第八章 霍尔传感器8.1 霍尔效应及霍尔元件 8.2 霍尔集成传感器 8.3 霍尔传感器的应用8.1 霍尔效应及霍尔元件8.1 霍尔效应及霍尔元件 8.1.1 霍尔效应位于磁场中的静止载流导体，当其 电流I的方向与磁场强度H的方向之间有夹 角α时，则在载流导体中平行与H、I的两 侧面之间将产生电动势，这一物理现象称 为霍尔效应 如图8-1所示， 图8-1 霍尔效应原理 其洛仑兹力大小可表示为FL= －q0vB 静电场对电子的作用力 上式连立:式中:霍尔系数（m3/C） 霍尔器件的灵敏系数 8.1.2霍尔元件和测量电路１．霍尔元件霍尔元件的结构如图8-2所示图中的矩形薄片状的立方晶体称为基片， 在它的两垂侧面上各装有一对电极，电极1-1用 以加激励电压或流过激励电流，故称为激励电 极，电极2-2作为霍尔电势UH的输出，故称为 霍尔电极，基片的尺寸要求厚度d越薄越好，d 越薄，霍尔元件的灵敏系数 越大，在基片外面 用金属或陶瓷、环氧树脂封装作为外壳图8-3 是霍尔元件的通用图形符号图8-2 外形结构示意图 图8-3 图形符号2．霍尔元件的测量电 路(1)基本测量电路霍尔元件的基本测 量电路如图8-5所示。
激励电流由电压源E供 给，其大小由可变电阻 来调节 8-5基本测量电路 (2)霍尔元件的输出电路在实际应用中，要根据不同的使用要求采用不同 的连接电路方式如在直流激励电流情况下，位了获得 较大的霍尔电压，可将几块霍尔元件的输出电压串联， 如图8-6（a）所示在交流激励电流情况下，几块霍尔 元件的输出可通过变压器接成如图8-6（b）的形式，以 增加霍尔电压或输出功率a) 直流激励 (b) 交流激励图8-6 霍尔元件的输出电路 8.1.3 霍尔元件的主要特性参数1．输入电阻Ri和输出电阻Ro定义霍尔元件激励电极之间的电阻称为输 入电阻Ri霍尔电极之间的电阻称为输出电阻 Ro 2．额定激励电流IN和最大允许激励电流Imax霍尔元件在空气中产生的温升为10℃时， 所对应的激励电流称为额定激励电流IN以元 件允许的最大温升为限制，所对应的激励电流 称为最大允许激励电流Imax 3．不等位电势和不等位电阻当霍尔元件的激励电流为额定值IN时，若 元件所处位置的磁感应强度为零，则它的霍尔 电势应该为零，但实际不为零，这时测得的空 载霍尔电势称为不等位电势。
产生原因:主要由霍尔电极安装不对称造成的, 由于半导体材料的电阻率不均匀、基片的厚度 和宽度不一致、霍尔电极与基片的接触不良（ 部分接触）等原因，即使霍尔电极的装配绝对 对称，也会产生不等位电势补偿方法:任意两相邻的电极之间可视为一个 等效电阻,则霍尔元 件可视为一四臂电桥 ,要不等位电势为0, 只需电桥输出为零即 可,因此采用加调零 电位器的方法很好. 如图8-7所示.4．交流不等位电势与寄生直流电势在不加外磁场的情况下，霍尔元件使用交流激励时，霍尔电极 间的开路交流电势称为交流不等位电势在此情况下输出的直流电 势称为寄生直流电势产生交流不等位电势的原因与不等位电势相同，而寄生直流电势的产 生则是由于：（1）霍尔电极与基片间的非完全欧姆接触而产生的整流效应2）霍尔电极与基片间的非完全欧姆接触而产生的整流效应，使激 励电流中包含有直流分量，通过霍尔元件的不等位电势的作用反映 出来一般情况下，不等位电势越小，寄生直流电势也越小3）当两个霍尔电极的焊点大小不同时，由于它们的热容量、热耗 散等情况的不同，引起两电极温度不同而产生温差电势，也是寄生 直流电势的一部分寄生直流电势可用图8-8所示电路 测量，经变压器降压后的交流电源供给 霍尔元件的激励电流，直流电位差计UJ -30的显示灵敏度应大于10-7V。
