第8章 霍尔传感器培训教材
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《传感器技术与应用》课件第八章霍尔传感器
霍尔传感器的优缺点Fra bibliotek优点• 精度高 • 抗干扰强 • 无需接触 • 易于组装 • 稳定性好
缺点
• 灵敏度受工作条件影响 • 温度漂移 • 过渡范围小 • 工艺要求高 • 价格高
结论和总结
霍尔传感器作为一种新型传感器，它小巧易用，操作响应快，精度高，形象直观，无触点、寿命长等优 点——同时也具有一定的设计和工艺问题。它已经成功应用于各种领域，如工业自动化、医疗电子、汽车 电子、消费类电子等，可以说它的应用前景广阔。
1
车辆速度测量
通过霍尔传感器感知车轮旋转，检测出
电能计量
2
汽车行驶的速度。
通过霍尔传感器测量电流，实现对电能
表的感测，用来记录消费者用电量并通 过该数据进行电费统计。
3
工业领域无触点开关
通过交流磁场及霍尔效应，实现磨损少、 寿命长、反应速度快的高频开关，具有 广泛的应用前景。
常见的霍尔传感器应用案例
《传感器技术与应用》课 件第八章霍尔传感器
本章将全面介绍霍尔传感器的原理和分类，探讨它在实际应用中的作用和优 缺点，以及常见的应用案例。
霍尔效应的原理
霍尔效应是指将有电子通过的金属中产生横向磁场时，电子运动方向会受到磁场作用力的影响而发生偏转现象。 应用了霍尔效应后可以通过电磁场的变化来测量探测位置、速度、角度、电流等物理量。
Mining Conveyor Belt
霍尔传感器被应用在采矿行业的 传送带系统，实时检测重量、速 度、位置等信息。
Roofing Nail Gun
霍尔元件探测钉击打的磁场脉冲 信号来计数，计量钉击的时间、 频率、数量等。
Automotive Transmission
使用霍尔传感器来实现自动变速 器的控制，实现自动挡、手动挡 的自动换挡功能。
自动检测技术及应用ppt课件第8章 霍尔传感器
为霍耳元件的输出电压要由两个输入量的乘积来确定, 故称为乘积灵敏度。
若控制电流值固定，则： VH＝KBB
传感器及检测技术
KB——磁场灵敏度，通常以额定电流为标准。磁场灵敏 度等于霍耳元件通以额定电流时每单位磁感应强度对应 的霍耳电势值。常用于磁场测量等情况。 若磁场值固定，则：
VH＝KI I
KI——电流灵敏度，电流灵敏度等于霍耳元件在单位磁 感应强度下电流对应的霍耳电势值。
传感器及检测技术
VH/mV 80 60
霍耳电势随负载电阻值而改变的情况
λ=R3/R2
λ=∞ λ=7.0 λ=3.0 λ=1.5
理论值 实际值
40 20
I
R3 VH
0 0.2 0.4 0.6 B/T 0.8 1.0
霍耳电势的负载特性
传感器及检测技术
6、温度特性：指霍耳电势或灵敏度的温度特性，以及 输入阻抗和输出阻抗的温度特性。它们可归结为霍耳 系数和电阻率（或电导率）与温度的关系。 双重影响：元件电阻，采用恒流供电；载流子迁移率， 影响灵敏度。二者相反。
VOUT/V 12
ON
OFF
0
BRP BH BOP B
霍耳开关集成传感器的工作特性曲线
霍耳开关集成传感器的技术参数： 工作电压 、磁感应强度、输出截止电压、 输出导通电流、工作温度、工作点。
磁场与传感器输出电平 的关系。当外加磁感强 度高于BOP时，输出电 平由高变低，传感器处 于开状态。当外加磁感 强度低于BRP时，输出 电平由低变高，传感器 处于关状态。
传感器及检测技术
三.霍耳磁敏传感器（霍耳器件）
电流极
D
霍耳电极
B
s
A
5.4 2.7
d
若控制电流值固定，则： VH＝KBB
传感器及检测技术
KB——磁场灵敏度，通常以额定电流为标准。磁场灵敏 度等于霍耳元件通以额定电流时每单位磁感应强度对应 的霍耳电势值。常用于磁场测量等情况。 若磁场值固定，则：
VH＝KI I
KI——电流灵敏度，电流灵敏度等于霍耳元件在单位磁 感应强度下电流对应的霍耳电势值。
传感器及检测技术
VH/mV 80 60
霍耳电势随负载电阻值而改变的情况
λ=R3/R2
λ=∞ λ=7.0 λ=3.0 λ=1.5
理论值 实际值
40 20
I
R3 VH
0 0.2 0.4 0.6 B/T 0.8 1.0
霍耳电势的负载特性
传感器及检测技术
6、温度特性：指霍耳电势或灵敏度的温度特性，以及 输入阻抗和输出阻抗的温度特性。它们可归结为霍耳 系数和电阻率（或电导率）与温度的关系。 双重影响：元件电阻，采用恒流供电；载流子迁移率， 影响灵敏度。二者相反。
