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1、第九章第九章 霍尔传感器霍尔传感器本章主要讲述内容：本章主要讲述内容：1、霍尔传感器的工作原理、霍尔传感器的工作原理2、霍尔元件的基本结构和主要技术指标、霍尔元件的基本结构和主要技术指标3、霍尔元件的测量电路、霍尔元件的测量电路4、霍尔传感器举例、霍尔传感器举例1概述：概述： 霍尔元件是一种基于霍尔效应的磁传感器，得到广泛的应用。可以检测磁场及其变化，可在各种与磁场有关的场合中使用。霍尔器件以霍尔效应为其工作基础。特点：特点： 霍尔器件具有许多优点，它们的结构牢固，体积小，重量轻，寿命长，安装方便，功耗小，频率高，耐震动，不怕灰尘、油污、水汽及盐雾等的污染或腐蚀。 第一节第一节 霍尔元件的基本
2、工作原理霍尔元件的基本工作原理2霍尔效应原理图霍尔效应原理图3霍尔元件霍尔元件 金属或半导体薄片置于磁场中，当有电流金属或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。电动势，这种物理现象称为霍尔效应。4 设图中的材料是型半导体，导电的载流设图中的材料是型半导体，导电的载流子是电子。在轴方向的磁场作用下，电子将子是电子。在轴方向的磁场作用下，电子将受到一个沿轴负方向力的作用，这个力就是受到一个沿轴负方向力的作用，这个力就是洛仑兹力。它的大小为：洛仑兹力。它的大小为：FL=evB zxyIADBCB
3、lLdUHA、B-霍尔电极 C、D-控制电极F FL L5 电荷的聚积必将产生静电场，即为霍尔电电荷的聚积必将产生静电场，即为霍尔电场，该静电场对电子的作用力为场，该静电场对电子的作用力为FE与洛仑兹力与洛仑兹力方向相反，将阻止电子继续偏转，其大小为方向相反，将阻止电子继续偏转，其大小为式中式中EH为霍尔电场为霍尔电场，e为电子电量，为电子电量，UH为霍尔为霍尔电势电势。当。当FL = FE时，电时，电子的积累达到动平衡，子的积累达到动平衡，即即所以所以IADBCBlLdUHA、B-霍尔电极C、D-控制电极F FL LF FE E6 设流过霍尔元件的设流过霍尔元件的电流为电流为 I 时，时，
4、式中式中ld为与电流方为与电流方向垂直的截面积，向垂直的截面积，n 为为单位体积内自由电子数单位体积内自由电子数(载流子浓度载流子浓度)。则。则IADBCBlLdUHA、B-霍尔电极C、D-控制电极F FL LF FE E7令令 RH则被定义为霍尔传感器的霍尔系数。则被定义为霍尔传感器的霍尔系数。由于金属导体内的载流子浓度大于半导由于金属导体内的载流子浓度大于半导体内的载流子浓度，所以，半导体霍尔体内的载流子浓度，所以，半导体霍尔系数大于导体。系数大于导体。霍尔系数及灵敏度霍尔系数及灵敏度则则8KH为霍尔元件的灵敏度。为霍尔元件的灵敏度。 由由上上述述讨讨论论可可知知，霍霍尔尔元元件件的的灵灵
5、敏敏度度不不仅仅与与元元件件材材料料的的霍霍尔尔系系数数有有关关，还还与与霍霍尔尔元元件件的的几几何何尺尺寸寸有有关关。一一般般要要求求霍霍尔尔元元件件灵灵敏敏度度越越大大越越好好，霍霍尔尔元元件件灵灵敏敏度度的的公公式式可可知知，霍霍尔尔元元件件的厚度的厚度d与与KH成反比。成反比。令令 则则9通过以上分析可知：通过以上分析可知：1）霍尔电压UH与材料的性质有关 n 愈大，KH 愈小，霍尔灵敏度愈低； n 愈小，KH 愈大，但n太小，需施加极高的电压才能产生很小的电流。因此霍尔元件一般采用N型半导体材料102）霍尔电压UH与元件的尺寸有关。 d 愈小，KH 愈大，霍尔灵敏度愈高，所以霍尔元件
