传感器与检测技术 第七章 霍尔传感器
传感器与检测技术霍尔式传感器
13霍尔压力变送器霍尔式传感器的测试项目描述•图13-1是我国自主研发、生产的YSH-1型霍尔压力变送器。
该变送器适用于测量对铜及铜合金不起腐蚀作用的、非结晶和非凝固的液体或蒸汽的压力及负压，由于变送器能将各种被测压力转换成0～20mV的信号，因此变送器与二次仪表配套使用可以对冶金、电力、石油、化工工业部门实现远程控制和集中检测的目的，和调节器配套使用可以实现对系统的自动调节目的。
一、霍尔效应及霍尔元件»1．霍尔效应•将金属或半导体薄片置于磁感应强度为B的磁场（磁场方向垂直与薄片）中，如图13-2所示，当有电流I通过时，在垂直于电流和磁场的方向上将产生电动势U，这种物理现H象成为霍尔效应。
该电势U称为霍尔电势。
H霍尔效应演示dabc当磁场垂直于薄片时，电子受到洛仑兹力的作用，向内侧偏移，在半导体薄片c、d方向的端面之间建立起霍尔电势。
2022/2/64•位于磁感应强度为B的磁场中，B垂直于L-W平面，沿L通电流I，N型半导体的载流体—电子将受到B产生的洛仑兹的作用力FL•在力F的作用下，电子向半导体片的一个侧面偏转，在该L侧面上形成电子的积累，而在相对的另一侧面上因缺少电子而出现等量的正电荷。
在这两个侧面上产生霍尔电场EH 。
该电场使运动电子受有电场力FE•电场力阻止电子继续向原侧面积累，当电子所受电场力和洛仑兹力相等时，电荷的积累达到动态平衡，由于存在EH，称为霍尔电势，半导体片两侧面间出现电位差UH•如果磁场与薄片法线夹角为，那么•又因R=μρ，即霍尔系数等于霍尔片材料的电阻率ρ与电子H迁移率μ的乘积。
一般金属材料载流子迁移率很高，而电阻率很小；而绝缘材料电阻率极高，而载流子迁移率极低。
故只有半导体材料适于制造霍尔片。
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2．霍尔元件•霍尔元件的结构很简单，它由霍尔片、引线和壳体组成•霍尔片是一块矩形半导体单晶薄片，引出4个引线，a、b两根引线加激励电压或电流，称为激励电极；c、d引线为霍尔输出引线，称为霍尔电极，如图13-3（b）所示。
霍尔传感器教学课件PPT
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
第7章霍尔传感器
1）霍尔接近开关
➢ 霍尔接近开关是一个无接触磁控开关，当磁铁靠近时， 开关接通；当磁铁离开后，开关断开。
常见霍尔接近开关实物图：
2）霍尔式压力传感器
➢ 霍尔元件组成的压力传感器包括两部分：一部分是弹 性元件，如弹簧管或膜盒等，用它感受压力，并把它 转换成位移量；另一部分是霍尔元件和磁路系统。
➢ 为了减少测量中的温度误差，除了选用温度系数小 的霍尔元件或采取一些恒温措施外，也可使用以下 的温度补偿方法。
（1）恒流源供电
恒流源温度补偿电路
（2）采用热敏元件
➢ 对于由温度系数较大的半导体材料制成的霍尔元件，可采用以 下温度补偿电路。
➢ 图a是在输入回路进行温度补偿； ➢ 图b是在输出回路进行温度补偿。
霍尔元件的等效电路
➢ 由于矩形霍尔片有两对电极，各个相邻电极之间有4 个电阻R1，R2，R3，R4，因而可把霍尔元件视为一个 4臂电阻电桥，这样不等位电势就相当于电桥的初始 不平衡输出电压。
➢ 理想情况下，不等位电势为零，即电桥平衡，相当于 R1=R2=R3=R4 ，则所有能够使电桥达到平衡的方法均 可用于补偿不等位电势，使不等位电势为零。
第7章 霍尔传感器原理及其应用
7.1 概述 7.2 霍尔传感器的测量电路和误差分析 7.3 霍尔传感器的应用电路
7.1 概述
