８.１霍爾元件的工作原理及結(jié)構(gòu)８.１.１霍爾效應(yīng)如圖８－１所示，一塊長(zhǎng)為ｌ、寬為ｂ、厚為ｄ的半導(dǎo)體，在外加磁場(chǎng)Ｂ作用下，當(dāng)有電流Ｉ流過時(shí)，運(yùn)動(dòng)電子受洛倫茲力的作用而偏向一側(cè)，使該側(cè)形成電子的積累，與它對(duì)立的側(cè)面由于電子濃度下降，出現(xiàn)了正電荷。這樣，在兩側(cè)面間就形成了一個(gè)電場(chǎng)。運(yùn)動(dòng)電子在受洛倫茲力的同時(shí)，又受電場(chǎng)力的作用，最后當(dāng)這兩力作用相等時(shí)，電子的積累達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，這時(shí)兩側(cè)之間建立電場(chǎng)，稱霍爾電場(chǎng)ＥＨ，相應(yīng)的電壓稱霍爾電壓ＵＨ，上述這種現(xiàn)象稱霍爾效應(yīng)。經(jīng)分析推導(dǎo)得霍爾電壓下一頁返回８.１霍爾元件的工作原理及結(jié)構(gòu)８.１.２霍爾元件的材料及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)根據(jù)霍爾效應(yīng)原理做成的器件叫作霍爾元件?；魻栐话悴捎镁哂校涡偷逆N、銻化銦和砷化銦等半導(dǎo)體單晶材料制成。銻化銦元件的輸出較大，但受溫度的影響也較大。鍺元件的輸出雖小，但它的溫度性能和線性度卻比較好。砷化銦元件的輸出信號(hào)沒有銻化銦元件大，但是受溫度的影響卻比銻化銦的要小，而且線性度也較好。因此，以砷化銦為霍爾元件的材料得到普遍應(yīng)用。上一頁下一頁返回８.１霍爾元件的工作原理及結(jié)構(gòu)霍爾元件結(jié)構(gòu)很簡(jiǎn)單，是一種半導(dǎo)體四端薄片，它由霍爾片、引線和殼體組成。霍爾片的相對(duì)兩側(cè)對(duì)稱地焊上兩對(duì)電極引出線，如圖８－２（ａ）所示。其中，一對(duì)（ａ、ｂ端）稱為激勵(lì)電流端；另外一對(duì)（ｃ、ｄ端）稱為霍爾電勢(shì)輸出端，引線焊接處要求接觸電阻小，而且呈現(xiàn)純電阻性質(zhì)（歐姆接觸）。霍爾片一般用非磁性金屬、陶瓷或環(huán)氧樹脂封裝。上一頁下一頁返回８.１霍爾元件的工作原理及結(jié)構(gòu)８.１.３霍爾元件的基本參數(shù)１.輸入電阻Ｒｉ霍爾元件兩激勵(lì)電流端的直流電阻稱為輸入電阻。它的數(shù)值從幾歐到幾百歐，視不同型號(hào)的元件而定。溫度升高，輸入電阻變小，從而使輸入電流變大，最終引起霍爾電勢(shì)變化。為了減少這種影響，最好采用恒流源作為激勵(lì)源。２.輸出電阻Ｒｏ兩個(gè)霍爾電勢(shì)輸出端之間的電阻稱為輸出電阻，它的數(shù)值與輸入電阻屬同一數(shù)量級(jí)，它也隨溫度改變而改變。選擇適當(dāng)?shù)呢?fù)載電阻ＲＬ與之匹配，可以使由溫度引起霍爾電勢(shì)的漂移減至最小。上一頁下一頁返回８.１霍爾元件的工作原理及結(jié)構(gòu)３.最大激勵(lì)電流ＩＭ由于霍爾電勢(shì)隨激勵(lì)電流增大而增大，故在應(yīng)用中總希望選用較大的激勵(lì)電流，但激勵(lì)電流增大，霍爾元件的功耗增大，元件的溫度升高，從而引起霍爾電勢(shì)的溫漂增大，因此每種型號(hào)的元件均規(guī)定了相應(yīng)的最大激勵(lì)電流，它的數(shù)值為幾毫安至幾百毫安。４.靈敏度ＫＨＫＨ＝ＥＨ／（Ｉ·Ｂ），它的數(shù)值約為１０ｍＶ／（ｍＡ·Ｔ）。５.最大磁感應(yīng)強(qiáng)度ＢＭ磁感應(yīng)強(qiáng)度為ＢＭ時(shí)，霍爾電勢(shì)的非線性誤差將明顯增大，ＢＭ的數(shù)量級(jí)一般為０.１Ｔ。上一頁下一頁返回８.