6、的厚度都比较薄，但d太小，会使元件的输入、输出电阻增加。 霍尔电压UH与控制电流及磁场强度成正比，当磁场改变方向时，也改变方向。11v若磁场B和霍尔元件平面的法线成一角度，则作用于霍尔元件的有效磁感应强度为B cos，因此v UH=KHIBcosIADBCBlLdUHA、B-霍尔电极 C、D-控制电极12v3）P型半导体，其多数载流子是空穴，也存在霍尔效应，但极性和N型半导体的相反。v4）霍尔电压UH与磁场B和电流I成正比，只要测出UH ，那么B或I的未知量均可利用霍尔元件进行测量。13一、霍尔元件的基本结构组成一、霍尔元件的基本结构组成由霍尔片、四根引线和壳体组成，如下图示。由霍尔片、四根引
7、线和壳体组成，如下图示。第二节第二节 霍尔元件的基本结构和主霍尔元件的基本结构和主要技术指标要技术指标14v国产霍尔元件型号的命名方法15二、主要技术指标1、额定控制电流、额定控制电流IC和最大控制电流和最大控制电流ICmv霍尔元件在空气中产生10的温升时所施加的控制电流称为额定控制电流IC。在相同的磁感应强度下，IC值较大则可获得较大的霍尔输出。v霍尔元件限制IC的主要因素是散热条件。v一般锗元件的最大允许温升Tm80，硅元件的Tm175。当霍尔元件的温升达到Tm时的IC就是最大控制电流ICm 。16 霍尔元件的乘积灵敏度定义为在单位控制电流和单位磁感应强度下，霍尔电势输出端开路时的电势值，
8、其单位为V（AT），它反应了霍尔元件本身所具有的磁电转换能力，一般希望它越大越好。2、乘积灵敏度KH其定义173、输入电阻、输入电阻Ri和输出电阻和输出电阻R0vRi是指流过控制电流的电极（简称控制是指流过控制电流的电极（简称控制电极）间的电阻值，电极）间的电阻值，R0是指霍尔元件的是指霍尔元件的霍尔电势输出电极（简称霍尔电极）间霍尔电势输出电极（简称霍尔电极）间的电阻，单位为的电阻，单位为。可以在无磁场即。可以在无磁场即B0和室温（和室温（20 5）时，用欧姆表等时，用欧姆表等测量。测量。18 在额定控制电流 Ic 之下，不加磁B0时，霍尔电极间的空载霍尔电势UH0，称为不平衡(不等位)电势
9、，单位为mV。一般要求霍尔元件的UH1mV，好的霍尔元件的UH可以小于0.1mV。不等位电势和额定控制电流Ic之比为不等位电阻RM，即 4 4、不等位电势、不等位电势U UM M和不等位电阻和不等位电阻R RM M19 不不平平衡衡电电势势UH是是主主要要的的零零位位误误差差。因因为为在在工工艺艺上上难难以以保保证证霍霍尔尔元元件件两两侧侧的的电电极极焊焊接接在在同同一一等等电电位位面面上上。如如下下图图(a)(a)所所示示。当当控控制制电电流流I I流流过过时时，即即使使末末加加外外磁磁场场，A A、B B两两电电极极此此时时仍仍存存在在电电位位差差，此电位差被称为不等位电势（不平衡电势）此
10、电位差被称为不等位电势（不平衡电势）UH。20 在在一一定定的的磁磁感感应应强强度度和和控控制制电电流流下下，温温度度变变化化11时时，霍霍尔尔电电势势变变化化的的百百分分率率称称为为霍霍尔尔电电势势温温度度系数系数，单位为，单位为1 1。5 5、霍尔电势温度系数、霍尔电势温度系数21一、基本测量电路一、基本测量电路 控控制制电电流流I I由由电电源源E E供供给给，电电位位器器R R调调节节控控制制电电流流I I的的大大小小。霍霍尔尔元元件件输输出出接接负负载载电电阻阻R RL L，R RL L可可以以是是放放大大器器的的输输入入电电阻阻或或测测量量仪仪表表的的内内阻阻。由由于于霍霍尔尔元元
