霍爾傳感器介紹第1頁/共68頁一、工作原理與特性

（一）霍爾效應(yīng)

通電的導(dǎo)體或半導(dǎo)體，在垂直于電流和磁場的方向上將產(chǎn)生電動勢的現(xiàn)象。+I+++++++++++－－－－－－Ｂlbd霍爾效應(yīng)原理圖UH第2頁/共68頁

設(shè)霍爾片的長度為l，寬度為b，厚度為d。又設(shè)電子以均勻的速度v運動，則在垂直方向施加的磁感應(yīng)強(qiáng)度B的作用下，它受到洛侖茲力e—電子電量(1.62×10-19C)；v—電于運動速度。同時，作用于電子的電場力

當(dāng)達(dá)到動態(tài)平衡時第3頁/共68頁

霍爾電勢UH與I、B的乘積成正比，而與d成反比。于是可改寫成：電流密度j=nev代入：

得：

RH—霍爾系數(shù)得到：第4頁/共68頁設(shè)KH=RH/d

KH—霍爾器件的靈敏度系數(shù)。它與載流材料的物理性質(zhì)和幾何尺寸有關(guān)，表示在單位磁感應(yīng)強(qiáng)度和單位控制電流時霍爾電勢的大小。

若磁感應(yīng)強(qiáng)度B的方向與霍爾器件的平面法線夾角為θ時，霍爾電勢應(yīng)為：UH＝KHIB

UH＝KHIBcosθ

注意：當(dāng)控制電流的方向或磁場方向改變時，輸出霍爾電勢的方向也改變。但當(dāng)磁場與電流同時改變方向時，霍爾電勢并不改變方向。第5頁/共68頁

具有上述霍爾效應(yīng)的元件稱為霍爾元件?；魻柺絺鞲衅骶褪怯苫魻栐M成。金屬材料中自由電子濃度n很高，因此RH很小，使輸出UH極小，不宜作霍爾元件。如果是P型半導(dǎo)體，載流子是空穴，若空穴濃度為p，同理可得UH＝IB/ped。一般電子遷移率大于空穴遷移率，因此霍爾元件多用N型半導(dǎo)體材料?；魻栐奖。磀越小），kH就越大，所以通常霍爾元件都較薄。薄膜霍爾元件厚度只有1μm左右。第6頁/共68頁(二)霍爾元件圖霍爾元件（a）外形結(jié)構(gòu)示意圖；（b）圖形符號

霍爾元件的外形如下圖所示，它是由霍爾片、4根引線和殼體組成。第7頁/共68頁(三)輸入電阻和輸出電阻

激勵電極間的電阻值稱為輸入電阻。霍爾電極輸出電勢對電路外部來說相當(dāng)于一個電壓源，其電源內(nèi)阻即為輸出電阻。以上電阻值是在磁感應(yīng)強(qiáng)度為零，且環(huán)境溫度在20℃±5℃時所確定的。第8頁/共68頁(四)基本電路

在實際應(yīng)用中，霍爾元件可以在恒壓或恒流條件下工作。霍爾元件的基本電路第9頁/共68頁a.恒壓工作恒壓條件下性能不好的主要原因：恒壓工作的控制電流：輸入電阻隨溫度變化第10頁/共68頁b.恒流工作由于輸入電阻的溫度系數(shù)大，偏移電壓的影響更為嚴(yán)重第11頁/共68頁c.差分放大需要差分放大的原因：霍爾元件的輸出電壓低，需要放大去除同相電壓，需要差分第12頁/共68頁A1、A2二個同相放大器組成差動式放大電路，輸入信號加在A1、A2的同相輸入端，從而具有高抑制共模干擾的能力和高輸入阻抗。功率放大器A3為后級，它不僅切斷共模干擾的傳輸，還將雙端輸入方式變換成單端輸出方式，以滿足負(fù)載的需要UaUb第13頁/共68頁霍爾傳感器輸出電壓是交流的情況：C1漏電流小，C2漏電流大，其差表現(xiàn)為偏移電壓。第14頁/共68頁C1,C2漏電流相等第15頁/共68頁第16頁/共68頁二、霍爾元件的誤差及其補(bǔ)償

