第7章 霍尔传感器

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1、 2022-5-262一、教学目标一、教学目标 知识目标知识目标（1 1）了解霍尔元件的结构和不同参数。了解霍尔元件的结构和不同参数。 （2 2）掌握霍尔传感器的工作原理及测量转换电路。）掌握霍尔传感器的工作原理及测量转换电路。（3 3）熟悉霍尔传感器在工程上的应用。）熟悉霍尔传感器在工程上的应用。二、教学重点和难点二、教学重点和难点(1)(1)重点：霍尔传感器的工作原理和应用。重点：霍尔传感器的工作原理和应用。(2)(2)难点：难点：霍尔传感器的测量电路。霍尔传感器的测量电路。三、教学学时三、教学学时 4 4学时学时7.1.1 7.1.1 霍尔效应霍尔效应当把金属或半导体薄片置于磁感应强度为

2、当把金属或半导体薄片置于磁感应强度为B B的磁场的磁场中时，磁场方向垂直于薄片，当有电流中时，磁场方向垂直于薄片，当有电流I I流过时，流过时，在垂直于电流和磁场的方向上将产生感应电动势在垂直于电流和磁场的方向上将产生感应电动势E EH H，这种现象称为这种现象称为霍尔效应霍尔效应。 当磁场垂直于元件时，电子受到洛仑兹力的作用，向内侧偏移，在霍尔元件c、d方向的端面之间建立起霍尔电势。2022-5-262022-5-264 4c cd da ab b 流入霍尔元件激励电流端的输入电流输入电流I越大越大，作用在霍尔元件上的磁感应强度磁感应强度B就越强，霍尔电动势就越强，霍尔电动势EH也就越高也就

3、越高。霍尔电势EH可用下式表示： EH=KH IB2022-5-262022-5-265 5I I 控制电流（控制电流（A A）B B 磁感应强度（磁感应强度（T T）K KH H 霍尔元件的灵敏度霍尔元件的灵敏度HHRkd （7-27-2）HR 为霍尔常数；为霍尔常数；d d为霍尔元件的厚度（为霍尔元件的厚度（m m）。）。霍尔元件灵敏度的表达式为霍尔元件灵敏度的表达式为 霍尔元件是一种半导体四端薄皮，1、1端称为霍尔电动势的输出端，2、2端称为激励电流端，其中2、2端一般应处于霍尔元件侧面的中点 （a a）外形结构）外形结构 （b b）图形符号）图形符号图图7-1 7-1 霍尔元件霍尔元件

4、锗：霍尔系数、温度性能、和线性度锗：霍尔系数、温度性能、和线性度较好较好硅：霍尔系数，温度性能与锗相近硅：霍尔系数，温度性能与锗相近锑化铟锑化铟:对温度比较敏感，低温范围内对温度比较敏感，低温范围内温度系数较大。温度系数较大。砷化铟：霍尔系数和温度系数较小，砷化铟：霍尔系数和温度系数较小，输出线性度好。输出线性度好。1.额定激励电流和最大允许激励电流额定激励电流和最大允许激励电流2022-5-262022-5-269 9 当霍尔元件自身的温度当霍尔元件自身的温度升高升高10 10 时，流时，流过自身的激励电流称为过自身的激励电流称为额定激励电流额定激励电流，用符号，用符号I Ic c表示。表示

5、。 由于霍尔电势随激励电流增大而增大，故由于霍尔电势随激励电流增大而增大，故在应用中总希望选用较大的激励电流。但激励在应用中总希望选用较大的激励电流。但激励电流增大，霍尔元件的电流增大，霍尔元件的功耗增大功耗增大，元件的温度，元件的温度升高，从而引起霍尔电势的升高，从而引起霍尔电势的温漂增大温漂增大，因此每，因此每种型号的元件均规定了相应的种型号的元件均规定了相应的最大激励电流最大激励电流I Im m ，它的数值从几毫安至十几毫安。，它的数值从几毫安至十几毫安。 2022-5-262022-5-2610102.2.输入电阻和输出电阻输入电阻和输出电阻 输入电阻输入电阻R Ri i是指霍尔元件两

