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1、7.4 霍耳传感器霍耳传感器是利用霍耳效应将被测非电量转换为电量的是利用霍耳效应将被测非电量转换为电量的一种传感器。一种传感器。特点：灵敏度高，线性好，稳定性高，体积小，耐高温。特点：灵敏度高，线性好，稳定性高，体积小，耐高温。霍耳式传感器霍耳式传感器 7.4.1 7.4.1 霍耳效应霍耳效应 霍霍耳耳传传感感器器就就是是基基于于霍霍耳耳效效应应，把把一一个个导导体体（半半导导体体薄薄片片）两两端端通通以以控控制制电电流流，在在与与电电流流不不同同的的方方向向施施加加磁磁感感强强度度B B的的磁磁场场，在在薄薄片片的的另另外外两两侧侧会会产产生生一一个个与与控控制制电电流流和磁场强度和磁场强度
2、B B的乘积成比例的电动势的乘积成比例的电动势 。通通电电的的导导体体（半半导导体体）放放在在磁磁场场中中，电电流流与与磁磁场场B B方方向向不不同同时时，在在导导体体另另外外两两侧侧会会产产生生感感应应电电动动势势，这这种种现现象象称霍耳效应。称霍耳效应。霍耳式传感器霍耳式传感器 霍耳效应是由于运动电荷受磁场力霍耳效应是由于运动电荷受磁场力（洛伦兹力）和电场力共同（洛伦兹力）和电场力共同作用的结果。作用的结果。一块长度为一块长度为b、宽度为、宽度为a、厚度为厚度为d的的P型半导体薄片，型半导体薄片，将它置于磁场强度为将它置于磁场强度为B的的磁场静止不动，当磁场静止不动，当y轴方向有电流轴方向
3、有电流I I流动时，则有一个负流动时，则有一个负电子与电流反向以速度电子与电流反向以速度v运动，如图：运动，如图：7.4.1.1 7.4.1.1 洛伦兹力的形成洛伦兹力的形成 由磁场理论，带电导体（电子）在磁场运动将受磁场力的由磁场理论，带电导体（电子）在磁场运动将受磁场力的作用，其大小为作用，其大小为由矢量运算法则得大小为由矢量运算法则得大小为霍耳式传感器霍耳式传感器 洛伦兹力的方向由以下因素决定：洛伦兹力的方向由以下因素决定：1）决定于）决定于v和和B之间的夹角之间的夹角2）决定于电荷）决定于电荷Q的符号的符号3）用左）用左 手螺旋定则判定手螺旋定则判定若将取为电子，若将取为电子，Qe，则
4、，则电子以速度电子以速度v与电流相反的方向运动的同时，因切割磁力线与电流相反的方向运动的同时，因切割磁力线而产生洛伦兹力使电子的运动轨道发生偏转，后面不断积累而产生洛伦兹力使电子的运动轨道发生偏转，后面不断积累电子，前面因失去电子而带正电荷。电子，前面因失去电子而带正电荷。7.4.1.2 7.4.1.2 电场力的形成电场力的形成 由于前后不断积累正、负电荷而形成电场强度由于前后不断积累正、负电荷而形成电场强度E E，于是有，于是有霍耳式传感器霍耳式传感器 霍耳霍耳传感器传感器 7.4.1.3 7.4.1.3 霍耳电势的形成霍耳电势的形成 当作用于负电子上的两个反向力相等时，电子积累过程达当作用
5、于负电子上的两个反向力相等时，电子积累过程达到平衡，此时到平衡，此时FeFeF FL L即：即：EeEeevBsinaevBsina E=E=vBsina所以所以ABAB前后两面形成的电势为前后两面形成的电势为霍耳电势为：霍耳电势为：通过（半）导体薄片的电流通过（半）导体薄片的电流I与载流子浓度与载流子浓度n，电子运动速度电子运动速度v，薄片横截面积，薄片横截面积 a*d 有关：有关：由霍耳传感器的工作原理式得：由霍耳传感器的工作原理式得：1 1）U UH HB B 2）UH H1/d3）UH的方向与的方向与B有关有关4）UH的灵敏度为的灵敏度为5）霍耳系数）霍耳系数霍耳式传感器霍耳式传感器
6、讨论：讨论：任何材料在一定条件下都能产生霍尔电势，但不任何材料在一定条件下都能产生霍尔电势，但不 是都可以制造霍尔元件。是都可以制造霍尔元件。绝缘材料电阻率很大，电子迁移率很小，不适用；绝缘材料电阻率很大，电子迁移率很小，不适用；金属材料电子浓度很高，金属材料电子浓度很高，R RH H很小，很小，U UH H很小。很小。半导体电子迁移率一般大于空穴的迁移率，所以半导体电子迁移率一般大于空穴的迁移率，所以 霍尔元件多采用霍尔元件多采用N N型半导体（多电子）。型半导体（多电子）。v由上式可见，厚度由上式可见，厚度d d越小，霍尔灵敏度越小，霍尔灵敏度 K KH H 越大，越大，所以霍尔元件做的较