由于制造工藝問題以及實際使用時所存在的各種影響霍爾元件性能的因素，如元件安裝不合理、環(huán)境溫度變化等，都會影響霍爾元件的轉(zhuǎn)換精度，帶來誤差。（一）霍爾元件的零位誤差及其補(bǔ)償霍爾元件的零位誤差包括不等位電動勢、寄生直流電動勢等。第17頁/共68頁1.不等位電動勢U0及其補(bǔ)償

不等位電動勢是零位誤差中最主要的一種。當(dāng)霍爾元件在額定控制電流(元件在空氣中溫升10℃所對應(yīng)的電流)作用下，不加外磁場時，霍爾輸出端之間的空載電勢，稱為不等位電動勢U0。

U0產(chǎn)生的原因是由于制造工藝不可能保證將兩個霍爾電極對稱地焊在霍爾片的兩側(cè)，致使兩電極點不能完全位于同一等位面上，如圖5-8a所示。此外霍爾片電阻率不均勻或片厚薄不均勻或控制電流極接觸不良都將使等位面歪斜，致使兩霍爾電極不在同一等位面上而產(chǎn)生不等位電動勢。a)兩電極點不在同一等位面上b)等位面歪斜

二、霍爾元件的誤差及其補(bǔ)償?shù)?8頁/共68頁

一般要求U0＜lmV。除了工藝上采取措施降低U0外,還需采用補(bǔ)償電路加以補(bǔ)償。由于霍爾元件可等效為一個四臂電橋，如圖5-9a所示，因此可在某一橋臂上并上一定電阻而將U0降到最小，甚至為零。第19頁/共68頁

圖5-9b中給出了幾種常用的不等位電動勢的補(bǔ)償電路，其中不對稱補(bǔ)償簡單，而對稱補(bǔ)償溫度穩(wěn)定性好。第20頁/共68頁2.寄生直流電動勢

當(dāng)霍爾元件通以交流控制電流而不加外磁場時，霍爾輸出除了交流不等位電動勢外，還有直流電動勢分量，稱為寄生直流電動勢。該電動勢是由于元件的兩對電極不是完全歐姆接觸而形成整流效應(yīng)，以及兩個霍爾電極的焊點大小不等、熱容量不同引起溫差所產(chǎn)生的。它隨時間而變化，導(dǎo)致輸出漂移。因此在元件制作和安裝時，應(yīng)盡量使電極歐姆接觸，并做到散熱均勻，有良好的散熱條件。另外，霍爾電極和激勵電極的引線布置不合理，也會產(chǎn)生零位誤差，也需予以注意。第21頁/共68頁（二）霍爾元件的溫度誤差及其補(bǔ)償

一般半導(dǎo)體材料的電阻率、遷移率和載流子濃度等都隨溫度而變化?；魻栐砂雽?dǎo)體材料制成，因此它的性能參數(shù)如輸入和輸出電阻、霍爾常數(shù)等也隨溫度而變化，致使霍爾電勢變化，產(chǎn)生溫度誤差。為了減小溫度誤差，除選用溫度系數(shù)較小的材料如砷化銦外，還可以采用適當(dāng)?shù)难a(bǔ)償電路。下面簡單介紹幾種溫度誤差的補(bǔ)償方法。第22頁/共68頁1.采用恒流源供電和輸入回路并聯(lián)電阻

為了減小霍爾元件的溫度誤差，除選用溫度系數(shù)小的元件或采用恒溫措施外，由UH=KHIB可看出：采用恒流源供電是個有效措施，可以使霍爾電勢穩(wěn)定。但也只能是減小由于輸入電阻隨溫度變化所引起的激勵電流I的變化的影響。

霍爾元件的靈敏系數(shù)KH也是溫度的函數(shù)，它隨溫度變化將引起霍爾電勢的變化?；魻栐撵`敏度系數(shù)與溫度的關(guān)系可寫成KH=KH0(1+αΔT)