6、个激励电流是指霍尔元件两个激励电流端的电阻。端的电阻。 输出电阻输出电阻R Ro o是两个霍尔电动势输出端之是两个霍尔电动势输出端之间的电阻。间的电阻。 输入电阻和输出电阻的阻值从几十欧姆输入电阻和输出电阻的阻值从几十欧姆到几百欧姆到几百欧姆 . .2022-5-262022-5-261111 3.3.不等位电势和不等位电阻不等位电势和不等位电阻 不等位电动势是指当霍尔元件在额定激励电流下，当不等位电动势是指当霍尔元件在额定激励电流下，当外加磁场为零时外加磁场为零时，霍尔元件输出端之间的，霍尔元件输出端之间的开路电压开路电压，用，用符号符号U UM M表示。表示。 产生这一现象的产生这一现象的

7、原因原因有有: : 霍尔电极霍尔电极安装位置不对称或不在同一等电位面上安装位置不对称或不在同一等电位面上; ; 半导体材料不均匀半导体材料不均匀造成了电阻率不均匀或是造成了电阻率不均匀或是几何几何尺寸不均匀尺寸不均匀; ; 激励电极激励电极接触不良接触不良造成激励电流不均匀分布等。造成激励电流不均匀分布等。 不等位电势也可用不等位电阻表示不等位电势也可用不等位电阻表示 4.寄生直流电动势 当当没有外加磁场没有外加磁场，霍尔元件用交流控制电流时，霍尔元件用交流控制电流时，霍尔电极的输出有一个寄生直流电动势，它主要霍尔电极的输出有一个寄生直流电动势，它主要是由控制电极和基片之间的非完全欧姆接触所产

8、是由控制电极和基片之间的非完全欧姆接触所产生的整流效应造成的生的整流效应造成的。5.霍尔电动势的温度系数 霍尔电动势的温度系数霍尔电动势的温度系数是指在一定磁感应强度和是指在一定磁感应强度和控制电流下，控制电流下，温度每变化温度每变化1 ，霍尔电动势的变，霍尔电动势的变化率。化率。 7.2.1 霍尔传感器的基本电路 通过霍尔传感器的额定激励电流为通过霍尔传感器的额定激励电流为cABH/()IERRR（a a）无外接偏置电阻）无外接偏置电阻 （b b）有外接偏置电阻（）有外接偏置电阻（c c）电源负极与霍尔元件）电源负极与霍尔元件 之间串联电阻之间串联电阻图图7-5 7-5 霍尔传感器的偏置电路

9、霍尔传感器的偏置电路 霍尔传感器的集成电路具有霍尔传感器的集成电路具有体积较小体积较小、灵敏度高灵敏度高、输出幅度较大输出幅度较大、温漂小、温漂小、对对电源的稳定性要求较低电源的稳定性要求较低等优点，它可分等优点，它可分为为线性线性型霍尔传感器的集成电路和型霍尔传感器的集成电路和开关开关型霍尔传感器的集成电路。型霍尔传感器的集成电路。线性型霍尔传感器的集成电路的内部电路是将线性型霍尔传感器的集成电路的内部电路是将霍霍尔元件、恒流源、线性差动放大器尔元件、恒流源、线性差动放大器制作在同一个制作在同一个芯片上，输出电压的单位为芯片上，输出电压的单位为V V，比直接使用霍尔元，比直接使用霍尔元件要方

10、便很多。比较典型的线性型霍尔传感器有件要方便很多。比较典型的线性型霍尔传感器有UGN3501UGN3501。 图图7-6 UG35017-6 UG3501线性型霍尔传感器的外形及其内部集成电路线性型霍尔传感器的外形及其内部集成电路 右图示出了具有右图示出了具有双端双端差动差动输出特性的线性输出特性的线性霍尔器件的输出特性霍尔器件的输出特性曲线。曲线。 当当磁场为零时磁场为零时，它的，它的输出输出电压等于零电压等于零；当；当感受的感受的磁场为正向磁场为正向（磁钢的（磁钢的S S极对准霍尔极对准霍尔器件的正面）时，器件的正面）时， 输输出为正出为正；磁场反向时，磁场反向时，输出为负。输出为负。 2