▪ 霍尔传感器是基于霍尔效应的一种传感器。1879年美 国物理学霍尔首先在金属材料中发现了霍尔效应。
▪ 随着半导体技术的发展，开始用半导体材料制成霍尔 元件，由于它的霍尔效应显著而得到应用和发展。
EH =KHIB
霍尔传感器
HT-1型 InSb
HT-2型 InSb
·cm 0.8～1.2
0.8～1.2
0.8～1.2
0.4～0.5
0.003～0.01 0.003～0.05
L×b ×d
mm3
Ri
8×4×0.2 110±20%
Ru
100±20%
KH
mV/(m A·T)
>12
ro
<0.07
4×2×0.2 8×4×0.2 8×4×0.2 110±20% 110±20% 45±20% 100±20% 100±20% 40±20%
精品课件
26
7. 3 霍尔传感器的应用电路
霍尔元件具有结构简单、体积小、质量轻、频带宽、 动态性能好和寿命长等许多优点，因而得到广泛应 用。
找到一个不等位电势的补偿方法。 可以把霍尔元件视为一个4臂电阻电桥
R2
R4
R3
精品课件
返21回
7. 2 霍尔传感器的测量电路和误差 分析
这样不等位电势就相当于电桥的初始不平衡输出电压。
理想情况下，不等位电势为零，即电桥平衡，相当于 R1=R2=R3=R4
所有能够使电桥达到平衡的方法均可用于补偿不等位电势， 使不等位电势为零。
实际使用中由于
(a)两个霍尔电极安装不对称或不在同一等电位面上
(b)半导体材料的电阻率或几何尺寸不均匀
(c)控制地电路接触不良等原因
使得当 I ≠ 0，B=0时，EH ≠ 0。此时，EH 值定义为不等位 电势 EM 。
不等位电势 EM 与额定控制电流 IC 之比，称为不等位电阻
RM :
EM R M
由：KH0I=KHtI' 可推出：
R
传感器与检测技术第7章 霍尔式传感器及应用
2017/7/2
1
引言
霍尔传感器是基于霍尔效应的一种传感器。 1879年美国物理学家霍尔首先在金属材料中发现了霍尔 效应，但由于金属材料的霍尔效应太弱而没有得到应用。 随着半导体技术的发展，开始用半导体材料制成霍尔元件， 由于它的霍尔效应显著而得到应用和发展。 霍尔传感器广泛用于电磁测量、压力、加速度、振动等方 面的测量。
13
常用国产霍尔元件的技 术参数
HZ-1型 参数名称 符号 单位 Ge（111） 电阻率 几何尺寸 输入电阻 输出电阻 灵敏度 不等位电阻
HZ-2型
HZ-3型
HZ-4型 材料（N）型
HT-1型
HT-2型
HS-1型
Ge（111） 0.8～1.2 4×2×0.2 110±20% 100±20%
Ge（111） 0.8～1.2 8×4×0.2 110±20% 100±20%
1.霍尔元件材料 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型锗相近。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。
Ge（100） 0.4～0.5 8×4×0.2 45±20% 40±20%
InSb 0.003～0.01 6×3×0.2 0.8±20% 0.5±20% 1.8±20% <0.005
InSb 0.003～0.05 8×4×0.2 0.8±20% 0.5±20% 1.8±20% <0.005
InAS 0.01 8×4×0.2 1.2±20% 1±20% 1±20% <0.003
《传感器与检测技术》 5.2 霍尔传感器
5.2.3 霍尔元件的主要特性参数： U H K H BI
(1) 输入电阻和输出电阻
记霍尔常数
UH
记霍尔片的灵敏系数 可见霍尔电势UH与B、I
成正比和导体厚度d成反比.