VOUT/V 12
ON
OFF
0
BRP BH BOP B
霍耳开关集成传感器的工作特性曲线
霍耳开关集成传感器的技术参数： 工作电压 、磁感应强度、输出截止电压、 输出导通电流、工作温度、工作点。
磁场与传感器输出电平 的关系。当外加磁感强 度高于BOP时，输出电 平由高变低，传感器处 于开状态。当外加磁感 强度低于BRP时，输出 电平由低变高，传感器 处于关状态。
传感器及检测技术
三.霍耳磁敏传感器（霍耳器件）
电流极
D
霍耳电极
B
s
A
5.4 2.7
d
第八章霍尔传感器
第八章霍尔传感器
图8-1 霍尔元件
a）霍尔效应原理图b）薄膜型霍尔元件结构示意图c）图形符号d）外形总结：
图8-2 线性型霍尔集成电路
a）外形尺寸b）内部电路框图c）双端差动输出型外观
图8-3 线性型霍尔集成电路输出特性
开关型霍尔集成电路将霍尔元件、稳压电路、放大器、施密特触发器
（集电极开路输出门）等电路做在同一个芯片上。
当外加磁场强度超过OC门由高阻态变为导通状态，输出变为低电平；当外加磁场强度低
门重新变为高阻态。
这类器件中较典型的有UGN3020
图8-4 开关型霍尔集成电路
a）外形尺寸b）内部电路框图
图8-8角位移测量仪结构示意图
1－极靴2－霍尔器件3－励磁线圈发散性思维：
图8-12霍尔接近开关应用示意图
a）外形b）接近式c）滑过式d）分流翼片式
1－运动部件2－软铁分流翼片
）接近式c）滑过式哪一种不易损坏？为什么？
8-12d中，磁铁和霍尔接近开关保持一定的间隙、均固定不动。
软铁制作的分流翼片与运动部件联动。
当它移动到磁铁与霍尔接近开关之间时，磁力线被屏蔽，无法到达霍尔接近开关，所以此时霍尔接近开关输出跳变为高电平。
改变分流翼片的宽度可以改变霍尔接近开关的高电平与低电平的占空比。
发散性思维：电梯“平层”如何利用分流翼片的原理？
霍尔传感器的其他用途：霍尔电压传感器、霍尔电流传感器、霍尔电能表、霍尔高斯计、霍尔液位计、霍尔加速度计等。
第八章霍尔传感器-PPT课件
路状态下工作时，可在输入回路中串人适当电 阻来补偿温度误差，其分析过程与结果同式
pptcn
温度误差及其补偿
温度误差产生原因： 霍尔元件的基片是半导体材料，因而对温
度的变化很敏感。其载流子浓度和载流子迁移 率、电阻率和霍尔系数都是温度的函数。 当温度变化时，霍尔元件的一些特性参数， 如霍尔电势、输入电阻和输出电阻等都要发生 变化，从而使霍尔式传感器产生温度误差。
恒流源及输入并联电阻温度补偿电路
pptcn
由补偿电路图知，在温度t0和t时
当温度影响完全补偿时，UH0=UHt，则 将式(9-8)~式(9-11)代入式(9-12)，可得
(9-8) (9-9) (9-10) (9-11)
(9-12)
(9-13,14)
pptcn
2．选取合适的负载电阻RL 霍尔元件的输出电阻R。和霍尔电势都是温度的函数
移动距离与输出关系
pptcn
2．霍尔开关集成器件 常用的霍尔开关集成器件有UGN3000系列，
其外形与UGN3501T相同。
+
霍尔开关集成器件 (a) 内部结构框图；（b）工作特性；（c）工作电路；（d）锁定型器件工作特性
pptcn
第三节 霍尔传感器应用
霍尔电势是关于I、B、θ 三个变量的函数，即 E=kIBcosθ ，人们利用这个关系可以使其中两个变量 不变，将第三个量作为变量，或者固定其中一个量、 其余两个量都作为变量。三个变量的多种组合使得霍 尔传感器具有非常广阔的应用领域。霍尔传感器由于 结构简单、尺寸小、无触点、动态特性好、寿命长等 特点，因而得到了广泛应用。如磁感应强度、电流、 电功率等参数的检测都可以选用霍尔器件。它特别适 合于大电流、微小气隙中的磁感应强度、高梯度磁场 参数的测量。此外，也可用于位移、加速度、转速等 参数的测量以及自动控制。归纳起来，霍尔传感器主 要有下列三个方面的用途：
pptcn
温度误差及其补偿
温度误差产生原因： 霍尔元件的基片是半导体材料，因而对温
度的变化很敏感。其载流子浓度和载流子迁移 率、电阻率和霍尔系数都是温度的函数。 当温度变化时，霍尔元件的一些特性参数， 如霍尔电势、输入电阻和输出电阻等都要发生 变化，从而使霍尔式传感器产生温度误差。
恒流源及输入并联电阻温度补偿电路
pptcn
由补偿电路图知，在温度t0和t时
当温度影响完全补偿时，UH0=UHt，则 将式(9-8)~式(9-11)代入式(9-12)，可得
(9-8) (9-9) (9-10) (9-11)