图8-8 测量寄生直流电势的电路图5．霍尔电势温度系数α在一定磁感应强度和激励电流下，温度每 变化1℃时，霍尔电势变化的百分率，称为霍尔 电势温度系数α6．霍尔灵敏系数KH在单位控制电流和单位磁感应强度作用下， 霍尔器件输出端的开路电压，称为霍尔灵敏系 数KH，霍尔灵敏系数KH的单位为V/（A·T）8.1.4 霍尔器件的材料选择以N型半导体材料为好.表中给出常见 的材料.表8-1 霍尔器件常用材料的物理性能8.2 霍尔集成传感器8.2.1霍尔开关集成传感器 1．工作原理图8-9 霍尔开关集成传感器原理框图（1）霍尔元件：在0.1T磁场作用下，霍尔元件开路时可输出20mV 左右 的霍尔电压，当有负载时输出10mV左右的霍尔电压2）差分放大器：放大器将霍尔电压放大，以便驱动后一级整形电 路3）整形电路：一般采用施密特触发器，它把经差分放大的电压整 形为矩形脉冲，实现A/D转换4）输出管：由一个或两个三极管组成，采用单管或双管集电极开 路输出，集电极输出的优点是可以跟很多类型的电路直接连接，使 用方便5）电源电路：包括稳压电路和恒流电路，设置稳压和恒流电路的 目的，一方面是为了改善霍尔传感器的温度性能，另一方面可以大 大提高集成霍尔传感器工作电源电压的适用范围。
2．霍尔开关集成传感器的特性 （1）磁特性霍尔开关集成传感器的磁特性是指由高电平翻转为低电平的导 通磁感应强度B（H→L）、由低电平翻转为高电平的截止磁感应强 度B（L→H）和磁感应强度的滞环宽度 .滞环宽度对霍尔开关集成传感器是必需的，因为在导通磁感 应强度B（H→L）附近，如果没有滞环效应或滞环效应很小，那么 由于磁噪声或磁钢振动等原因，会使电路的输出反复开启和关闭， 形成类似于自激振荡现象为防止这种现象的产生，必须具有一定 宽度的滞环但如果这种滞环宽度过大，对开关动作也是不利的， 因为要求磁场变化幅度很大，有可能不发生动作而出现漏计现象 我国CS型开关集成霍 尔传感器的滞环宽度典型值 为6×10-3T图8-10给出了霍尔开 关集成传感器磁电转换特 性曲线，横坐标表示作用于 霍尔元件上的正向磁感应强 度8-10 霍尔开关集成传 感器输出特性 （2）电特性霍尔开关集成传感器的电特性是指它的输出电性能，标志它的输出电性能的主要参数 有输出高电平UOH、输出低电平UOL 、负载电 流IOL、输出漏电流IOH、截止电源电流ICCH和 导通电源电流ICCL等参数3）温度特性霍尔开关集成传感器参数也随温度的变化而变化，在此主要 讨论它的导通磁感应强度B（H→L）、截止磁感应强度B（L→H） 和滞环宽度的温度特性由图8-11（a）可以看出，导通磁感应强度 的温度系数约为（1.5~2）×10-4T/℃，是正温度系数。
从B（ H→L）与B（L→H）特性曲线的差值中算出滞环宽度的温度系数 约为 －0.2%～－0.3%℃，是负温度系数图8-11（b）给出了CS型霍尔开关集成传感器两个磁特性参 数随电源电压E的变化曲线从图中可以看出，B（H→L）和B（ L→H）参数在电源电压E＜6V时，随电源电压减少而增加，但滞环 宽度随电源电压减小而减小；在电源电压E＞8V时，这三个参数基 本变化不大图8-11 霍尔开关集成传感器温度特性8.2.2 霍尔线性集成传感器线性集成霍尔传感器是将霍尔器件 、放大电路、电压调整电路、电流放大输 出级、失调调整和线性度调整部分集成在 一块芯片上，其特点是输出电压随外加磁 感应强度B呈线性变化霍尔线性集成传 感器分单端输出和双端输出两种，它们的 结构如图8-12（a）、（b）所示a） SL3501T型结构（单端输出） (b) SL3501M型结构（双端输出）图8-12 线性集成霍尔传感器的电路结构8.3 霍尔传感器的应用由于霍尔传感器具有在静态状态下感受磁场的独特能力，而且它具有结构简单、体积小、重量轻、频带宽（从直流到微波）、动态特性好和寿 命长、无触点等许多优点，因此在测量技术，自动化技术和信息处理等方 面有着广泛应用。