IB RH d
RH 1 KH d ned
U H K H BI
故霍尔元件常常制成薄片形状，近似1微米。
只能用半导体材料作霍尔元件？
1 N型材料电阻率 ne
1 P型材料电阻率 pe
霍尔电势是磁场方向与霍尔基片法线方向之间夹角的函数。 应用：霍尔式磁罗盘、霍尔式方位传感器、霍尔式转速传感器
End the 5.2
2. 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。
减小霍尔元件的温度误差
1. 不等位电势误差的补偿 2. 温度误差及其补偿
1. 不等位电势误差的补偿
不等位电势是零位误差的主要部分，与霍尔电势有相同的
数量级，有时超过霍尔电势。
可以把霍尔元件视为一个四臂电阻电桥，不等位电势就相
当于电桥的初始不平衡输出电压。
方法：并 联电阻
霍尔元件等效电路
不等位电势的补偿电路
对称电路简单，对温度稳定性要好些
《传感器与检测技术(胡向东-第2版)》习题解答
传感器与检测技术（胡向东，第2版）习题解答王涛第1章概述1.1 什么是传感器？答：传感器是能够感受规定的被测量并按照一定规律转换成可用输出信号的器件和装置，通常由敏感元件和转换元件组成。
1.2 传感器的共性是什么？答：传感器的共性就是利用物理定律或物质的物理、化学或生物特性，将非电量（如位移、速度、加速度、力等）输入转换成电量（电压、电流、频率、电荷、电容、电阻等）输出。
1.3 传感器一般由哪几部分组成？答：传感器的基本组成分为敏感元件和转换元件两部分，分别完成检测和转换两个基本功能。
另外还需要信号调理与转换电路，辅助电源。
答：传感器可按输入量、输出量、工作原理、基本效应、能量变换关系以及所蕴含的技术特征等分类，其中按输入量和工作原理的分类方式应用较为普遍。
①按传感器的输入量（即被测参数）进行分类按输入量分类的传感器以被测物理量命名，如位移传感器、速度传感器、温度传感器、湿度传感器、压力传感器等。
②按传感器的工作原理进行分类根据传感器的工作原理（物理定律、物理效应、半导体理论、化学原理等），可以分为电阻式传感器、电感式传感器、电容式传感器、压电式传感器、磁敏式传感器、热电式传感器、光电式传感器等。
③按传感器的基本效应进行分类根据传感器敏感元件所蕴含的基本效应，可以将传感器分为物理传感器、化学传感器和生物传感器。
1.6 改善传感器性能的技术途径有哪些？答：①差动技术；②平均技术；③补偿与修正技术；④屏蔽、隔离与干扰抑制；⑤稳定性处理。
第2章传感器的基本特性2.1 什么是传感器的静态特性？描述传感器静态特性的主要指标有哪些？答：传感器的静态特性是它在稳态信号作用下的输入、输出关系。
静态特性所描述的传感器的输入-输出关系中不含时间变量。
衡量传感器静态特性的主要指标是线性度、灵敏度、分辨率、迟滞、重复性和漂移。
2.3 利用压力传感器所得测试数据如下表所示，计算非线性误差、迟滞和重复性误差。
设压量变化不大的条件下，可以用切线或割线拟合、过零旋转拟合、端点平移拟合等来近似地代表实际曲线的一段（多数情况下是用最小二乘法来求出拟合直线）。
传感器与检测技术(第二版)参考答案参考答
传感器与检测技术（第二版）参考答案第1章 检测技术基本知识1.1单项选择:1.B2.D3. A4.B1.2见P1；1.3见P1-P3；1.4见P3-P4；1.5 见P5；1.6 （1）1℃（2）5﹪，1﹪ ；1.7 0.5级、0.2级、0.2级；1.8 选1.0级的表好。
0.5级表相对误差为25/70=3.57﹪, 1.0级表相对误差为1/70=1.43﹪；1.9见P10-P11；1.10见P11- P12；1.11 见P13-P14第2章 电阻式传感器及应用2.1 填空1.气体接触，电阻值变化；2.烧结型、厚膜型；3.加热器，加速气体氧化还原反应；4.吸湿性盐类潮解，发生变化2.2 单项选择1.B 2. C 3 B 4.B 5.B 6. A2.3 P17；2.4 P17；2.5P24；2.6 P24；2.7 P24-P25；2.8 P25；2.9 P26；2.10 P30-312.11 应变片阻值较小；2.12P28，注意应变片应变极性，保证其工作在差动方式；2.16 Uo=4m V ；2.17 P34；2.18 P34；2.19 (1) 桥式测温电路，结构简单。
（2）指示仪表 内阻大些好。
（3）RB:电桥平衡调零电阻。
2.20 2.21 线性范围内，希望传感器的灵敏度越高越好；传感器的延迟时间越短越好；传感器的线性范围越宽，则其量程越大，并且能保证一定的测量精度。
2.23 P44；2.33 P45第3章 电容式传感器及应用3.1 P53-P56；3.2 变面积传感器输出特性是线性的。