（0）式中：KH0——溫度T0時的KH值；ΔT=T-T0——溫度變化量；

α——霍爾電勢溫度系數(shù)。第23頁/共68頁

大多數(shù)霍爾元件的溫度系數(shù)α是正值，它們的霍爾電勢隨溫度升高而增加αΔT倍。但如果同時讓激勵電流Is相應(yīng)地減小，并能保持KH·IH乘積不變，也就抵消了靈敏系數(shù)KH增加的影響。圖5-10就是按此思路設(shè)計的一個既簡單，補(bǔ)償效果又較好的補(bǔ)償電路。圖5-10恒流溫度補(bǔ)償電路

第24頁/共68頁

在圖5-10所示的溫度補(bǔ)償電路中，設(shè)初始溫度為T0，霍爾元件輸入電阻為Ri0，靈敏系數(shù)為KH0，分流電阻為Rp0，根據(jù)分流概念得：（1）圖5-10恒流溫度補(bǔ)償電路

第25頁/共68頁（1）當(dāng)溫度升至T時，電路中各參數(shù)變?yōu)椋海?）（3）

式中：δ——霍爾元件輸入電阻溫度系數(shù)；

β——分流電阻溫度系數(shù)。第26頁/共68頁則（4）

雖然溫度升高了ΔT，為使霍爾電勢不變，補(bǔ)償電路必須滿足溫升前、后的霍爾電勢不變，即UH0=UH，則KH0IH0B=KHIHB

（5）有KH0IH0=KHIH

（6）第27頁/共68頁KH=KH0(1+αΔT)

將以上三式（即式（0）、（1）、（4））代入KH0IH0=KHIH

經(jīng)整理并略去αβ(ΔT)2高次項后得（7）第28頁/共68頁（7）

當(dāng)霍爾元件選定后，它的輸入電阻Ri0和溫度系數(shù)δ及霍爾電勢溫度系數(shù)α是確定值。由式（7）即可計算出分流電阻Rp0及所需的溫度系數(shù)β值。為了滿足Rp0及β兩個條件，分流電阻可取溫度系數(shù)不同的兩種電阻的串、并聯(lián)組合，這樣雖然麻煩但效果很好。第29頁/共68頁2．合理選取負(fù)載電阻RL的阻值

霍爾元件的輸出電阻Ro和霍爾電勢UH都是溫度的函數(shù)（設(shè)為正溫度系數(shù)），當(dāng)霍爾元件接有負(fù)載RL（如放大器的輸入電阻）時，在RL上的電壓為式中，Ro0為溫度t0時的霍爾元件的輸出電阻為使負(fù)載上的電壓不隨溫度而變化，應(yīng)使dUL/d(t-t0)=0，即

可采用串、并聯(lián)電阻的方法使上式成立來補(bǔ)償溫度誤差。但霍爾元件的靈敏度將會降低。第30頁/共68頁3．采用恒壓源和輸入回路串聯(lián)電阻

當(dāng)霍爾元件采用穩(wěn)壓電源供電，且霍爾輸出開路狀態(tài)下工作時，可在輸入回路中串入適當(dāng)?shù)碾娮鑱硌a(bǔ)償溫度誤差。其分析過程與結(jié)果同式（5-5）即：第31頁/共68頁3．采用溫度補(bǔ)償元件（如熱敏電阻、電阻絲）

這是一種常用的溫度誤差的補(bǔ)償方法，尤其適用于銻化銦材料的霍爾元件，圖5-11示出了幾種不同連接方式的例子。

熱敏電阻Rt具有負(fù)溫度系數(shù)，電阻絲具有正溫度系數(shù)。圖a、b、c中霍爾元件材料為銻化銦，其霍爾輸出具有負(fù)溫度系數(shù)。圖d為用Rt補(bǔ)償霍爾輸出具有正溫度系數(shù)的溫度誤差。使用時要求這些熱敏元件盡量靠近霍爾元件，使它們具有相同的溫度變化。第32頁/共68頁4．霍爾元件不等位電動勢Uo的溫度補(bǔ)償U(kuò)0受溫度的影響，可采用如圖5-12所示的橋路補(bǔ)償法。

圖中RP用來補(bǔ)償U(kuò)0。在霍爾輸出端串入溫度補(bǔ)償電橋，Rt是熱敏電阻。橋路輸出隨溫度變化的補(bǔ)償電壓與霍爾輸出的電壓相加作為傳感器輸出。細(xì)心調(diào)節(jié)，在±40℃范圍內(nèi)補(bǔ)償效果很好。第33頁/共68頁