11、022-5-262022-5-261717请画出线性范围请画出线性范围根据想一想： 开关型霍尔集成电路是将开关型霍尔集成电路是将霍尔元件、稳霍尔元件、稳压电路、放大器、施密特触发器、压电路、放大器、施密特触发器、OCOC门（集门（集电极开路输出门）电极开路输出门）等电路做在同一个芯片上。等电路做在同一个芯片上。当外加磁场强度超过规定的工作点时，当外加磁场强度超过规定的工作点时，NPNNPN型型OCOC门由高阻态（或高电平）变为导通状态，门由高阻态（或高电平）变为导通状态，输出变为低电平；当外加磁场强度低于释放输出变为低电平；当外加磁场强度低于释放点时，点时，OCOC门重新变为高阻态，输出高电平

12、。门重新变为高阻态，输出高电平。较典型的开关型霍尔器件如较典型的开关型霍尔器件如UGN3020UGN3020等。等。2022-5-262022-5-261919图7-10 施密特触发电路的输出特性曲线 回差越大，抗振动干扰能力就越强。回差越大，抗振动干扰能力就越强。2022-5-262022-5-2622221.不等位电动势误差的补偿不等位电动势误差的补偿 不等位电动势是霍尔元件误差中最主不等位电动势是霍尔元件误差中最主要的一种。它产生的原因是要的一种。它产生的原因是（1 1）制造工艺不可能保证两个霍尔电）制造工艺不可能保证两个霍尔电极绝对对称地焊接在霍尔元件的两侧，极绝对对称地焊接在霍尔元件

13、的两侧，致使霍尔元件的两个电极点致使霍尔元件的两个电极点不能完全不能完全位于同一个等位面上位于同一个等位面上。（2 2）由于半导体的）由于半导体的电阻特性电阻特性（等势面（等势面倾斜）所造成。倾斜）所造成。 可以把霍尔元件视为一个四臂电阻电桥，可以把霍尔元件视为一个四臂电阻电桥，不等位电势就相当于电桥的初始不平衡不等位电势就相当于电桥的初始不平衡输出电压。输出电压。 图7-12 不等位电动势的补偿电路霍尔元件的温度特性是指它的霍尔元件的温度特性是指它的内阻及输出电压内阻及输出电压（霍尔（霍尔电动势）与电动势）与温度温度之间的关系。之间的关系。 图图7-13 7-13 霍尔内阻与温度的关系霍尔内

14、阻与温度的关系 图图7-14 7-14 霍尔电动势与温度的关系霍尔电动势与温度的关系温度误差产生的原因主要包括以下两种：温度误差产生的原因主要包括以下两种：（1 1）由于霍尔元件是由）由于霍尔元件是由半导体材料半导体材料组成组成的，因此，它对的，因此，它对温度的变化非常敏感温度的变化非常敏感。其中，载流子的浓度、迁移率、电阻率其中，载流子的浓度、迁移率、电阻率等参数都是温度的函数。等参数都是温度的函数。（2 2）当温度发生变化时，）当温度发生变化时，霍尔元件的一霍尔元件的一些特性参数些特性参数，如霍尔电动势、输入电阻，如霍尔电动势、输入电阻和输出电阻等都会发生变化，从而使霍和输出电阻等都会发生

15、变化，从而使霍尔传感器产生温度误差。尔传感器产生温度误差。减小霍尔元件的温度误差的方法1.恒温措施补偿恒温措施补偿2.2.恒流源温度补偿恒流源温度补偿 （1）恒温措施补偿。包括以下两种： 将霍尔元件放在恒温器中。 将霍尔元件放在恒温的空调房中。 霍尔元件的灵敏度与温度的关系为霍尔元件的灵敏度与温度的关系为 （7-5）式中，式中， 为温度为为温度为t0时霍尔元件的灵敏度；时霍尔元件的灵敏度； 为霍尔电动势的温度系数；为霍尔电动势的温度系数； 为温度为温度的变化量（的变化量（）。）。HH0(1)kkt H0kt 图7-15 恒流源温度补偿电路HHEk IB7.3.1 磁阻元件磁阻元件当霍尔元件置于