3.3 P58-P59；3.4 P59-P613.5 当环境相对湿度变化时，亲水性高分子介质介电常数发生改变，引起电容器电容值的变化。
属于变介电常数式。
3.6 参考变面积差动电容传感器工作原理。
参考电容式接近开关原理。
3.8 （1）变介电常数式；（2）参P62 电容油料表原理第4章 电感式传感器及应用4.1 单项选择1.B；2.A4.2 P65；4.3 P68；4.4 螺线管式电感传感器比变隙式电感传感器的自由行程大。
传感器与检测技术知识点
第一章传感与检测技术理论基础1．什么是测量误差？测量误差有几种表示方法？它们通常应用在什么场合？答：测量误差是测得值与被测量的真值之差。
可用绝对误差和相对误差表示,引用误差也是相对误差的一种表示方法。
在实际测量中，有时要用到修正值，而修正值是与绝对误差大小相等符号相反的值。
在计算相对误差时也必须知道绝对误差的大小才能计算。
采用绝对误差难以评定测量精度的高低，而采用相对误差比较客观地反映测量精度。
引用误差是仪表中应用的一种相对误差，仪表的精度是用引用误差表示的。
2．用测量范围为-50～+150kPa 的压力传感器测量140kPa 压力时，传感器测得示值为142kPa ，求该示值的绝对误差、实际相对误差、标称相对误差和引用误差。
解：绝对误差2140142=-=∆kPa 实际相对误差%43.1%100140140142=⨯-=δ标称相对误差%41.1%100142140142=⨯-=δ引用误差%1%10050150140142=⨯---=）（γ3．什么是随机误差？随机误差产生的原因是什么？如何减小随机误差对测量结果的影响？答：在同一测量条件下，多次测量同一被测量时，其绝对值和符号以不可预定方式变化着的误差称为随机误差。
随机误差是由很多不便掌握或暂时未能掌握的微小因素（测量装置方面的因素、环境方面的因素、人员方面的因素），如电磁场的微变，零件的摩擦、间隙，热起伏，空气扰动，气压及湿度的变化，测量人员感觉器官的生理变化等，对测量值的综合影响所造成的。
通过增加测量次数估计随机误差可能出现的大小，从而减少随机误差对测量结果的影响。
第二章传感器概述2-1什么叫传感器？它由哪几部分组成？它们的作用及相互关系如何？答：传感器是能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置。
通常由敏感元件和转换元件组成。
敏感元件是指传感器中能直接感受或响应被测量的部份；转换元件是指传感器中能将敏感元件感受或响应的被测量转换成适于传输或测量的电信号部份。
霍尔传感器(传感技术课件)
霍尔传感器的应用
霍尔电势是关于I、B、 三个变量的函数，即 UH=KHIBcos 。
利用这个关系可以使其中两个量不变，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。这使得霍尔传感器有许多用途。态特性好、寿命长
应用： 电磁测量：测量恒定的或交变的磁感应强度、有功功率、无功功率、 相位、电能等参数； 自动检测系统：多用于位移、压力的测量。
霍尔元件的主要外特性参数
（3）不等位电势：当霍尔元件的控制电流为额定值时，若元件所处位置 的磁感应强度为零，测得的空载霍尔电势。即未加磁场时的输出电压。 不等位电势是由霍尔电极2和2’之间的电阻决定的， r 0称不等位电阻。 原因：两个霍尔电极不在同一等位面上 材料不均匀、工艺不良
霍尔元件的主要外特性参数
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，这时的霍尔电压与法线的夹角 的余弦成正比：
UH=KHIBcos
磁场不垂直于霍尔元件时的霍尔电动势演示
d
a
b
c
结论：霍尔电势与输入电流I、磁感应强度B成正比。当B的方向改变时，霍尔电 势的方向也随之改变。如果所施加的磁场为交变磁场，霍尔电压为同频率的交 变电势。
设霍尔片的长度为l，宽度为b，厚度为d。又设电子以均匀的速度v运动，则在 垂直方向施加的磁感应强度B的作用下，它受到洛仑兹力
fL qvB q—电子电量(1.62×10-19C)； v—电子运动速度
同时，作用于电子的电场力
fE
qE H
qU H b
UH为霍尔电压 EH为霍尔电场的强度
(完整版)传感器与检测技术习题答案
第1章传感器与检测技术基础思考题答案l.检测系统由哪几部分组成? 说明各部分的作用。
答：一个完整的检测系统或检测装置通常是由传感器、测量电路和显示记录装置等几部分组成，分别完成信息获取、转换、显示和处理等功能。
当然其中还包括电源和传输通道等不可缺少的部分。
下图给出了检测系统的组成框图。