(9-12)
(9-13,14)
pptcn
2．选取合适的负载电阻RL 霍尔元件的输出电阻R。和霍尔电势都是温度的函数
移动距离与输出关系
pptcn
2．霍尔开关集成器件 常用的霍尔开关集成器件有UGN3000系列，
其外形与UGN3501T相同。
+
霍尔开关集成器件 (a) 内部结构框图；（b）工作特性；（c）工作电路；（d）锁定型器件工作特性
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第三节 霍尔传感器应用
霍尔电势是关于I、B、θ 三个变量的函数，即 E=kIBcosθ ，人们利用这个关系可以使其中两个变量 不变，将第三个量作为变量，或者固定其中一个量、 其余两个量都作为变量。三个变量的多种组合使得霍 尔传感器具有非常广阔的应用领域。霍尔传感器由于 结构简单、尺寸小、无触点、动态特性好、寿命长等 特点，因而得到了广泛应用。如磁感应强度、电流、 电功率等参数的检测都可以选用霍尔器件。它特别适 合于大电流、微小气隙中的磁感应强度、高梯度磁场 参数的测量。此外，也可用于位移、加速度、转速等 参数的测量以及自动控制。归纳起来，霍尔传感器主 要有下列三个方面的用途：
霍尔传感器课件
度成正比，当磁场改变方向时，也改 变方向。
2023/10/14
10
第10页/共50页
I
B
θ
A
D
B
C
dL
l
UH
A、B-霍尔电极 C、D-控制电极
• 若磁场B和霍尔元件平面的法线成一角度 θ ，则作用于霍尔元件的有效磁感 应强度为B cos θ ，因此
•
UH=KH IBcos θ
2023/10/14
11
以是放大器的输入电阻或测量仪表的内阻。由于 霍尔元件必须在磁场与控制电流作用下，才会产
生霍尔电势UH，所以在测量中，可以把 I
与 B 的乘积、或者 I，或者 B 作为输入情号，则霍尔元件的输出电势分别正比于 IB 或 I 或 B。
2023/10/14
21
第21页/共50页
连接方式
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(a)为直流 供电，控制电流端并联输出串联。下图(b) 为交流供电，控制电流端串联变压器叠加 输出。
2023/10/14
39
第39页/共50页
• 在霍尔元件的工作温度下限 T 1 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
2023/10/14
35
第35页/共50页
理想情况下，不等位电
势UM=0，对应于电桥的平衡 状态，此时R1＝R2＝R3＝R4。
如果霍尔元件的UM ≠0 ， 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
• 右图是一种常见的具有温 度补偿的不等位电势补偿
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I
B
θ
A
D
B
C
dL
l
UH
A、B-霍尔电极 C、D-控制电极
• 若磁场B和霍尔元件平面的法线成一角度 θ ，则作用于霍尔元件的有效磁感 应强度为B cos θ ，因此
•
UH=KH IBcos θ
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以是放大器的输入电阻或测量仪表的内阻。由于 霍尔元件必须在磁场与控制电流作用下，才会产
生霍尔电势UH，所以在测量中，可以把 I
与 B 的乘积、或者 I，或者 B 作为输入情号，则霍尔元件的输出电势分别正比于 IB 或 I 或 B。
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连接方式
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(a)为直流 供电，控制电流端并联输出串联。下图(b) 为交流供电，控制电流端串联变压器叠加 输出。
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• 在霍尔元件的工作温度下限 T 1 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
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理想情况下，不等位电