１霍爾元件的工作原理及結(jié)構(gòu)６.不等位電勢(shì)在額定激勵(lì)電流下，當(dāng)外加磁場(chǎng)為零時(shí)，霍爾輸出端之間的開路電壓稱為不等位電勢(shì)，這是由于４個(gè)電極的幾何尺寸不對(duì)稱引起的，使用時(shí)多采用電橋法來補(bǔ)償不等位電勢(shì)引起的誤差。７.霍爾電勢(shì)溫度系數(shù)在一定磁場(chǎng)強(qiáng)度和激勵(lì)電流的作用下，溫度每變化１℃時(shí)霍爾電勢(shì)變化的百分?jǐn)?shù)稱為霍爾電勢(shì)溫度系數(shù)，它與霍爾元件的材料有關(guān)。上一頁返回８.２霍爾傳感器測(cè)量電路８.２.１基本電路及原理霍爾元件的基本電路如圖８－３所示。控制電流由電源Ｅ供給，ＲＰ為調(diào)節(jié)電阻，調(diào)節(jié)控制電流的大小?；魻栞敵龆私迂?fù)載Ｒｆ，Ｒｆ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(chǎng)與控制電流的作用下，負(fù)載上就有電壓輸出。在實(shí)際使用時(shí)，Ｉ或Ｂ或兩者同時(shí)作為信號(hào)輸入，而輸出信號(hào)則正比于Ｉ或Ｂ或兩者的乘積。下一頁返回８.２霍爾傳感器測(cè)量電路８.２.２溫度誤差及其補(bǔ)償１.溫度誤差霍爾元件測(cè)量的關(guān)鍵是霍爾效應(yīng)，而霍爾元件是由半導(dǎo)體制成的，因半導(dǎo)體對(duì)溫度很敏感，霍爾元件的載流子遷移率、電阻率和霍爾系數(shù)都隨溫度而變化，因而使霍爾元件的特性參數(shù)（如霍爾電勢(shì)和輸入、輸出電阻等）成為溫度的函數(shù)，導(dǎo)致霍爾傳感器產(chǎn)生溫度誤差。上一頁下一頁返回８.２霍爾傳感器測(cè)量電路２.溫度誤差的補(bǔ)償為了減小霍爾元件的溫度誤差，需要對(duì)基本測(cè)量電路進(jìn)行溫度補(bǔ)償?shù)母倪M(jìn)，可以采用的補(bǔ)償方法有許多種，常用的有以下方法：采用恒流源提供控制電流，選擇合理的負(fù)載電阻進(jìn)行補(bǔ)償，利用霍爾元件回路的串聯(lián)或并聯(lián)電阻進(jìn)行補(bǔ)償，也可以在輸入回路或輸出回路中加入熱敏電阻進(jìn)行溫度誤差的補(bǔ)償。上一頁下一頁返回８.２霍爾傳感器測(cè)量電路采用溫度補(bǔ)償元件是一種最常見的補(bǔ)償方法。圖８－４所示為采用熱敏電阻進(jìn)行補(bǔ)償?shù)膸追N補(bǔ)償方法。圖８－４（ａ）所示為輸入回路補(bǔ)償電路，銻化銦元件的霍爾輸出隨溫度升高而減小的因素，被控制電流的增加（熱敏電阻的阻值隨溫度升高而減?。┧a(bǔ)償。圖８－４（ｂ）所示為輸出回路補(bǔ)償電路，負(fù)載上得到的霍爾電勢(shì)隨溫度升高而減小的因素，被熱敏電阻阻值減小所補(bǔ)償。圖８－４（ｃ）所示為用正溫度系數(shù)的熱敏電阻進(jìn)行補(bǔ)償?shù)碾娐?。?２.３集成霍爾元件隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，目前霍爾元件多已集成化。集成霍爾元件有許多優(yōu)點(diǎn)，如體積小、靈敏度高、輸出幅度大、溫漂小且對(duì)電流穩(wěn)定性要求低等。上一頁下一頁返回８.２霍爾傳感器測(cè)量電路集成霍爾元件可分為線性型和開關(guān)型兩大類。前者是將霍爾元件和恒流源、線性放大器等做在一個(gè)芯片上，輸出電壓較高，使用非常方便，目前已得到廣泛的應(yīng)用，較典型的線性霍爾元件有ＵＧＮ３５０１等。開關(guān)型是將霍爾元件、穩(wěn)壓電路、放大器、施密特觸發(fā)器、ＯＣ門等電路做在同一個(gè)芯片上。當(dāng)外加磁場(chǎng)強(qiáng)度超過規(guī)定的工作點(diǎn)時(shí)，ＯＣ門由高電阻狀態(tài)變?yōu)閷?dǎo)通狀態(tài)，輸出變?yōu)榈碗娖?