應(yīng)該指出，霍爾元件因通入控制電流I而有溫升，且I變動，溫升改變，都會影響元件的內(nèi)阻和霍爾輸出。為使溫升不超過所需值，必須對霍爾元件的額定控制電流加以限制，尤其在安裝元件時要盡量做到散熱情況良好，只要有可能應(yīng)選用面積大些的元件，以降低其溫升。若將硅霍爾元件與放大電路、溫度補(bǔ)償電路等集成在一起制成集成霍爾傳感器，則具有性能優(yōu)良、使用方便、體積小、成本低、輸出功率大和輸出電壓高等優(yōu)點，是應(yīng)用最為廣泛的集成傳感器之一。第34頁/共68頁三．應(yīng)用（一）霍爾式位侈傳感器保持霍爾元件的控制電流恒定，而使霍爾元件在一個均勻梯度的磁場中沿x方向移動如圖5-13所示。則輸出的霍爾電勢為:k：位移傳感器的靈敏度第35頁/共68頁

霍爾電勢的極性表示了元件位移的方向。磁場梯度越大，靈敏度越高；磁場梯度越均勻，輸出線性度就越好。為了得到均勻的磁場梯度，往往將磁鋼的磁極片設(shè)計成特殊形狀，如圖5-14b所示。這種位移傳感器可用來測量±0.5mm的小位移，特別適用于微位移、機(jī)械振動等測量。若霍爾元件在均勻磁場內(nèi)轉(zhuǎn)動，則產(chǎn)生與轉(zhuǎn)角的正弦函數(shù)成比例的霍爾電壓，因此可用來測量角位移。第36頁/共68頁奧迪A6上的工程應(yīng)用

在出廠之前，每部車的點火提前角都調(diào)在標(biāo)準(zhǔn)范圍之間，GOL是6-12度，在這里面的都是正常的，太小，發(fā)動機(jī)沒有力氣，太大要引起發(fā)動機(jī)爆震。所以說,越接近12度越有爆發(fā)力，但不能超過12度。點火提前角不是不變的，隨著轉(zhuǎn)速變化而變化。應(yīng)用：霍爾傳感器安裝于發(fā)動機(jī)缸體上，感知發(fā)動機(jī)爆燃情況，將信號反饋給控制單元，適當(dāng)?shù)臏p小點火提前角，防止發(fā)動機(jī)爆震燃燒。第37頁/共68頁（二）霍爾式壓力傳感器

任何非電量只要能轉(zhuǎn)換成位移量的變化，均可利用霍爾式位移傳感器的原理變換成霍爾電勢?；魻柺綁毫鞲衅骶褪瞧渲械囊环N，如圖5-14a所示。它首先由彈性元件（可以是波登管或膜盒）將被測壓力變換成位移，由于霍爾元件固定在彈性元件的自由端上，因此彈性元件產(chǎn)生位移時將帶動霍爾元件，使它在線性變化的磁場中移動，從而輸出霍爾電勢。第38頁/共68頁檢測磁場(數(shù)字高斯計）

用霍爾線性器件作探頭，測量6T～10T的交變和恒定磁場，已有許多商品儀器。概述HT20系列手持式數(shù)字高斯計/特斯拉計可用于測量直流磁場、交流磁場、輻射磁場等各類磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度。該儀器可以隨身攜帶，量程范圍寬，操作方便，液晶顯示清晰。電源為一節(jié)9V干電池，可連續(xù)使用20小時。應(yīng)用范圍永磁材料表面磁場、直流電機(jī)、揚聲器、磁選機(jī)、永磁除鐵器的工作磁場。第39頁/共68頁霍爾特斯拉計（高斯計）

霍爾元件第40頁/共68頁霍爾高斯計（特斯拉計）的使用

霍爾元件磁鐵第41頁/共68頁霍爾傳感器用于測量磁場強(qiáng)度

霍爾元件測量鐵心氣隙的B值第42頁/共68頁電流傳感器

當(dāng)電流流過導(dǎo)線時，將在導(dǎo)線周圍產(chǎn)生磁場，磁場大小與流過導(dǎo)線的電流大小成正比，這一磁場可以通過軟磁材料來聚集，然后用霍爾器件進(jìn)行檢測。既可測直流也可測交流?？ㄐ坞娏饔嫷慕Y(jié)構(gòu)