11、件件必必须须在在磁磁场场与与控控制制电电流流作作用用下下，才才会会产产生生霍霍尔尔电电势势U UH H，所所以以在在测量中，可以把测量中，可以把 I I 第三节第三节 霍尔元件的测量电路霍尔元件的测量电路与与 B B 的乘积、或者的乘积、或者 I I，或者，或者 B B 作为输入情号，则霍作为输入情号，则霍尔元件的输出电势分别正比于尔元件的输出电势分别正比于 IB IB 或或 I I 或或 B B。 22 为了获得较大的霍尔输出电势，可以为了获得较大的霍尔输出电势，可以采用几片叠加的连接方式。下图采用几片叠加的连接方式。下图(a)为直流为直流供电，控制电流端并联输出串联。下图供电，控制电流端并
12、联输出串联。下图(b)为交流供电，控制电流端串联变压器叠加为交流供电，控制电流端串联变压器叠加输出。输出。连接方式连接方式23 由由于于载载流流子子浓浓度度等等随随温温度度变变化化而而变变化化，因因此此会会导导致致霍霍尔尔元元件件的的内内阻阻、霍霍尔尔电电势势等等也也随随温温度度变变化化而而变变化化。这这种种变变化化程程度度随随不不同同半半导导体体材材料料有有所所不不同同。而而且且温温度度高高到到一一定定程程度度，产产生生的的变变化化相相当当大大。温温度度误误差差是是霍霍尔尔元元件件测测量量中中不不可可忽视的误差。忽视的误差。 针针对对温温度度变变化化导导致致内内阻阻( (输输入入、输输出出电
13、电阻阻) )的的变变化化，可可以以采采用用对对输输入入或或输输出出电电路路的的电电阻阻进进行补偿。行补偿。 二、温度误差及其补偿二、温度误差及其补偿24（一）采用恒流源提供控制电流对于上图所示的基本测量电路，设温度由T增加到T+T，因霍尔片的电子浓度n增加，从而使霍尔元件的乘积灵敏度由KH减小到KH（1T），其中是KH的温度系数。25另一方面霍尔元件输入电阻由Ri减小减小到Ri （1T）。其中是Ri的温度系数。输入电阻的变化将使控制电流由I IC变为I ICIC，此时霍尔电势将由UHKHICB变为UH UH KH （1T）（）（I ICIC ）B。要使 UH 0，必须I IC （1T） （I
14、ICIC ）26要满足I IC （1T） （I ICIC ），为此采用上图所示的电源为恒流源的测量电路，电路中并联一个起分流作用的补偿电阻R。根据上图可得式中 补偿电阻R的温度系数。27将这两式代入对上式进行整理，并忽略（T）2 项可得得到28 对对于于一一个个确确定定的的霍霍尔尔元元件件，和和值值可可由由元元件件参参数数表表查查得得，R Ri i可可在在无无外外磁磁场场和和室室温温条条件件下下直直接接测测得得。因因此此只只要要选选择择适适当当的的补补偿偿电电阻阻，使使其其R R和和满满足足上上式式，就就可可在在输输入入回回路路实实现现对对温温度度误误差差的的补补偿偿了。了。29（二）合理选择
15、负载电阻v如上图所示，若霍尔电势输出端接负载电阻RL，则当温度为T时，RL上的电压可表示为：式中 R0霍尔元件的输出电阻。30v当温度由T变为T+T时，则RL上的电压变为式中 霍尔电势的温度系数； 霍尔元件输出电阻的温度系数。 要使UL不受温度变化的影响，即UL0，由上两式可知，必须对上式进行整理可得31 对于一个确定的霍尔元件，可以方便地获得、和R0的值，因此只要使负载电阻RL满足上式，就可在输出回路实现对温度误差的补偿了。虽然RL通常是放大器的输入电阻或表头内阻，其值是一定的，但可通过串、并联电阻来调整RL的值。32（三）采用热敏元件v对于由温度系数较大的半导体材料（如锑化铟）制成的霍尔元