；?dāng)外加磁場(chǎng)低于釋放點(diǎn)時(shí)，ＯＣ門重新變?yōu)楦咦锠顟B(tài)，輸出高電平。這類器件中較為典型的有ＵＧＮ３０２０等。有一些開關(guān)型集成霍爾元件內(nèi)部還包括雙穩(wěn)態(tài)電路，這種元件的特點(diǎn)是必須施加相反極性的磁場(chǎng)，電路的輸出才能翻轉(zhuǎn)回到高電平，也就是說具有“鎖鍵”功能。上一頁下一頁返回８.２霍爾傳感器測(cè)量電路圖８－５、圖８－７所示分別為集成霍爾元件ＵＧＮ３５０１和ＵＧＮ３０２０的外形尺寸及內(nèi)部電路框圖，圖８－６、圖８－８分別為其輸出電壓與磁場(chǎng)的關(guān)系曲線。上一頁返回８.３霍爾傳感器的應(yīng)用８.３.１應(yīng)用類型霍爾傳感器是由霍爾元件與彈性敏感元件或永磁體結(jié)合而形成。它具有靈敏度高、體積小、質(zhì)量輕、無觸點(diǎn)、頻響寬（由直流到微波）、動(dòng)態(tài)特性好、可靠性高、壽命長(zhǎng)且價(jià)格低等優(yōu)點(diǎn)。因此，在磁場(chǎng)、電流及各種非電量測(cè)量、信息處理、自動(dòng)化技術(shù)等方面得到了廣泛的應(yīng)用，歸納起來，霍爾傳感器主要有下列３個(gè)方面的應(yīng)用類型。①利用霍爾電勢(shì)正比于磁感強(qiáng)度的特性來測(cè)量磁場(chǎng)及與之有關(guān)的電量和非電量。例如，磁場(chǎng)計(jì)、方位計(jì)、電流計(jì)、微小位移計(jì)、角度計(jì)、轉(zhuǎn)速計(jì)、加速度計(jì)、函數(shù)發(fā)生器、同步傳動(dòng)裝置、無刷直流電動(dòng)機(jī)和非接觸開關(guān)等。下一頁返回８.３霍爾傳感器的應(yīng)用②利用霍爾電勢(shì)正比于激勵(lì)電流的特性可制作回轉(zhuǎn)器、隔離器和電流控制裝置等。③利用霍爾電勢(shì)正比于激勵(lì)電流與磁感應(yīng)強(qiáng)度乘積的規(guī)律制成乘算器、除算器、乘方器、開方器和功率計(jì)等，也可以作混頻、調(diào)制、斬波和解調(diào)等用。８.３.２應(yīng)用舉例１.角位移測(cè)量?jī)x角位移測(cè)量?jī)x的結(jié)構(gòu)如圖８－９所示?；魻栐c被測(cè)物聯(lián)動(dòng)，而霍爾元件又在一個(gè)恒定的磁場(chǎng)中轉(zhuǎn)動(dòng)，于是霍爾電勢(shì)ＥＨ就反映了轉(zhuǎn)角θ的變化。不過，這個(gè)變化是非線性的（ＥＨ正比于ｓｉｎθ）。如要求ＥＨ與θ呈線性關(guān)系，必須采用特定形狀的磁極。上一頁下一頁返回８.３霍爾傳感器的應(yīng)用２.霍爾轉(zhuǎn)速表圖８－１０所示為霍爾轉(zhuǎn)速表的結(jié)構(gòu)。在被測(cè)轉(zhuǎn)速的轉(zhuǎn)軸上安裝一個(gè)齒盤，也可選取機(jī)械系統(tǒng)中的一個(gè)齒輪，將霍爾元件及磁路系統(tǒng)靠近齒盤，隨著齒盤的轉(zhuǎn)動(dòng)，磁路的磁阻也周期性地變化，測(cè)量霍爾元件輸出的脈沖頻率就可以確定被測(cè)物的轉(zhuǎn)速。３.霍爾功率計(jì)這是一種采用霍爾傳感器進(jìn)行負(fù)載功率測(cè)量的儀器，其工作原理如圖８－１１所示。由于負(fù)載功率等于負(fù)載電壓和負(fù)載電流之乘積，使用霍爾元件時(shí)，分別使負(fù)載電壓與磁感應(yīng)強(qiáng)度成比例，負(fù)載電流與控制電流成比例，顯然負(fù)載功率就正比于霍爾元件的霍爾電勢(shì)。上一頁下一頁返回８.３霍爾傳感器的應(yīng)用８.３.３霍爾元件的其他應(yīng)用１.