势UM=0，对应于电桥的平衡 状态，此时R1＝R2＝R3＝R4。
如果霍尔元件的UM ≠0 ， 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
• 右图是一种常见的具有温 度补偿的不等位电势补偿
霍尔式传感器课件PPT
光驱用的无刷电动机内部结构
将被测电流导线逐根夹到钳形表的环形铁心中 当外加磁场强度低于释放点时，OC门重新变为高阻态，输出高电平。 金属的自由电子密度太大，因而霍尔常数小，霍尔电势也小，故金属材料不宜制作霍尔元件 若磁感应强度B不垂直于霍尔元件，而是与其法线成某一角度 时，实际上作用于霍尔元件上的有效磁感应强度是其法线方向（与薄 片垂直的方向）的分量，即Bcos ，这时的霍尔电势为 霍尔式接近开关用于转速测量演示 齿盘的转动使磁路的磁阻随气隙的改变而周期性地变化，霍尔器件输出的微小脉冲信号经隔直、放大、整形后可以确定被测物的转速。 将被测电流的导线穿过霍尔电流传感器的检测孔。 霍尔元件的输出电压一般较小，需要用放大电路放大其输出电压。 霍尔电势与导体厚度d成反比： 在基片外面用金属或陶瓷、环氧树脂等封装作为外壳。 以下哪一个激励电流的数值较为妥当？ 为了获得较好的放大效果，需采用差分放大电路。 当放大后的电压UO大于施密特触发器“开启”阈值电压时，施密特整形电路翻转，输出高电平，使V导通，这种状态我们称之为开状 态。 半导体中电子迁移率（电子定向运动平均速度）比空穴迁移率高，因此N型半导体较适合于制造灵敏度高的霍尔元件。
霍尔电势与导体厚度d成反比： 为了提高霍尔电势值， 霍尔元件制成薄片形状。
磁场不垂直于霍尔元件时的霍尔电动势
若磁感应强度B不垂直于霍尔元件，而是 与其法线成某一角度 时，实际上作用于霍尔
元件上的有效磁感应强度是其法线方向（与薄
片垂直的方向）的分量，即Bcos，这时的霍尔
电势为
EH=KHIBcos
结论：
1mA 2mA 80mA 五、霍尔传感器的应用 五、霍尔传感器的应用 半导体中电子迁移率（电子定向运动平均速度）比空穴迁移率高，因此N型半导体较适合于制造灵敏度高的霍尔元件。 半导体薄片置于磁感应强度为B 的磁场中，磁场方向垂直于薄片，当有电流I 流过薄片时，在垂直于电流和磁场的方向上将产生电动势 EH，这种现象称为霍尔效应。 回差越大，抗振动干扰能力就越强。 二、霍尔元件的结构和基本电路 高斯计：接受所测物体的电磁波频率，然后转换成参数量显示出来。
霍尔传感器教学课件PPT
27
恒流源温度补偿
霍尔元件的灵敏系数随温度的变化引起霍尔电势的变化， 霍尔元件的灵敏系数与温度的关系：
KH KHO (1 T )
式中: KH0 为温度T0时的KH值；
T 温度变化量；
霍尔电势的温度系数。
α的定义为 （U Ht U H 0 ) /U H 0
t
28
大胆假设：
➢ 由于大多数霍尔元件的温度系数α是正值时，它们的霍尔
R0
Ri0
当霍尔元件选定后，它的输入电阻 Ri0 和温度系数 及霍尔
电势温度系数 可以从元件参数表中查到（ Ri0 可以测量出
来），用上式即可计算出分流电阻 R0 及所需的分流电阻温度系
数 值。
33
利用补偿电桥进行补偿
➢ 电桥由温度系数低的电阻 构成，在某一桥臂电阻上并 联一热敏电阻。 ➢ 当温度变化时，热敏电阻
U H KH BI
补充：
1、霍尔电势与导体厚度d成反比：为了提高霍尔电势值， 霍
尔元件制成薄片形状。 2、半导体中电子迁移率（电子定向运动平均速度）比空穴迁 移率高，因此N型半导体较适合于制造灵敏度高的霍尔元件。
U 3、当磁感应强度B和霍尔片平
面法线成角度θ时, 霍尔电势为： H
KH BI cos
8
讨论:
RH
1 ne
KH
RH d
1 ned
1、霍尔常数大小取决于导体的载流子密度：
分析：金属的自由电子密度太大，因而霍尔常数小，霍尔电
势也小，所以金属材料不宜制作霍尔元件。
KH
UH BI
2、霍尔元件灵敏度（灵敏系数） KH意义：表示霍尔元件在
单位激励电流和单位磁感强度时产生的霍尔电势的大小。
9
恒流源温度补偿
霍尔元件的灵敏系数随温度的变化引起霍尔电势的变化， 霍尔元件的灵敏系数与温度的关系：
KH KHO (1 T )
式中: KH0 为温度T0时的KH值；
T 温度变化量；
霍尔电势的温度系数。
α的定义为 （U Ht U H 0 ) /U H 0
t
28
大胆假设：
➢ 由于大多数霍尔元件的温度系数α是正值时，它们的霍尔
R0
Ri0