检测系统的组成框图传感器是把被测量转换成电学量的装置，显然，传感器是检测系统与被测对象直接发生联系的部件，是检测系统最重要的环节，检测系统获取信息的质量往往是由传感器的性能确定的，因为检测系统的其它环节无法添加新的检测信息并且不易消除传感器所引入的误差。
测量电路的作用是将传感器的输出信号转换成易于测量的电压或电流信号。
通常传感器输出信号是微弱的，就需要由测量电路加以放大，以满足显示记录装置的要求。
根据需要测量电路还能进行阻抗匹配、微分、积分、线性化补偿等信号处理工作。
显示记录装置是检测人员和检测系统联系的主要环节，主要作用是使人们了解被测量的大小或变化的过程。
2.传感器的型号有几部分组成，各部分有何意义?依次为主称（传感器）被测量—转换原理—序号主称——传感器，代号C；被测量——用一个或两个汉语拼音的第一个大写字母标记。
见附录表2；转换原理——用一个或两个汉语拼音的第一个大写字母标记。
见附录表3；序号——用一个阿拉伯数字标记，厂家自定，用来表征产品设计特性、性能参数、产品系列等。
若产品性能参数不变，仅在局部有改动或变动时，其序号可在原序号后面顺序地加注大写字母A、B、C等，（其中I、Q不用）。
例：应变式位移传感器：C WY-YB-20；光纤压力传感器：C Y-GQ-2。
3.测量稳压电源输出电压随负载变化的情况时，应当采用何种测量方法? 如何进行?答：测定稳压电源输出电压随负载电阻变化的情况时，最好采用微差式测量。
此时输出电压认可表示为U0，U0=U+△U，其中△U是负载电阻变化所引起的输出电压变化量，相对U 来讲为一小量。
《传感器及检测技术》胡向东ch07-1
150
100
50
0
0.1
0.2
0.3
0.4
磁通密B度 （T）
恒1压 V（ 25C）
（5）霍尔电压的温度特性 负温度特性
霍尔元件的主要技术指标
型号
EA218 FA 2 4 V H G -11 0 AG1 MF07FZZ MF19FZZ MH07FZZ MH19FZZ KH-400A
材料
InAs InAsP GaAs
SL3501T 8–12 2.5–5 3500-7000 25
0 - 70
SL3501M 8- 16
3.6
700- 1400 25
0 - 70
七、霍尔传感器的应用
1、霍尔位移传感器
磁钢
N
S
IS
Nx
B
x 0
UH RH IB 若dB cons.t
d
dx
则 dU HRHIdB Kco.nst dx d dx
霍尔元件
放大
整形 输出 3
稳压
VT
地2
有磁场：，放大，整形：> 开启阈值，高电平 导通，具有吸收电流的负载能力 开状态
磁场减弱： 减小，放大，整形：< 关闭阈值，
翻转，低电平，截止
关状态
2、工作特性
BBOP高低，开状态 BBRP低高，关状态
BOP —— 工作点“开” BRP —— 释放点“关”
BH —— 磁滞
（1）导线旁测法 简单、测量精度差、 受外界干扰大
导磁铁芯
IC VH
I
B
I
通电导线
霍尔元件
（2）导线贯穿磁芯法
环形铁芯集中磁力线， 提高电流测量精度
6、测量表面覆盖层厚度
自动检测与转换技术-第七章概要
eB
e
UH l
所以
C
d
FLl
UH
L
FE
A、B- 霍尔电极 C、D-控制电极
6
设流过霍尔元件的电流为 I 时，
I
dQ dt
neld
式中ld为与电流方向 垂直的截面积，n 为单 位体积内自由电子数 (载流子浓度)。则
UH
IB ned
I B
A FE
D
FL
B
C
dL
l
UH
A、B- 霍尔电极 C、D-控制电极
15
二、主要特性参数
1、输入电阻Ri和输出电阻R0
Ri是指流过控制电流的电极（简称控制电极）
间的电阻值，R0是指霍尔元件的霍尔电势输出
电极（简称霍尔电极）间的电阻，单位为Ω。可
以在无磁场即B＝0和室温（20
5）℃时，用欧
姆表等测量。
2024/7/26
16
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
2、额定激励电流I 和最大激励电流IM • 霍尔元件在空气中产生10℃的温升时所施加
电位面上。如下图(a)所示。当控制电流I流过时，
即使末加外磁场，A、B两电极此时仍存在电位差，
此电位差被称为不等位电势（不平衡电势）UH。
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20
5、霍尔电势温度系数α
在一定的磁感应强度和控制电流下，温 度变化1℃时，霍尔电势变化的百分率称为
霍尔电势温度系数α，单位为1／℃。
2024/7/26
极高的电压才能产生很小的电流。因此 霍尔元件一般采用N型半导体材料
2024/7/26
10
2）霍尔电压 UH 与元件的尺寸有关。 d 愈小，KH 愈大，霍尔灵敏度愈高，所
传感器测量技术第7章
开关输出型霍尔集成元件