7、薄，通常近似所以霍尔元件做的较薄，通常近似1 1微米。微米。霍耳式传感器霍耳式传感器 7.5 7.5 霍耳元件的符号、基本电路、霍耳元件霍耳元件的符号、基本电路、霍耳元件 的组合使用及输出电路的组合使用及输出电路 7.5.1 7.5.1 符号和基本电路符号和基本电路 霍耳式传感器霍耳式传感器 7.5.2 7.5.2 组合使用电路组合使用电路 控制端并联，输出端串联控制端并联，输出端串联 霍耳式传感器霍耳式传感器 7.5.3 7.5.3 霍耳电势的输出电路霍耳电势的输出电路 霍耳器件本身是一个四端口器件，本身不带放大器。霍耳片霍耳器件本身是一个四端口器件，本身不带放大器。霍耳片每片输出电势为毫伏
8、级，在实际使用时必须加差分放大器。每片输出电势为毫伏级，在实际使用时必须加差分放大器。霍耳元件的输出电路可分为线性电路和开关电路，霍耳元件的输出电路可分为线性电路和开关电路，线性电路通常选用灵敏度低一点，不等电位小的、稳定性和线性电路通常选用灵敏度低一点，不等电位小的、稳定性和线性好的霍耳元件。开关电路一般选用放大器和灵敏度高的线性好的霍耳元件。开关电路一般选用放大器和灵敏度高的霍耳元件。霍耳元件。霍耳式传感器霍耳式传感器 霍尔接近开关霍尔接近开关线性霍尔元件 霍耳式传感器霍耳式传感器 7.6 7.6 霍耳元件的测量误差及补偿霍耳元件的测量误差及补偿 霍耳元件在使用中，存在多种因素影响测量精度
9、。主要有霍耳元件在使用中，存在多种因素影响测量精度。主要有两类：半导体制造工艺和半导体固有特性。其表现为由零两类：半导体制造工艺和半导体固有特性。其表现为由零位误差和温度误差而引起的测量误差。位误差和温度误差而引起的测量误差。7.6.1 零位误差及补偿零位误差及补偿 霍耳元件的零位误差是加控制电流而不加磁场时出现的霍耳霍耳元件的零位误差是加控制电流而不加磁场时出现的霍耳电势。电势。产生的主要原因产生的主要原因1)不等位电势及补偿不等位电势及补偿霍耳式传感器霍耳式传感器 （1）当）当A、B极处于同一等电位面上时，电桥平衡，则不等极处于同一等电位面上时，电桥平衡，则不等电位电位（2）当）当A A、
10、B B极不处于同一等电位面上时，根据两点电位高低极不处于同一等电位面上时，根据两点电位高低，判断应在某一臂上并联一个电阻，使电桥平衡。，判断应在某一臂上并联一个电阻，使电桥平衡。常用的不等位电势补偿电路常用的不等位电势补偿电路B霍耳式传感器霍耳式传感器 霍耳式传感器霍耳式传感器 2 2）寄生直流电势误差）寄生直流电势误差产生寄生直流电势的主要原因是：控制极与霍尔极元件接触不产生寄生直流电势的主要原因是：控制极与霍尔极元件接触不良，形成非欧姆接触；良，形成非欧姆接触；2 2个霍尔电极大小不对称，使个霍尔电极大小不对称，使2 2个电极的个电极的热容量不同，散热状态不同，两极间出现温差电势，使霍尔元
11、热容量不同，散热状态不同，两极间出现温差电势，使霍尔元件产生温漂所致。件产生温漂所致。3 3）感应零位电势误差）感应零位电势误差霍尔元件在交流或脉动磁场中工作时，即使不加控制电流，由霍尔元件在交流或脉动磁场中工作时，即使不加控制电流，由于霍尔极分布不对称，霍尔端也有一定输出，其大小正比于磁于霍尔极分布不对称，霍尔端也有一定输出，其大小正比于磁场的脉动频率、磁感应强度的幅值和两霍尔电极引线构成的感场的脉动频率、磁感应强度的幅值和两霍尔电极引线构成的感应面积。应面积。4 4）自励磁场零位电势误差）自励磁场零位电势误差当霍尔元件通以控制电流时，此电流也会产生磁场，称自励磁当霍尔元件通以控制电流时，此
12、电流也会产生磁场，称自励磁场。当电极引线不对称时，元件两边磁感应强度不相等，将有场。当电极引线不对称时，元件两边磁感应强度不相等，将有自励场的零位电势输出。自励场的零位电势输出。霍耳式传感器霍耳式传感器 7.6.2 7.6.2 霍耳元件的温度误差及补偿霍耳元件的温度误差及补偿 霍尔元件是半导体元件，它的许多参数与温度有关。当霍尔元件是半导体元件，它的许多参数与温度有关。当温度温度T T变化时，载流子浓度变化时，载流子浓度n n、迁移率、迁移率、电阻率、电阻率，霍，霍尔系数尔系数R RH H 都会变化。以下是几种补偿方法：都会变化。以下是几种补偿方法：恒流源补偿：恒流源补偿：由由 U UH H=