第43頁/共68頁霍爾電流傳感器演示鐵心

線性霍爾ICII

UH=KHIB

第44頁/共68頁

在霍爾器件背后偏置一塊永久磁體，并將它們和相應(yīng)的處理電路裝在一個殼體內(nèi)，做成一個探頭，將霍爾器件的輸入引線和處理電路的輸出引線用電纜連接起來，構(gòu)成霍爾接近傳感器。霍爾線性接近傳感器主要用于黑色金屬的自控計數(shù)，黑色金屬的厚度檢測、距離檢測、齒輪數(shù)齒、轉(zhuǎn)速檢測、測速調(diào)速、缺口傳感、張力檢測、棉條均勻檢測、電磁量檢測、角度檢測等。

霍爾接近傳感器和接近開關(guān)第45頁/共68頁

當(dāng)磁性物件移近霍爾開關(guān)時，開關(guān)檢測面上的霍爾元件因產(chǎn)生霍爾效應(yīng)而使開關(guān)內(nèi)部電路狀態(tài)發(fā)生變化，由此識別附近有磁性物體存在，進(jìn)而控制開關(guān)的通或斷。這種接近開關(guān)的檢測對象必須是磁性物體?；魻柦咏_關(guān)主要用于各種自動控制裝置，完成所需的位置控制，加工尺寸控制、自動計數(shù)、各種計數(shù)、各種流程的自動銜接、液位控制、轉(zhuǎn)速檢測等等?；魻栭_關(guān)具有無觸電、低功耗、長使用壽命、響應(yīng)頻率高等特點，內(nèi)部采用環(huán)氧樹脂封灌成一體化，所以能在各類惡劣環(huán)境下可靠的工作。第46頁/共68頁霍爾傳感器的引申學(xué)習(xí)第47頁/共68頁

霍爾開關(guān)集成傳感器是利用霍爾效應(yīng)與集成電路技術(shù)結(jié)合而制成的一種磁敏傳感器，它能感知一切與磁信息有關(guān)的物理量，并以開關(guān)信號形式輸出?；魻栭_關(guān)集成傳感器具有使用壽命長、無觸點磨損、無火花干擾、無轉(zhuǎn)換抖動、工作頻率高、溫度特性好、能適應(yīng)惡劣環(huán)境等優(yōu)點。引申一：霍爾開關(guān)集成傳感器第48頁/共68頁

由穩(wěn)壓電路、霍爾元件、放大器、整形電路、開路輸出五部分組成。穩(wěn)壓電路可使傳感器在較寬的電源電壓范圍內(nèi)工作；開路輸出可使傳感器方便地與各種邏輯電路接口。1．霍爾開關(guān)集成傳感器的結(jié)構(gòu)及工作原理霍爾開關(guān)集成傳感器內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖23輸出+－穩(wěn)壓VCC1霍爾元件放大BT整形地H第49頁/共68頁2．霍爾開關(guān)集成傳感器的工作特性曲線

從工作特性曲線上可以看出，工作特性有一定的磁滯BH，這對開關(guān)動作的可靠性非常有利。圖中的BOP為工作點“開”的磁感應(yīng)強(qiáng)度，BRP為釋放點“關(guān)”的磁感應(yīng)強(qiáng)度?；魻栭_關(guān)集成傳感器的工作特性曲線VOUT/V12ONOFFBRPBOPBHB霍爾開關(guān)集成傳感器的技術(shù)參數(shù)：工作電壓、磁感應(yīng)強(qiáng)度、輸出截止電壓、輸出導(dǎo)通電流、工作溫度、工作點。0

該曲線反映了外加磁場與傳感器輸出電平的關(guān)系。當(dāng)外加磁感強(qiáng)度高于BOP時，輸出電平由高變低，傳感器處于開狀態(tài)。當(dāng)外加磁感強(qiáng)度低于BRP時，輸出電平由低變高，傳感器處于關(guān)狀態(tài)。第50頁/共68頁3．霍爾開關(guān)集成傳感器的應(yīng)用（1）霍爾開關(guān)集成傳感器的接口電路第51頁/共68頁①磁鐵軸心接近式