图7—7所示为开关输出型霍尔集成元件UGN3020的电路外形及外形尺寸。 其中，1为接地端，2为电源端，3为输出端。
图7—8所示为开关输出型霍尔集成元件UGN3020的内部电路图。其中， X为霍尔元件，A为放大器，S为施密特电路，T为输出晶体管，E为稳定电 源。
图7—9所示为开关输出型霍尔集成元件UGN3020的输出特性图。其中， 由于增设了施密特电路，使他具有时滞特性，提高了抗噪声的性能。该电 路主要用于接近开关，但以0磁场为中心的霍尔集成元件也用于无刷电动 机中。
VH
单击此处添加小标题
霍 尔 n电压 与 材p料 的 性 V 质 有 关 。 材 料 的 大 ，
就大。金属 虽然很大， H
但 是很小，故不宜做 成元件。在半导体材料 中，由于电子的迁移率 比空穴的大，即 ，
V 所 以 ， 霍 尔 元 件 一 般 采
用N型半导体材料； H
VH
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态平f衡E ，在薄片两横F断L 面之间建立电场，相
应的电势称为霍尔电势
VH
IB VH RH d
R H 霍尔系数 ( m 3 c ) I 控制电流 ( c s ) B 磁感应强度 (T )
d 元件厚度 ( m )
EH
IB
ne
: 厚度
n :电子浓度
e :电荷量
其中：
其中：
另
则
KH
1
(ne)
0.5% 0 ~ 40
0.5% 0 ~ 40
40 ~ 60
霍尔元件
Δx Δx
永久磁铁
刚性连接 工件
图7—6 霍尔元件测量机械加工工件的凹和凸
第三节 霍尔集成电路
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5. 寄生感应电势 当控制电流I为交变电流时，此电流形成 的交变磁场在电极引线上要产生寄生感 应电势。为了减小寄生感应电势，要求 各电极引线尽可能短，且布线合理以减 少磁交链。
6. 霍尔电势温度系数
在一定磁感应强度和控制电流下，温度每 变化1℃时，霍尔电势变化的百分率称霍尔 电势温度系数。
金属材料电子迁移率大，但电阻率很小；绝绝材料电阻 率极高，但载流子迁移率极低；只有半导体材料适于作
霍尔元件，其电阻率和载流子的迁移率都比较大。
目前常用的半导体材料有硅、锗、锑化铟和砷化铟等， 这些材料不但有较大的霍尔常数，而且有较好的线性度。 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型锗相近。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。
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霍尔元件不等位电势原理图
（a）不对称电极
（b）电极等效电桥
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不等位电势补偿电路
（a）是电阻值较大的桥臂上并联电阻 （b）是在两相邻桥臂上并联电阻，以增加
电极等效电桥的对称性。
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2、温度误差及其补偿
选择温度系数小的 霍尔元件 ；
采取恒温措施；
采用恒流源供电 。
2. 额定控制电流和最大允许控制电流
当霍尔元件自身温升10℃时所流过的控制电流 称为额定控制电流。以元件允许的最大温升为限制 所对应的控制电流称为最大允许控制电流。
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3. 不等位电势和不等位电阻
当霍尔元件的控制电流为IN时，若元件所处 位置磁感应强度为零，则它的霍尔电势应该为零， 但实际不为零。这时测得的空载霍尔电势称不等
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第七章 霍尔传感器
第一节 霍尔效应 第二节 霍尔元件的基本特性 第三节 霍尔元件的误差及其补偿 第四节 测量电路 第五节 集成霍尔传感器 第六节 霍尔传感器的应用
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位电势。
产生这一现象的原因有： （1）霍尔电极安装位置不对称或不在同一等电位面上； （2）半导体材料不均匀造成了电阻率不均匀或是几何尺
寸不均匀。 （3）控制电极接触不良造成控制电流不均匀分布等。
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不等位电势是由霍尔电势c和d之间的电阻
ro决定的，称为不等位电阻
r0
