第七章霍爾傳感器及應用霍爾元件的結構及工作原理霍爾元件的特性參數(shù)及誤差霍爾集成電路本章內(nèi)容霍爾傳感器的應用§1§3§2§4§1霍爾元件的結構及工作原理金屬或半導體薄片置于磁感應強度為B的磁場（磁場方向垂直于薄片）中，如圖7-1所示。當有電流I流過時，在垂直于電流和磁場的方向上將產(chǎn)生電動勢UH，這種物理現(xiàn)象稱為霍爾效應。當|FL|＝|FE|時,電子的積累達到平衡。這時在半導體薄片的前后端面之間建立的電勢就是霍爾電動勢UH，其大小可用下式表示:由于外磁場B的存在，將使電子受到洛侖茲力FL

后端面帶負電，前端面帶正電

一、霍爾效應的工作原理

霍爾電動勢的大小正比于輸入電流I和磁感應強度B

。KH與組件材料的性質(zhì)和幾何尺寸有關,在實際應用中，一般都采用N型半導體材料做霍爾元件。

當磁感應強度B和霍爾元件平面法線成一角度θ時，作用在霍爾元件上的有效磁場是其法線方向的分量（即Bcosθ）。RH——霍爾常數(shù)（m3/C）

I——控制電流（A）B——磁感應強度（B)d—霍爾元件的厚度（m）二、霍爾元件的結構

在長邊的兩個端面上焊有兩根控制電流端引線（見圖中1，1′），在元件短邊的中間以點的形式焊有兩根霍爾電壓輸出端引線（見圖中2，2′）。要求焊接處接觸電阻很小，并呈純電阻，即歐姆接觸（無PN結）。一、霍爾元件的主要特性參數(shù)

１.輸入電阻Ｒi：霍爾元件兩控制電流端之間的等效電阻。２.輸出電阻Ｒo：兩個霍爾電動勢輸出端之間的等效電阻。３.靈敏度ＫＨ：指元件在單位磁感應強度和單位控制電流下所產(chǎn)生的霍爾電動勢。４.不等位電動勢Ｕo：在額定控制電流作用下，無外加磁場時，兩霍爾輸出端之間的開路電壓。５.不等位電阻ro：不等位電動勢與額定控制電流之比?！?

霍爾元件的特性參數(shù)及其誤差二、霍爾元件的誤差１）零位誤差

不等位電動勢寄生直流電動勢感應零電動勢自激場零電動勢２）溫度誤差注意：不等位電動勢是霍爾零位誤差中最主要的一種?！?霍爾集成電路一、霍爾元件的常用電路

國產(chǎn)器件常用H代表霍爾元件，后面的字母代表元件的材料，數(shù)字代表產(chǎn)品的序號。如HZ-1元件，說明是用鍺材料制成的霍爾元件；HT-1元件，說明是用銻化銦材料制成的元件。

霍爾元件的基本電路RL可以是一般電阻，也可以是放大器的輸入電阻或指示器內(nèi)阻。在磁場與控制電流的作用下，負載上就有電壓輸出。建立霍爾效應的所需的時間很短（約10-12～10-14s）,因此控制電流用交流時，控制電流的頻率也可以很高。

1．恒流工作電路在恒流工作條件下，沒有霍爾元件輸入電阻和磁阻效應的影響。

溫度變化引起霍爾元件的輸入電阻變化，從而使控制電流發(fā)生變化帶來誤差，為了減少這種誤差，常采用恒流源供電。

2．恒壓工作電路恒壓工作比恒流工作的性能要差些，只適用于精度要求不太高的地方。

3．差分放大電路

霍爾元件的輸出電壓一般較小，需要用放大電路放大其輸出電壓。為了獲得較好的放大效果，需采用差分放大電路。

使用一個運算放大器時，霍爾元件的輸出電阻可能會大于運算放大器的輸入電阻，從而產(chǎn)生誤差，而采用右圖所示的電路，則不存在這個問題。二、霍爾集成電路

（一）霍爾開關集成傳感器

它能感知一切與磁信息有關的物理量，并以開關形式輸出。

它主要由穩(wěn)壓電源、霍爾組件、放大器、整形電路、輸出電路五部分組成。圖中的BOP為工作點“開”的磁感應強度，BRP為釋放點“關”的磁感應強度。當外加磁感應強度高于BOp時，輸出電平由高變低，傳感器處于開狀態(tài)。當外加磁感應強度低于BRP時，輸出電平由低變高，傳感器處于關狀態(tài)。