16、件，常采用右图所示的温度补偿电路，图中Rt是热敏元件（热电阻或热敏电阻）。33v图（a）是在输入回路进行温度补偿电路，当温度变化时，用Rt的变化来抵消霍尔元件的乘积灵敏度KH和输入电阻Ri变化对霍尔输出电势UH的影响。34 图（b）则是在输出回路进行温度补偿的电路，当温度变化时，用Rt的变化来抵消霍尔电势UH和输出电阻R0变化对负载电阻RL上的电压UL的影响。 在安装测量电路时，应使热敏元件和霍尔元件的温度一致。35 不等位电势是霍尔元件在加控制电流而不加外磁场时，而出现的霍尔电势称为零位误差。 在分析不等位电势时，可将霍尔元件等效为一个电桥，如右图所示。控制电极A、B和霍尔电极C、D可看作电
17、桥的电阻连接点。它们之间分布电阻R1、R2、R3、R4构成四个桥臂，控制电压可视为电桥的工作电压。三、不等位电势的补偿三、不等位电势的补偿36 理想情况下，不等位电势UM=0，对应于电桥的平衡状态，此时R1R2R3R4。 如果霍尔元件的UM0，则电桥就处于不平衡状态，此时R1、R2、R3、R4的阻值有差异，UM就是电桥的不平衡输出电压。 只要能使电桥达到平衡的方法都可作为不等位电势的补偿方法。37（一）基本补偿电路（一）基本补偿电路 n霍尔元件的不等位电势补偿电路有多种形式，图97为两种常见电路，其中RW是调节电阻。n基本补偿电路没有考虑温度变化的影响。当温度发生变化，需要重新进行平衡调节。3
18、8（二）具有温度补偿的补偿电路n右图是一种常见的具有温度补偿的不等位电势补偿电路。该补偿电路本身也接成桥式电路，其工作电压有霍尔元件的控制电压提供；其中一个为热敏电阻Rt，并且于霍尔元件的等效电阻的温度特性相同。39在该电桥的负载电阻RP2上取出电桥的部分输出电压（称为补偿电压），与霍尔元件的输出电压反向串联。在磁感应强度B为零时，调节RP1和RP2，使补偿电压抵消霍尔元件此时输出的不等位电势，从而使B0时的总输出电压为零。40在霍尔元件的工作温度下限T1时，热敏电阻的阻值为Rt（T1）。电位器RP2保持在某一确定位置，通过调节电位器的RP1来调节补偿电桥的工作电压，使补偿电压抵消此时的不等位
19、电势UML，此时的补偿电压称为恒定补偿电压。41当工作温度T1升高到T1 T时，热敏电阻的阻值为Rt（T1 T ）。RP1保持不变，通过调节RP2，使补偿电压抵消此时的不等位电势UML UM。此时的补偿电压实际上包含了两个分量，一个是抵消工作温度为T1时的不等位电势UML的恒定补偿电压分量，另一个是抵消工作温度升高T时的不等位电势的变化量UM的变化补偿电压分量。42根据上述讨论可知，采用桥式补偿电路，可以在霍尔元件的整个温度范围内对不等位电势进行良好的补偿，并且对不等位电势的恒定部分和变化部分的补偿可独立地进行调节。所以，可达到相当高的补偿精度。43第四节 霍尔式传感器举例一、将被测量转换为磁
20、感应强度B保持霍尔元件的控制电流I恒定不变，就可测量磁感应强度B，以及位移、角度等可直接转换为B的物理量，进一步还可以测量先转换成位移或角度、然后间接转换为B的物理量，如振动、压力、速度、加速度、转速等等。下面以霍尔式压力传感器为例进行说明。44 图图9-9 9-9 霍尔压力传感器结构原理图霍尔压力传感器结构原理图霍尔元件霍尔元件霍尔元件霍尔元件磁钢磁钢磁钢磁钢压力压力压力压力P P波登管波登管波登管波登管N SN SS NS N霍尔式压力传感器霍尔式压力传感器霍尔式压力传感器由两部分组霍尔式压力传感器由两部分组霍尔式压力传感器由两部分组霍尔式压力传感器由两部分组成：一部分是弹性敏感元件的成：
