，引起两电极温度不同产生温差电势。

5、霍尔电势的温度系数α

在一定的磁感应强度和控制电流下，温度每变化1℃时，霍尔电势的相对变化率称为霍尔电势温度系数，用α表示。α有正负之分，α为负值表示器件的UH随温度升高而下降。α越小越好。6、霍尔灵敏度KH由式6-9可知，KH是指I为单位电流，B为单位磁感应强度，霍尔电极为开路（R=∞）时的霍尔电势。（6-9）

7、磁非线性度NL

在一定控制电流下，UH与B成线性的关系式具有近似性，再加上结构设计和工艺制备方面的原因，实际上对线性有一定程度的偏离。磁非线性度NL定义为

NL=×100%

（6-10）和

分别为在一定磁场B下，霍尔电势的测量值和按式6-9的计算值。一般NL为10﹣3数量级。NL越小越好。

8、工作温度范围在UH的公式中含有电子浓度n，当器件温度过高或过低，n将大幅度变大或变小，使器件不能正常工作。锑化铟的正常工作温度范围是0℃～+40℃，锗为-40℃～+75℃，硅为-60℃～+150℃。砷化镓为-60℃～+200℃。9、内阻温度系数β器件输入电流和输入电阻随温度而有所变化的变化率。内阻温度系数约为10—3℃数量级。β越小越好。

10、磁灵敏度KB

当控制电流为额定控制电流时，单位磁感应强度产生的开路霍尔电势为KB。典型的砷化镓霍尔器件主要参数如表6-1所示。表6-1典型的砷化镓霍尔器件主要参数项目符号测试条件典型值单位额定功耗P0T=25℃25mW开路灵敏度KHIH=1mA，B=1kGs①20mV/（mA·kGs）不等位电动势U0IH=1mA，B=00.1mV最大工作电流Imt=60℃20mA最大磁感应强度B

mIm=10mA7kGs

表6-1典型的砷化镓霍尔器件主要参数项目符号测试条件典型值单位输入电阻R

iIH=0.1mA，B=0500Ω输出电阻R

o500Ω线性度γLB=0~20kGs，IH=1mA0.2%内阻温度系数aIH=0，B=0，t=-50℃～70℃0.3%/℃灵敏度温度系数b1.010-4/℃霍尔电动势温度系数cIH=1mA，B=1kGs，t=-50℃～70℃-0.1%/℃工作温度t-40～+125℃续表注：①1kGs=0.1T6.2应用举例

6.2.1霍尔式微量位移的测量由霍尔效应可知，当控制电流恒定时，霍尔电压U与磁感应强度B成正比，若磁感应强度B是位置x的函数，即

UH=kx （6-11）式中：ｋ——位移传感器灵敏度。则霍尔电压的大小就可以用来反映霍尔元件的位置。当霍尔元件在磁场中移动时，输出霍尔电压U的变化就反映了霍尔元件的位移量Δx。利用上述原理可对微量位移进行测量。

图6-4为霍尔式位移传感器的工作原理图。图6-4（a）中磁场强度相同的两块永久磁铁，同极性相对地放置，霍尔元件处于两块磁铁中间。由于磁铁中间的磁感应强度B=0，由此霍尔元件的输出电压U也等于零，这时位移Δx=0。若霍尔元件在两磁铁中间产生相对位移，霍尔元件感受到的磁感应强度也随之改变，这时有输出U，其量值大小反映出霍尔元件与磁铁之间相对位置的变化量。这种结构的传感器，其动态范围可达5mm，当位移小于2mm时，输出霍尔电压与位移之间有良好的线性关系。图6-4（b）所示的是一种结构简单的霍尔位移传感器，是由一块永久磁铁组成磁路的传感器，在霍尔元件处于初始位置Δx=0时，霍尔电压不等于零。

图6-4（c）所示的是一个由两个结构相同的磁路组成的霍尔式位移传感器，为了获得较好的线性分布，在磁极端面装有极靴，霍尔元件调整好初始位置时，可以使霍尔电压等于零。这种传感器灵敏度很高，但它所能检测的位移量较小，适合于微位移量及振动的测量。图6-4霍尔式位移传感器的工作原理图（a）磁场强度相同的传感器；（b）简单的位移传感器；（c）结构相同的位移传感器

6.2.2霍尔元件在转速测量上的应用利用霍尔元件测量转速的工作原理非常简单，将永久磁体按适当的方式固定在被测轴上，霍尔元件置于磁铁的气隙中，当轴转动时，霍尔元件输出的电压则包含有转速的信息，该电压经后续电路处理，便可得到转速的数据。如图6-5（a）、（b）是两种测量转速方法的示意图。

（a）（b）（c）（d）图6-5几种霍尔式转速传感器的结构1—输入轴；2—转盘；3—小磁铁；4—霍尔传感器

6.2.3构成金属计数器

如图6-6所示是应用于计数的霍尔接近开关原理图。当带磁性的物体接近霍尔元件时，霍尔元件就输出一个脉冲电压，经过放大整形后驱动光电管工作，计数器便进行计数，并由显示器进行显示。

图6-6霍尔式接近开关应用于计数电原理图6.2.4霍尔式接近开关的应用

利用霍尔效应可以制成开关型传感器，广泛应用于测转速、制作接近开关等。如图6-7所示是霍尔式接近开关原理图及工作特性曲线。它主要由霍尔元件、放大电路、整形电路、输出驱动及稳压电路5部分组成。

（a）（b）图6-7霍尔式接近开关原理及开关特性（a）原理图；（b）工作特性曲线

由工作特性曲线可见，霍尔式接近开关工作时具有一定的磁滞特性，可以使开关更可靠工作。图中BH为工作点“开”的磁场强度，BL为释放点“关”的磁场强度。

本章小结霍尔式传感器是利用半导体在磁场中的霍尔效应制成的一种传感器。位于磁场中的静止载流导体，当电流I的方向与磁场强度H的方向垂直时，则