從工作曲線上看，工作特性有一定的磁滯，這對開關動作的可靠性是非常有利的。（二）霍爾線形傳感器

霍爾線形傳感器的輸出電壓與外加磁場強度呈線形比例關系。這類傳感器一般由霍爾元件和放大器組成。

當外加磁場時,霍爾元件產(chǎn)生與磁場成線性比例變化關系的霍爾電壓,經(jīng)放大器放大后輸出。

霍爾線性傳感器有單端輸出和雙端輸出兩種。UGN-3501T

是一種塑料扁平封裝的三端元件，它有T、U兩種型號，T型與U型的區(qū)別僅是厚度的不同，T型厚度為2.03mm，U型厚度為1.54mm。

單端輸出UGN-3501M

雙端輸出線形集成電路UGN-3501M采用8腳封裝。1、8兩腳為輸出，5、6、7三腳之間接一個電位器，對不等位電動勢進行補償。

雙端輸出§4霍爾傳感器的應用一、磁場測量

磁場測量的方法很多，其中應用比較普遍的是以霍爾元件作為探頭的特斯拉計（或稱高斯計、磁強計）。鍺和砷化鎵器件的霍爾電動勢溫度系數(shù)小，線性范圍大，適合于用作測量磁場的探頭。把探頭放在待測磁場中，探頭的磁敏感面與磁場方向垂直，控制電流恒定，則輸出霍爾電動勢UH正比于磁場B，故可以利用它來測量磁場。二、霍爾壓力傳感器

當輸入壓力增加時，彈簧伸長，使處于恒定梯度磁場中的霍爾元件產(chǎn)生相應的位移，從霍爾元件輸出的電壓的大小即可反映出壓力的大小。

圖中作為壓力敏感元件的彈簧片，其一端固定，另一端安裝著霍爾元件。三、霍爾電流傳感器

用一環(huán)形導磁材料作成磁芯，套在被測電流流過的導線上，將導線中電流感生的磁場聚集起來，在磁芯上開一氣隙，內(nèi)置一個霍爾線性器件，器件通電后，便可由它輸出的霍爾電壓得出導線中流通電流的大小。零磁通式將霍爾器件的輸出電壓進行放大，再經(jīng)電流放大后，讓這個電流通過補償線圈，并令補償線圈產(chǎn)生的磁場和被測電流產(chǎn)生的磁場方向相反。當達到磁平衡時，即可由IS及匝數(shù)比N2/N1得到IO。若滿足條件ION1=ISN2，則磁芯中的磁通為0，這時下式成立：四、霍爾傳感器用于角度檢測

將霍爾元件置于永久磁鐵的磁場中。其霍爾元件的輸出與成正比，即：霍爾元件的輸出由A1放大，在反饋回路中采用2500PPM的熱敏電阻作溫度補償，用來補償霍爾元件及磁鋼的溫度系數(shù)所引起的誤差。輸出的信號可以采用S/D（同步/數(shù)字）轉換器，將模擬信號轉換成BCD碼輸出

五、轉速測量

利用霍爾元件的開關特性可對轉速進行測量。

霍爾元件粘貼在永久磁鐵表面，即安放在齒輪與永久磁鐵中間，并通以恒定的電流。隨著齒輪的轉動，磁通量發(fā)生周期性變化，霍爾元件輸出一系列脈沖信號。旋轉一周的脈沖數(shù)，等于齒輪的齒數(shù)，因此通過對脈沖信號的頻率即可測得旋轉齒輪的轉速。六、霍爾無刷電機

1．由于無電刷，沒有磨損問題，壽命長