21、一部分是弹性敏感元件的成：一部分是弹性敏感元件的成：一部分是弹性敏感元件的波登管用以感受压力波登管用以感受压力波登管用以感受压力波登管用以感受压力P P P P，并将，并将，并将，并将P P P P转换为弹性元件的位移量转换为弹性元件的位移量转换为弹性元件的位移量转换为弹性元件的位移量x x x x，即即即即x x x xK K K KP P P PP P P P，其中系数，其中系数，其中系数，其中系数K K K KP P P P为常数。为常数。为常数。为常数。另一部分是霍尔元件和磁系统，另一部分是霍尔元件和磁系统，另一部分是霍尔元件和磁系统，另一部分是霍尔元件和磁系统，磁系统形成一个均匀梯度
22、磁场，磁系统形成一个均匀梯度磁场，磁系统形成一个均匀梯度磁场，磁系统形成一个均匀梯度磁场，如右图所示，在其工作范围内，如右图所示，在其工作范围内，如右图所示，在其工作范围内，如右图所示，在其工作范围内，B B B BK K K KB B B Bx x x x，其中斜率，其中斜率，其中斜率，其中斜率K K K KB B B B为常数；为常数；为常数；为常数；霍尔元件固定在弹性元件上，霍尔元件固定在弹性元件上，霍尔元件固定在弹性元件上，霍尔元件固定在弹性元件上，因此霍尔元件在均匀梯度磁场因此霍尔元件在均匀梯度磁场因此霍尔元件在均匀梯度磁场因此霍尔元件在均匀梯度磁场中的位移也是中的位移也是中的位移也
23、是中的位移也是x x x x。这样，霍尔电势这样，霍尔电势这样，霍尔电势这样，霍尔电势U U U UH H H H与被测压力与被测压力与被测压力与被测压力P P P P之间的关系就可表示为之间的关系就可表示为之间的关系就可表示为之间的关系就可表示为U U U UH H H HK K K KH H H HIBIBIBIBK K K KH H H HIKIKIKIKB B B BK K K KP P P PP P P PKPKPKPKP式中式中式中式中 K K K KH H H HIKIKIKIKB B B BK K K KP P P PK K K K霍尔式压力传感器的输出灵敏度。霍尔式压力传感器
24、的输出灵敏度。霍尔式压力传感器的输出灵敏度。霍尔式压力传感器的输出灵敏度。二、将被测量转换为I与B的乘积右图为霍尔式单相交流功率计的基本电路。设输入电压BiRuicUHZL经过降压电阻R得到霍尔元件的控制电流负载ZL上的电流流过铁心线圈，产生垂直于霍尔平面的交变磁感应强度B，且B正比于i，即47霍尔输出电势uHKHiCB将前两式代入上式可得式中 K=KHK1K2常系数若求uH的平均值，则上式中cos（2t）为零，因此通过测出平均霍尔电势，即可求出负载ZL上的有功功率。48将图中的电阻改用电容C代替，则使iC产生90相移，同理可得 可见利用霍尔元件也可测量单相负载上的无功功率。 若使用三个串联的
25、霍尔元件和适当的电路，则可测量三相负载上的有功功率和无功功率。49本章小结1、在霍尔元件的平面法线方向施加磁感应强度B，经由控制电流引线通入控制电流，则由于洛仑兹力的作用，两个霍尔电极上出现相反极性载流子的积累，从而在霍尔电势输出引线之间产生霍尔电势UH，这一现象称为霍尔效应，并存在关系UHKHIB。KH称为霍尔元件的乘积灵敏度，它反映了霍尔元件的磁电转换能力。对于N型半导体，对于P型半导体，2、霍尔电势会受到温度变化的影响，一般用霍尔电势温度系数来表征，即在一定的I、B下，温度每变化1所引起的UH变化的百分率。为了减小，需要对基本测量电路进行温度补偿的改进。3、当通入额定直流控制电流IC而外磁场B0时，霍尔电势输出并不为零，而存在一个不等位电势UM，从而对测量结果造成误差。霍尔元件可以等效为一个电桥，UM产生的原因就归结为该电桥的不平衡。因此使用时，应对UM进行良好的补偿。51