13、K=KH HIB IB 可见恒流源供电可使可见恒流源供电可使U UH H稳定但灵敏度系数稳定但灵敏度系数 K KH H=R=RH H/d=1/ned/d=1/ned也是温度的函数：也是温度的函数：霍耳式传感器霍耳式传感器 u具体补偿方法具体补偿方法:在霍尔元件上并联一在霍尔元件上并联一R R0 0分流，分流，当当T T增大时增大时RiRi增大增大UUH H 增大增大 H H 减小减小0 0增大增大UUH H 下降，下降，R R0 0 自动加强分流，使自动加强分流，使0 0 增大增大 H H 下降下降UUH H下降下降,补偿电阻补偿电阻 R R0 0可选择负温度系数。可选择负温度系数。其他补偿方
14、法其他补偿方法：输出回路的负载补偿法，热敏电阻补偿法，：输出回路的负载补偿法，热敏电阻补偿法，输出回路并联电阻补偿法，桥路补偿法。输出回路并联电阻补偿法，桥路补偿法。霍耳式传感器霍耳式传感器 常用的测量电路常用的测量电路 集成霍耳传感器集成霍耳传感器 霍耳式传感器霍耳式传感器 7.7 7.7 霍耳式传感器的应用霍耳式传感器的应用 霍尔元件符号霍尔元件符号 霍耳式传感器霍耳式传感器 霍耳式传感器霍耳式传感器 霍耳式传感器霍耳式传感器 霍耳式传感器霍耳式传感器 霍耳式传感器霍耳式传感器 集成霍尔元件集成霍尔元件霍耳式传感器霍耳式传感器 线性集成电路线性集成电路(测位移、测振动）测位移、测振动）霍耳
15、式传感器霍耳式传感器 开关集成器件开关集成器件(测转速、开关控制、判断测转速、开关控制、判断N SN S极性极性)BB、BB形形成成切切换换回回差差,这这是是位位置置式式作作用用传传感感器器的的特点特点,作无触点开关时可防止干扰引起的误动作作无触点开关时可防止干扰引起的误动作 。形形成成切切换换回回差差 霍耳式传感器霍耳式传感器 应用应用 ：无触点开关：无触点开关霍耳式传感器霍耳式传感器 应用应用 ：天然气点火电路：天然气点火电路霍耳式传感器霍耳式传感器 霍耳式传感器霍耳式传感器 基于霍耳效应的压力传感器。它将霍耳元件固定于弹性敏感基于霍耳效应的压力传感器。它将霍耳元件固定于弹性敏感元件上，在
16、压力的作用下霍耳元件随弹性敏感元件的变形而元件上，在压力的作用下霍耳元件随弹性敏感元件的变形而在磁场中产生位移，从而输出与压力成一定关系的电信号。在磁场中产生位移，从而输出与压力成一定关系的电信号。保持霍耳元件的激励电流不变，而使它在一个均匀梯度的保持霍耳元件的激励电流不变，而使它在一个均匀梯度的磁场中移动时，它输出的霍耳电势大小就取决于它在磁场磁场中移动时，它输出的霍耳电势大小就取决于它在磁场中的位移量中的位移量(见半导体磁敏元件见半导体磁敏元件)。磁场梯度越大，灵敏度。磁场梯度越大，灵敏度就越高；梯度变化越均匀，霍耳电势与位移的关系就越接就越高；梯度变化越均匀，霍耳电势与位移的关系就越接近
17、于线性。霍耳元件结构简单、形小体轻、无触点、频带近于线性。霍耳元件结构简单、形小体轻、无触点、频带宽、动态特性好、寿命长，而且已经商品化。霍耳元件用宽、动态特性好、寿命长，而且已经商品化。霍耳元件用于压力传感器，按照弹性敏感元件的不同有多种结构形式于压力传感器，按照弹性敏感元件的不同有多种结构形式。图。图a a、b b中的压力传感器分别采用膜盒和波登管作为弹性中的压力传感器分别采用膜盒和波登管作为弹性敏感元件，并由两块半环形五类磁铁产生梯度均匀的磁场敏感元件，并由两块半环形五类磁铁产生梯度均匀的磁场。霍耳式传感器霍耳式传感器 7.57.5磁敏电阻磁敏电阻磁敏电阻（磁敏电阻（Magnetores
18、istanceMagnetoresistance）是指利用半导体磁阻效应）是指利用半导体磁阻效应而制成的可对磁场敏感的元件。而制成的可对磁场敏感的元件。*.磁阻效应将一个载流导体位于外磁场中，除了会产生磁阻效应将一个载流导体位于外磁场中，除了会产生霍尔效应以外，其电阻值也会随着磁场而变化，这种现象霍尔效应以外，其电阻值也会随着磁场而变化，这种现象称为磁电阻效应，简称为磁阻效应磁阻效应是伴随者霍称为磁电阻效应，简称为磁阻效应磁阻效应是伴随者霍尔效应同时发生的一种物理效应，磁敏电阻就是利用磁阻尔效应同时发生的一种物理效应，磁敏电阻就是利用磁阻效应制作成的一种磁敏元件。效应制作成的一种磁敏元件。霍耳式传感器霍耳式传感器