16、与电流方向垂直的磁场当霍尔元件置于与电流方向垂直的磁场中时，会出现霍尔效应，同时还会出现中时，会出现霍尔效应，同时还会出现半导体电阻率增大的现象，这种现象称半导体电阻率增大的现象，这种现象称为磁阻效应。为磁阻效应。利用磁阻效应做成的元件利用磁阻效应做成的元件被称为磁阻元件。被称为磁阻元件。 （a）无磁场作用）无磁场作用 （b）有磁场作用）有磁场作用 图图7-14 磁阻元件工作原理示意图磁阻元件工作原理示意图无触点开关，无触点开关，压力开关，压力开关，角度传感器，角度传感器，转速传感器转速传感器优点：阻抗优点：阻抗低，阻值随低，阻值随磁场变化大，磁场变化大，频率响应好，频率响应好，动态范围广，动

17、态范围广，噪声小。噪声小。7.3.2 7.3.2 磁敏二极管磁敏二极管 图图7-15 磁敏二极管的结磁敏二极管的结构构r区：高复合区区：高复合区 （a）无磁场）无磁场 （b）加正向磁场）加正向磁场 （c）加反向磁场）加反向磁场 图图7-16 磁敏二极管工作原理磁敏二极管工作原理 磁敏二极管在正负磁场作用下输出电磁敏二极管在正负磁场作用下输出电阻不同，可以利用它来判断磁场方向。阻不同，可以利用它来判断磁场方向。7.3.3 磁敏三极管磁敏三极管图图7-17 磁敏三极管的结构图磁敏三极管的结构图 图图7-18 磁敏三极管工作原理示意图磁敏三极管工作原理示意图 磁敏三极管和磁敏二极管的工作原理基磁敏三

18、极管和磁敏二极管的工作原理基本相同，可以用本相同，可以用磁场方向控制集电极电流磁场方向控制集电极电流的增加或减小，也可以用的增加或减小，也可以用磁场的强弱磁场的强弱控制控制集电极电流增加或减小的集电极电流增加或减小的变化量变化量。通过磁敏三极管集电极电流的变化通过磁敏三极管集电极电流的变化可可判断磁场的什么？判断磁场的什么？霍尔电势是关于I、B、 三个变量的函数，即 EH=K HI B cos 。利用这个关系可以使其中两个量不变，将第三个量作为变量，或者固定其中一个量，其余两个量都作为变量。这使得霍尔传感器有许多用途。图7-16 霍尔位移传感器的工作原理图7-17 霍尔压力传感器的工作原理 1

19、弹簧管； 2磁铁； 3霍尔压力传感器 图7-18 霍尔加速度传感器的工作原理 图7-19 霍尔转速传感器的工作原理 只要黑色金属旋转体的表面存在缺口或突只要黑色金属旋转体的表面存在缺口或突起，就使磁场强度发生变化，从而引起霍尔电起，就使磁场强度发生变化，从而引起霍尔电势的变化，霍尔电压的变化速率反映转速信号。势的变化，霍尔电压的变化速率反映转速信号。 当齿对准霍尔元件时，磁力线集中穿过霍尔元件，可产生较大的霍尔电动势，放大、整形后输出高电平；反之，当齿轮的空挡对准霍尔元件时，输出为低电平。2022-5-262022-5-264343 若汽车在刹车时车轮被抱死，将产生危险。用霍尔转速传感器来检测车轮的转动状态有助于控制刹车力的大小。2022-5-262022-5-264444带有微带有微型磁铁型磁铁的霍尔的霍尔传感器传感器钢质钢质霍尔霍尔图7-20 霍尔计数器的工作原理及其内部电路2022-5-262022-5-264646