归纳起来，霍尔传感器有三个方面的用途：（1）当控制电流不变时，使传感器处于非均匀磁场中，则传感器的霍尔电势 正比于磁感应强度，利用这一关系可反映位置、角度或励磁电流的变化2）当控制电流与磁感应强度皆为变量时，传感器的输出与这两者乘积成正 比在这方面的应用有乘法器、功率计以及除法、倒数、开方等运算器， 此外，也可用于混频、调制、解调等环节中，但由于霍尔元件变换频率低 ，温度影响较显著等缺点，在这方面的应用受到一定的限制，这有待于元 件的材料、工艺等方面的改进或电路上的补偿措施3）若保持磁感应强度恒定不变，则利用霍尔电压与控制电流成正比的关系，可以组成回转器、隔离器和环行器等控制装置 8.3.1 霍尔位移传感器图8-13 霍尔位移传感器8.3.2 霍尔电流变换器 图8-14 霍尔传感器电流变换器8.3.3 利用霍尔传感器实现无接触式仿型 加工 图8-15 无接触式仿型加工原理示意图8.3.4 自动供水装置图8-16 自动供水装置8.3.5 霍尔元件在磁性材料研究中的应用图8-17 研究闭合材料试样磁特性的线路框图8.3.6非接触式键盘开关图8-18 用霍尔开关集成传感器构成的按钮 本 章 小 结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，则在载流导体中平行与H、I的两侧面之间将产生电动 势，这个电动势称为霍尔电势，这种物理现象称为霍尔效应。
利用 霍尔效应原理制成的传感器称为霍尔传感器霍尔传感器有分立元件式（简称霍尔元件）和集成式（简称 霍尔集成传感器）两种霍尔元件常用锗、硅、砷化镓、砷化铟及 锑化铟等半导体材料制作而成霍尔集成传感器是将霍尔器件、放 大电路、电压调整电路、电流放大输出级、失调调整和线性度调整 部分集成在一块芯片上组成的霍尔传感器由于具有结构简单、体积小、重量轻、频带宽（ 从直流到微波）、动态特性好和寿命长、无触点等许多优点，因此 在测量技术，自动化技术和信息处理技术等方面有着广泛应用 思考与练习1. 试述霍尔效应的定义2. 试说明霍尔系数的物理意义3. 试述霍尔传感器的主要参数4. 试分析霍尔开关集成传感器的组成及各部分的作用5. 简述利用霍尔传感器测量电流、磁感应强度、微位移的 原理6. 试举实例说明霍尔传感器的应用8.2 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8.2.1 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，其典型电路见图8.2.1 下面我们分析电路的工作原理图中的霍尔元件是在N型硅外延层上制作的由于N型硅外延层的电阻率ρ一般为1.0～ 1.5Ωcm电子迁移率μ约为1200cm2(Vs)，厚度d约为10μm，故很适合做霍尔元件集成块中 霍尔元件的长600μm，宽为400μm由于在制造工艺中采用了光刻技术，电极的对称性好 ，零位误差大大减小另外，由于厚度d很小，霍尔灵敏度也相对提高了，在0.1T磁场作用 下，元件开路时可输出20mV左右的霍尔电压霍尔输出经前置放大的后送到斯密特触发器 ，通过整形成为矩形脉冲输出当磁感应强度B为0时，霍尔元件无输出，即UH=0线路中， 由于流过V2集电极电阻的电流大于流过V1集电极电阻的电流，输出电压U b3＞Ub4，则V3优先 导。