霍爾式微壓力傳感器霍爾式微壓力傳感器的原理如圖８－１２所示。被測(cè)壓力ｐ使彈性波紋膜盒膨脹，帶動(dòng)杠桿向上移動(dòng)，從而使霍爾器件在磁路系統(tǒng)中運(yùn)動(dòng)，改變了霍爾器件感受的磁場(chǎng)大小及方向，引起霍爾電勢(shì)的大小和極性的改變。由于波紋膜盒及霍爾器件的靈敏度很高，所以可用于測(cè)量微小壓力的變化。上一頁下一頁返回８.３霍爾傳感器的應(yīng)用２.霍爾無觸點(diǎn)點(diǎn)火裝置傳統(tǒng)的汽車氣缸點(diǎn)火裝置使用機(jī)械式的分電器，存在著點(diǎn)火時(shí)間不準(zhǔn)確、觸點(diǎn)易磨損等缺點(diǎn)。采用霍爾開關(guān)無觸點(diǎn)晶體管點(diǎn)火裝置可以克服上述缺點(diǎn)，提高燃燒效率。霍爾無觸點(diǎn)點(diǎn)火裝置如圖８－１３所示，圖中的磁輪鼓代替了傳統(tǒng)的凸輪及白金觸點(diǎn)。發(fā)動(dòng)機(jī)主軸帶動(dòng)磁輪鼓轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，霍爾元件感受到的磁場(chǎng)的極性發(fā)生交替改變，它輸出一連串與氣缸活塞運(yùn)動(dòng)同步的脈動(dòng)信號(hào)去觸發(fā)晶體管功率開關(guān)，點(diǎn)火線圈二次側(cè)產(chǎn)生很高的感應(yīng)電壓，火花塞產(chǎn)生火花放電，完成氣缸點(diǎn)火過程。上一頁下一頁返回８.３霍爾傳感器的應(yīng)用３.霍爾元件在無刷直流電動(dòng)機(jī)中的應(yīng)用這是一種采用霍爾傳感器驅(qū)動(dòng)的無觸點(diǎn)直流電動(dòng)機(jī)，它的基本原理如圖８－１４所示。由圖８－１４可知，轉(zhuǎn)子是長(zhǎng)度為Ｌ的圓桶形永久磁鐵，并且以徑向極化，定子線圈分成４組，呈環(huán)形放入鐵芯內(nèi)側(cè)槽內(nèi)。當(dāng)轉(zhuǎn)子處于如圖８－１４中所示位置時(shí)，霍爾元件Ｈ１感應(yīng)到轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)，便有霍爾電勢(shì)輸出，其經(jīng)Ｔ４管放大后便使ＬＸ２通電，對(duì)應(yīng)定子鐵芯產(chǎn)生一個(gè)與轉(zhuǎn)子成９０°的超前激勵(lì)磁場(chǎng)，它吸引轉(zhuǎn)子逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)；當(dāng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)９０°以后，霍爾元件Ｈ２感應(yīng)到轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)，便有霍爾電勢(shì)輸出，其經(jīng)Ｔ２管放大后便使ＬＸ２通電，于是產(chǎn)生一個(gè)超前９０°的激勵(lì)磁場(chǎng)，它再吸引轉(zhuǎn)子逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)。上一頁下一頁返回８.３霍爾傳感器的應(yīng)用４.霍爾式接近開關(guān)霍爾式接近開關(guān)的工作原理如圖８－１５所示。在圖８－１５（ａ）中，磁極的軸線與霍爾器件的軸線在同一直線上。當(dāng)磁鐵隨運(yùn)動(dòng)部件移動(dòng)到距霍爾器件幾毫米時(shí)，霍爾器件的輸出由高電平變?yōu)榈碗娖剑?jīng)驅(qū)動(dòng)電路使繼電器吸合或釋放，運(yùn)動(dòng)部件停止移動(dòng)。在圖８－１５（ｂ）中，磁鐵隨運(yùn)動(dòng)部件沿ｘ方向