在磁鐵的軸心方向垂直于傳感器并同傳感器軸心重合的條件下，霍爾開關(guān)集成傳感器的L1-B關(guān)系曲線NSAlNiCo

磁鐵Ф6.4×320.100.080.060.040.0202.557.51012.51517.520距離L1/mmB/TL1隨磁鐵與傳感器的間隔距離的增加,作用在傳感器表面的磁感強(qiáng)度衰減很快。當(dāng)磁鐵向傳感器接近到一定位置時,傳感器開關(guān)接通,而磁鐵移開到一定距離時開關(guān)關(guān)斷。應(yīng)用時,如果磁鐵已選定,則應(yīng)按具體的應(yīng)用場合,對作用距離作合適的選擇。

（2）給傳感器施加磁場的方式第52頁/共68頁

②磁鐵側(cè)向滑近式

要求磁鐵平面與傳感器平面的距離不變，而磁鐵的軸線與傳感器的平面垂直。磁鐵以滑近移動的方式在傳感器前方通過?；魻栭_關(guān)集成傳感器的L2-B關(guān)系曲線0.100.080.060.040.0202.557.51012.51517.520B/TNS空隙2.05AlNiCo磁鐵Ф6.4×32L2距離L2/mm第53頁/共68頁

霍爾開關(guān)集成傳感器的應(yīng)用領(lǐng)域：點火系統(tǒng)、保安系統(tǒng)、轉(zhuǎn)速、里程測定、機(jī)械設(shè)備的限位開關(guān)、按鈕開關(guān)、電流的測定與控制、位置及角度的檢測等等。4.霍爾開關(guān)集成傳感器的應(yīng)用領(lǐng)域第54頁/共68頁1．霍爾線性集成傳感器的結(jié)構(gòu)及工作原理

霍爾線性集成傳感器的輸出電壓與外加磁場成線性比例關(guān)系。這類傳感器一般由霍爾元件和放大器組成，當(dāng)外加磁場時,霍爾元件產(chǎn)生與磁場成線性比例變化的霍爾電壓,經(jīng)放大器放大后輸出。在實際電路設(shè)計中，為了提高傳感器的性能，往往在電路中設(shè)置穩(wěn)壓、電流放大輸出級、失調(diào)調(diào)整和線性度調(diào)整等電路。

霍爾開關(guān)集成傳感器的輸出有低電平或高電平兩種狀態(tài)，而霍爾線性集成傳感器的輸出卻是對外加磁場的線性感應(yīng)。因此霍爾線性集成傳感器廣泛用于位置、力、重量、厚度、速度、磁場、電流等的測量或控制?；魻柧€性集成傳感器有單端輸出和雙端輸出兩種，其電路結(jié)構(gòu)如下圖。引申二霍爾線性集成傳感器第55頁/共68頁單端輸出傳感器的電路結(jié)構(gòu)框圖23輸出+－穩(wěn)壓VCC1霍爾元件放大地H穩(wěn)壓H3VCC地4輸出輸出18675

雙端輸出傳感器的電路結(jié)構(gòu)框圖

單端輸出的傳感器是一個三端器件，它的輸出電壓對外加磁場的微小變化能做出線性響應(yīng)，通常將輸出電壓用電容交連到外接放大器，將輸出電壓放大到較高的電平。其典型產(chǎn)品是SL3501T。

雙端輸出的傳感器是一個8腳雙列直插封裝的器件，它可提供差動射極跟隨輸出，還可提供輸出失調(diào)調(diào)零。其典型產(chǎn)品是SL3501M。第56頁/共68頁2．霍爾線性集成傳感器的主要技術(shù)特性(1)

傳感器的輸出特性如下圖：

磁感應(yīng)強(qiáng)度B/T5.64.63.62.61.6-0.3-0.2-0.100.10.20.3輸出電壓U/VSL3501T傳感器的輸出特性曲線第57頁/共68頁2．霍爾線性集成傳感器的主要技術(shù)特性(2)

傳感器的輸出特性如下圖：

SL3501M傳感器的輸出特性曲線2.52.01.51.00.50.040.080.120.160.200.24輸出