当霍尔元件选定后，它的输入电阻 Ri0 和温度系数 及霍尔
电势温度系数 可以从元件参数表中查到（ Ri0 可以测量出
来），用上式即可计算出分流电阻 R0 及所需的分流电阻温度系
数 值。
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利用补偿电桥进行补偿
➢ 电桥由温度系数低的电阻 构成，在某一桥臂电阻上并 联一热敏电阻。 ➢ 当温度变化时，热敏电阻
U H KH BI
补充：
1、霍尔电势与导体厚度d成反比：为了提高霍尔电势值， 霍
尔元件制成薄片形状。 2、半导体中电子迁移率（电子定向运动平均速度）比空穴迁 移率高，因此N型半导体较适合于制造灵敏度高的霍尔元件。
U 3、当磁感应强度B和霍尔片平
面法线成角度θ时, 霍尔电势为： H
KH BI cos
8
讨论:
RH
1 ne
KH
RH d
1 ned
1、霍尔常数大小取决于导体的载流子密度：
分析：金属的自由电子密度太大，因而霍尔常数小，霍尔电
势也小，所以金属材料不宜制作霍尔元件。
KH
UH BI
2、霍尔元件灵敏度（灵敏系数） KH意义：表示霍尔元件在
单位激励电流和单位磁感强度时产生的霍尔电势的大小。
9
第二节霍尔传感器
第8 章 磁电式传感器
常 用 国 产 霍 尔 元 件 的 技 术 参 数
第8 章 磁电式传感器
三、霍尔元件测量电路和输出电路
1、基本测量电路
IH
I
B
RL
R E
图中控制电流I由电源E
供给,R为调节电阻,保
证器件内所需控制电
流I。霍尔输出端接负
载 UH或
RL,RL可是一般电阻 放大器的输入电阻、
或表头内阻等。磁场B
r区
P
I
N
+
-
第8 章 磁电式传感器
2、工作原理
（1）当磁敏二极管未受到外界磁场作用时，外加正偏 压，则有大量的空穴从P区通过I区进入N区，同时也有 大量的电子注入P区。形成电流。只有少量电子和空穴 在I区复合。
复合区
空穴
电子
P
N
→→→ I ←←←
H=0
第8 章 磁电式传感器
（2）当磁敏二极管受到外界磁场H+作用时 电子、空穴受到洛仑兹力作用而向r区偏移，由于r区的 电子、空穴复合率比光滑面I区快，因此形成的电流因 复合速度而减小。
B 0 1 0.273 2B2
B 0 0.273 2B2
0
0
Ｂ——为磁感应强度； ρB——材料在磁感应强度为Ｂ时的电阻率； ρ0 ——材料在磁感应强度为0时的电阻率； μ——载流子的迁移率。
第8 章 磁电式传感器
二、磁敏二极管 1、结构
简写为SMD。磁敏二极管的P型和N型电极由高阻材料 制成，在P、N之间有一个较长的本征区I，本征区I的 一面磨成光滑的复合表面（为I区），另一面打毛，设 置成高复合区（为r区），其目的是因为电子-空穴对 易于在粗糙表面符合尔消失。当通以正向电流后就会 在P、I、N结之间形成电流。磁敏二极管是PIN型。
08第八章 霍尔传感器
开关型霍尔集成电路是将霍尔元件、稳 压电路、放大器、施密特触发器、OC门（集 电极开路输出门）等电路做在同一个芯片上。 当外加磁场强度超过规定的工作点时，OC门 由高阻态变为导通状态，输出变为低电平； 当外加磁场强度低于释放点时，OC门重新变 为高阻态，输出高电平。较典型的开关型霍 尔器件如UGN3020等。
时， 则
eEH=eBv EH=vB
此时电荷不再向两侧面积累，达到平衡状态。
2019/9/15
6
若金属导电板单位体积内电子数为n，电子定向运动平均速
度为v，则激励电流I=nevbd，即：
v I mebd
EH
IB nebd
UH
IB ned
式中令RH=1/ne，称之为霍尔常数，其大小取决于导体载流
R=U/I=El/I=vl/(μnevbd)（因为μ=v/E, μ为电子迁移率），则
k l bd nebd
解得
RH=μρ
（半导体）材料性能好？
2019/9/15
9
从式可知，霍尔常数等于霍尔片材料的电阻率与电子迁移 率μ的乘积。 若要霍尔效应强，则希望有较大的霍尔系数RH，因 此要求霍尔片材料有较大的电阻率和载流子迁移率。 一般金属 材料载流子迁移率很高，但电阻率很小；而绝缘材料电阻率极 高，但载流子迁移率极低，故只有半导体材料才适于制造霍尔 片。目前常用的霍尔元件材料有：锗、硅、砷化铟、 锑化铟等 半导体材料。其中N型锗容易加工制造，其霍尔系数、 温度性 能和线性度都较好。N型硅的线性度最好，其霍尔系数、 温度 性能同N型锗。锑化铟对温度最敏感，尤其在低温范围内温度系 数大，但在室温时其霍尔系数较大。砷化铟的霍尔系数较小， 温度系数也较小，输出特性线性度好。表7-1为常用国产霍尔元 件的技术参数。