U0 IH
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4. 寄生直流电势
其产生的原因有：
（1）控制电极和霍尔电极与基片的连接属 于金属与半导体的连接，这种连接是非 完全欧姆接触时。会产生整流效应；
（2）控制电流和霍尔电势都是交流时，经 整流效应，它们各自都在霍尔电极之间 建立直流电势。
（3）两个霍尔电极焊点的不一致，造成两 焊点热容量、散热状态的不一致，因而 引起两电极温度不同产生温差电势，也 是寄生直流电势的一部分。
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（2）寄生感应电势
当控制电流I为交变电流时，此电流形成的
交变磁场在电极引线上要产生寄生感应电势。 为了减小寄生感应电势，要求各电极引线尽
可能短，且布线合理以减少磁交键。
（3）不等位电势
不等位电势与霍尔电势具有相同的数量级， 有时甚至超过霍尔电势。实用中，若想消 除不等位电势极其困难的，因而只有采用 补偿的方法。由于不等位电势由不等位电 阻产生，因而可以用分析电阻的方法找到 一个不等位电势的补偿方法。
1. UH—B 特性 当控制电流不变时，霍尔电压 与磁场具有单值关系，在磁不 饱和时，UH与B具有线性关系 。如使传感器处于非均匀磁场 中，传感器的输出正比于磁感 应强度，因此，对凡是能转换 为磁感应强度变化的量都能进 行测量，如位移、角度、转速 和加速度等。
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二、霍尔元件的基本特性
当达到动态平衡时
FL FH
vB E传感器H与检测技术
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EH vB 电流密度
EH
j I
bd
vxEH 电阻率
X为电荷的迁移率（m2/vs）
霍尔电压为：
U H bH E b v b B x b Id B x
IB d
令
RH
x 则
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UH.
RH
IB d
霍尔常数RH等于材料的电阻率与电子迁移率的乘积，
第一节 霍尔效应
1879年美国物理学家霍尔发现霍尔效应。 金属或半导体薄片置于磁场中，当有电流 流过时，在垂直于电流和磁场的方向上将产 生电动势，这种物理现象称为霍尔效应。
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半导体中的电子受洛伦兹力FL的作用：
FL qvB
霍尔电场强度
EH
UH b
电子又受到霍尔电场的作用力
FH qEH
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令
KH
RH d
称之为霍尔元件灵敏度
则 UHKHIB
KH表示为一个霍尔元件在单位B和电位I时输 出霍尔电压的大小。与霍尔常数RH成正比， 而与霍尔片厚度d成反比。为了提高灵敏度， 霍尔元件常制成薄片形状。
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第二节 霍尔元件的基本特性
一、霍尔元件
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二、霍尔元件的基本特性
2. UH —I 特性 特性磁场不变，传感器输
出值正比于控制电流值，因此 ，凡能转换为电流变化的量， 均能进行测量。
3. UH——IB 特性
传感器输出值正比于磁感应强度和 控制电流之积，因此，它可以用于乘法 、功率等方面的计算与测量。
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霍尔元件主要特性参数：
1. 输入电阻和输出电阻 霍尔元件工作时需要加控制电流，这就需要知道 控制电极间的电阻，称输入电阻。霍尔电极输出 霍尔电势对外电路来说相当于一个电压源，其电 源内阻即为输出电阻。以上电阻值是在磁感应强 度为零且环境温度在20℃±5℃时确定的。
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三、误差及其补偿
1、零位误差及其补偿 霍尔元件在控制电流I=0或磁场B=0时出 现的霍尔电压ΔUH，称之为零位误差。
（1）直流寄生电势
霍尔元件控制电流或霍尔电压两引线电极焊点大 小不等、热容量不同，或接触不良、欧姆电阻大小 不等，因而引起温差电势。提高电极焊点结构上的 对称性，保持电极引线接触良好，且散热条件相同， 可以减小这种直流寄生电势。