时， 则
eEH=eBv EH=vB
此时电荷不再向两侧面积累，达到平衡状态。
2019/9/15
6
若金属导电板单位体积内电子数为n，电子定向运动平均速
度为v，则激励电流I=nevbd，即：
v I mebd
EH
IB nebd
UH
IB ned
式中令RH=1/ne，称之为霍尔常数，其大小取决于导体载流
R=U/I=El/I=vl/(μnevbd)（因为μ=v/E, μ为电子迁移率），则
k l bd nebd
解得
RH=μρ
（半导体）材料性能好？
2019/9/15
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从式可知，霍尔常数等于霍尔片材料的电阻率与电子迁移 率μ的乘积。 若要霍尔效应强，则希望有较大的霍尔系数RH，因 此要求霍尔片材料有较大的电阻率和载流子迁移率。 一般金属 材料载流子迁移率很高，但电阻率很小；而绝缘材料电阻率极 高，但载流子迁移率极低，故只有半导体材料才适于制造霍尔 片。目前常用的霍尔元件材料有：锗、硅、砷化铟、 锑化铟等 半导体材料。其中N型锗容易加工制造，其霍尔系数、 温度性 能和线性度都较好。N型硅的线性度最好，其霍尔系数、 温度 性能同N型锗。锑化铟对温度最敏感，尤其在低温范围内温度系 数大，但在室温时其霍尔系数较大。砷化铟的霍尔系数较小， 温度系数也较小，输出特性线性度好。表7-1为常用国产霍尔元 件的技术参数。
霍尔式传感器 ppt课件
8
• 在绝对零度条件下，半导体的电子全部束 缚在原子上，能量低，处于价带。温度升 高时，部分电子由于热运动，脱离原子的 束缚，进入导带。所以温度升高，半导体 的电导率升高。
• 而金属温度升高导致电子与原子以及电子 与电子的碰撞加剧，电导降低，电阻增加。
9
• 根据霍尔效应原理制成的霍尔器件， 可用于磁场和功率测量，也可制成 开关元件，在自动控制和信息处理 等方面有着广泛的应用。
18
• 图（c）所示，霍尔电极在基片上的位置及它 的宽度对霍尔电势数值影响很大。通常霍尔电 极位于基片长度的中间，其宽度远小于基片的 长度。
• 图（d）是基本测量电路 。
19
差分放大电路
霍尔元件的输出电压一般较小，需要用放大 电路放大其输出电压。为了获得较好的放大效 果，需采用差分放大电路。
20
• 1998年普林斯顿大学的崔琦、斯坦福大學 的Laughlin，哥倫比亞大學的Stormer 因研 究量子霍尔液体获得诺贝尔奖。
2
精品资料
• 你怎么称呼老师？ • 如果老师最后没有总结一节课的重点的难点，你
是否会认为老师的教学方法需要改进？ • 你所经历的课堂，是讲座式还是讨论式？ • 教师的教鞭 • “不怕太阳晒，也不怕那风雨狂，只怕先生骂我
49
霍尔电流传感器演示 铁心
线性霍尔IC
EH=KH IB
50
其他霍尔电 流传感器
51
霍尔钳形电流表（交直流两用） 豁口 压舌
52
霍尔钳形电流表演示 被测电流的 70.9A 导线未放入 铁心时示值 为零
直流200A量程
53
霍霍霍尔尔钳钳钳形形形电 70.9A 电电流流流表表表演演演示示示
钳形表的环形铁 心可以张开， 导线由此穿过
• 在绝对零度条件下，半导体的电子全部束 缚在原子上，能量低，处于价带。温度升 高时，部分电子由于热运动，脱离原子的 束缚，进入导带。所以温度升高，半导体 的电导率升高。
• 而金属温度升高导致电子与原子以及电子 与电子的碰撞加剧，电导降低，电阻增加。
9
• 根据霍尔效应原理制成的霍尔器件， 可用于磁场和功率测量，也可制成 开关元件，在自动控制和信息处理 等方面有着广泛的应用。
18
• 图（c）所示，霍尔电极在基片上的位置及它 的宽度对霍尔电势数值影响很大。通常霍尔电 极位于基片长度的中间，其宽度远小于基片的 长度。
• 图（d）是基本测量电路 。
19
差分放大电路
霍尔元件的输出电压一般较小，需要用放大 电路放大其输出电压。为了获得较好的放大效 果，需采用差分放大电路。
20
• 1998年普林斯顿大学的崔琦、斯坦福大學 的Laughlin，哥倫比亞大學的Stormer 因研 究量子霍尔液体获得诺贝尔奖。
2
精品资料
• 你怎么称呼老师？ • 如果老师最后没有总结一节课的重点的难点，你
是否会认为老师的教学方法需要改进？ • 你所经历的课堂，是讲座式还是讨论式？ • 教师的教鞭 • “不怕太阳晒，也不怕那风雨狂，只怕先生骂我
49
霍尔电流传感器演示 铁心
线性霍尔IC
EH=KH IB
50
其他霍尔电 流传感器
51
霍尔钳形电流表（交直流两用） 豁口 压舌
52
霍尔钳形电流表演示 被测电流的 70.9A 导线未放入 铁心时示值 为零
直流200A量程
53
霍霍霍尔尔钳钳钳形形形电 70.9A 电电流流流表表表演演演示示示
钳形表的环形铁 心可以张开， 导线由此穿过
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Icm (8b-121A ) dT/
将上式及RH=μρ代入式(8-6)，得到霍尔元件在最大允许温升下的最大开路霍尔电压，
即：
UHm(1 2b 8-B 122A)T/d
上式说明，在同样磁场强度、相同尺寸和相等功耗下，不同材料元件输出霍尔电压仅仅
取决于，即材料本身的性质。
根据式(8-12)，选择霍尔元件的材料时，为提高霍尔灵敏度，要求材料的RH和μρ1/2尽可 能地大。
式中，ρ为霍尔元件的电阻率。
(8-P9i )I2RI2
l
bd
设霍尔元件允许的最大温升为ΔT，相应的最大允许控制电流为Icm时，在单位时间内通过 霍尔元件表面逸散的热量应等于霍尔元件的最大功耗，即
Pm(8Ic2-m 1b0l)d2Al bT
式中，A为散热系数W/(m2C)。上式中的2lb表示霍尔片的上、下表面积之和，式中忽略 了通过侧面积逸散的热量。这样，由上式便可得出通过霍尔元件的最大允许控制电流为
式中，UHt为温度为t时的霍尔电压；UH0为0时的霍尔电压；Rvt为温度为t时的输出电阻； Rv0为０时的输出电阻。负载RL上的电压UL为
UL=[UH0(1+αt) ] RL/[Rv0(1+βt)+RL]
(8-15)
为使UL不随温度变化，可对式(8-15)求导数并使其等于零，可得
RL/Rv0≈β/α.1≈β/α
8.1 霍尔效应与霍尔元件
8.1.1 霍尔效应
在置于磁场的导体或半导体中通入电流，若电流与磁场垂直，则在与磁场和电流都垂直
的方向上会出现一个电势差，这种现象就是霍尔效应，是由科学家爱德文·霍尔在1879年 发现的。产生的电势差称为霍尔电压。利用霍尔效应制成的元件称为霍尔传感器。见图 8.1.1，半导体材料的长、宽、厚分别为l、ｂ和ｄ。在与ｘ轴相垂直的两个端面ｃ和ｄ上 做两个金属电极，称为控制电极。在控制电极上外加一电压ｕ，材料中便形成一个沿ｘ方 向流动的电流Ｉ，称为控制电流。
的，可以通过桥路平衡的原理加以补偿。
8.1.4.2 寄生直流电压
在无磁场的情况下，元件通入交流电流，输出端除交流不等位电压以外的直流分量称为寄生直 流电压。产生寄生直流电压的原因不致上的两个方面：
1) 由于控制极焊接处欧姆接触不良而造成一种整流效应，使控制电流因正、反向电流大小不 等而具有一定的直流分量。
的不同而不同。材料中电子在电场作用下运动速度的大小常用载流子迁移率来表征，所
谓载流子迁移率，是指在单位电场强度作用下，载流子的平均速度值。载流子迁移率用
符号μ表示，μ=v/EI。其中EI是C、D两端面之间的电场强度。它是由外加电压U产生的，
即EI＝U/L。因此我们可以把电子运动速度表示为v=μU/l。这时式(8-3)可改写为:
UL RL
RL
UHr
在无磁场的情况下，霍尔元件通以一定的
控制电流I，两输出端产生的电压称为不等腰三 角形位电压，用U0表示。U0与I的比值称为不等 位电阻，用R0表示，即 R0= U0/I (8-17).
a）基本电路
b ） 等效电路
图8.1.5 输出补偿原理图
不等位电压是由于元件输出极焊接不对称、厚薄不均匀以及两个输出极接触不良等原因千万
I R E
I
R
Rit R vt
E
UHr
a） 基本电路
b） 等效电路
图8.1.4 输入补偿原理图
将元件的α、β值代入式(8-14)，根据Ri0的值就可确定串联电阻R的值。
(2) 利用输出回路的负载进行补偿。见图8.1.5，霍尔元件的输入采用恒流源，使控制电流 Ｉ稳定不变。这样，可以不考虑输入回路的温度影响。输出回路的输出电阻及霍尔电压与温 度之间的关系为UHt=UH0(1+αt) Rvt=Rv0(1+βt)
霍尔电压的温度系数硅最小，且在温度范围内是正值，其次是砷化铟，它是值在左右温
度下由正变负；再次是锗，而锑化铟的值最大且为负数，在低温下其霍尔电压将是的霍尔 电压的3倍，到了高温，霍尔电压降为时的15%。
8.1.3.2 温度补偿
霍尔元件温度补偿的方法很多，下面介绍两种常用的方法.
1）利用输入回路的串联电阻进行补偿。图8.1.4a是输入补偿的基本线路，图中的四端元 件是霍尔元件的符号。两个输入端串联补偿电阻R并接恒电源，输出端开路。根据温度特 性，元件霍尔系数和输入内阻与温度之间的关系式为
霍尔元件的结构与其制造工艺有关。例如，体型霍尔元件是将半导体单晶材料定向切片， 经研磨抛光，然后用蒸发合金法或其它方法制作欧姆接触电极，最后焊上引线并封装。而薄 膜霍尔元件则是在一片极薄的基片上用蒸发或外延的方法做成霍尔片，然后再制作欧姆接触 电极，焊引线最后封装。相对来说，薄膜霍尔元件的厚度比体型霍尔元件小一、二个数量级， 可以与放大电路一起集成在一块很小的晶片上，便于微型化。
图8.1.2 霍尔内阻与温度的关系曲线
图8.1.3 霍尔电压与温度的关系曲线
图中，内阻和霍尔电压都用相对比率表示。我们把温度每变化1℃时，霍尔元件输入电阻 或输出电阻的相对变化率称为内阻温度系数，用β表示。把温度每变化1℃时，霍尔电压的 相对变化率称为霍尔电压温度系数，用α表示。
可以看出：砷化铟的内阻温度系数最小，其次是锗和硅，锑化铟最大。除了锑化铟的内 阻温度系数为负之外，其余均为正温度系数。
KH=RH/d，它的单位是mV/(mA·T)
8.1.2 霍尔元件
如前所述，霍尔电压UH正比于控制电流和磁感应强度。在实际应用中，总是希望获得较 大的霍尔电压。增加控制电流虽然能提高霍尔电压输出，但控制电流太大，元件的功耗也 增加，从而导致元件的温度升高，甚至可能烧毁元件。
设霍尔元件的输入电阻为Ri，当输入控制电流I时，元件的功耗Pi为
下面我们分析电路的工作原理。
图中的霍尔元件是在N型硅外延层上制作的。由于N型硅外延层的电阻率ρ一般为1.0～ 1.5Ωcm电子迁移率μ约为1200cm2(Vs)，厚度d约为10μm，故很适合做霍尔元件。集成块 中霍尔元件的长600μm，宽为400μm。由于在制造工艺中采用了光刻技术，电极的对称性 好，零位误差大大减小。另外，由于厚度d很小，霍尔灵敏度也相对提高了，在0.1T磁场作 用下，元件开路时可输出20mV左右的霍尔电压。霍尔输出经前置放大的后送到斯密特触发 器，通过整形成为矩形脉冲输出。当磁感应强度B为0时，霍尔元件无输出，即UH=0。线路 中，由于流过V2集电极电阻的电流大于流过V1集电极电阻的电流，输出电压U b3＞Ub4，则V3 优先导通，经过下面的正反馈过程：
2) 输出极焊点热容量不相等产生温差电动势。
8.1.4.3 感应电动势
在未通电流的情况下，由于脉动或交变磁场的作用，在输出端产生的电动势称为感应电动 势。根据电磁感应定律，感应电动势的大小与霍尔元件输出电极引线构成的感应面积成正比。
8.2 集成霍尔传感器
集成霍尔传感器是利用硅集成电路工艺将霍尔元件和测量线路集成在一起的一种传感器。 它取消了传感器和测量电路之间的界限，实现了材料、元件、电路三位一体。集成霍尔传 感器与分立相比，由于减少了焊点，因此显著地提高了可靠性。此外，它具有体积小、重 量轻、功耗低等优点，正越来越爱到众的重视。
z y
I B
A
D
Cd
lB
b
UH x
A 、B-霍尔电极 C 、D-控制电极
图8.1.1 霍尔效应
qEh=qvB
霍尔电场的强度为 Eh=vB
(8-2)
在A与B两点间建立的电势差称为霍尔电压，用UH表示
UH= Ehb= vBb
(8-3)
由式(8-3)可见，霍尔电压的大小决定于载流体中电子的运动速度，它随载流体材料
(8-4U) H
U bB
l
当材料中的电子浓度为n时，有如下关系式: I=nqbdv 即
将式（8-5）代入式（8-3），得到
(8-5) v I nqbd
1
IB
式中，
UHnqId (B 8-6R)H dKHIB
RH为霍尔系数，它反映材料霍尔效应的强弱，
RH
1；nq KH来自为霍尔灵敏度，它表示一个霍尔元件在单位控制电流和单位磁感应强度时产生的霍尔电压的大小，
UHt/UH0(%)
30 0
20 0
10 0
-40 -20 0
20 40
Si(1) Si(2)
Ge(Hz-4)
60 80
InAs -1
Ge(Hz-2) -3
InSb
100t(℃)
30 0
20 0
10 0
-40 -20 0
20 40
Si
InAs Ge(Hz-1、2、3)
InSb
60 80 100t(℃)
设图中的材料是Ｎ型半导体，导电的载流子是电子。在ｚ轴方向的磁场作用下，电子将 受到一个沿ｙ轴负方向力的作用，这个力就是洛仑兹力。洛仑兹力用Fｌ表示，大小为：
FL=qvB
(8-1)
式中，q为载流子电荷；ｖ为载流子的运动速度；Ｂ为磁感应强度。
在洛仑兹力的作用下，电子向一侧偏转， 使该侧形成负电荷的积累，另一侧则形成正 电荷的积累。这样，A、B两端面因电荷积 累而建立了一个电场Ｅｈ，称为霍尔电场。 该电场对电子的作用力与洛仑兹力的方向相 反，即阻止电荷的继续积累。当电场力与洛 仑兹力相等时，达到动态平衡，这时有
出霍尔电压随温度变化的关系式为 对上式求温度的导数，可得增量表达式
UH
RH
RHtB E d RRit
(8-13)
UHUH0(RR i0i0R)t
要使温度变化时霍尔电压不变，必
须使 Ri0 0
即
Ri0 R
R Ri0()(8-14)
式(8-13)中的第一项表示因温度升 高霍尔系数引起霍尔电压的增量， 第二项表示输入电阻因温度升高引 起霍尔电压减小的量。很明显，只 有当第一项时，才能用串联电阻的 方法减小第二项，实现自补偿。