第五章第2节霍尔传感器介绍PPT课件
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另外，霍尔电极和激励电极的引线布置不合理，也会产生 零位误差，也需予以注意。
-
第二节 霍尔式传感器
霍尔式传感器是基于霍尔效应原理而将被测量，如电流、 磁场、位移、压力、压差、转速等转换成电动势输出的一 种传感器。
虽然它的转换率较低，温度影响大，要求转换精度较高 时必须进行温度补偿，但霍尔式传感器结构简单，体积小， 坚固，频率响应宽（从直流到微波），动态范围（输出电 动势的变化）大，无触点，使用寿命长，可靠性高，易于 微型化和集成电路化，因此在测量技术、自动化技术和信 息处理等方面得到广泛的应用。
-
8
(四)基本电路
霍尔元件的基本电路
在实际应用中，霍尔 元件可以在恒压或恒流条 件下工作。
-
9
a.恒压工作
恒压条件下性能不好的 主要原因：
恒压工作的控制电流：
Ic
UC R sr
输入电阻随温度变化
UH RHdIBKHIB
-
Biblioteka Baidu
10
b.恒流工作
UH RHdIBKHIB
由于输入电阻的温度系数大， 偏移电压的影响更为严重
如果是P型半导体，载流子是空穴，若空穴浓度为p，同 理可得UH＝IB/ped。
一般电子迁移率大于空穴迁移率，因此霍尔元件多用N型
半导体材料。霍尔元件越薄（即d越小），kH就越大，所以通 常霍尔元件都较薄。薄膜霍尔元件厚度只有1μm左右。
-
6
(二) 霍尔元件
霍尔元件的外形如下图所示，它是由霍尔片、4根引 线和壳体组成。
-
11
c.差分放大
需要差分放大的原因： ➢霍尔元件的输出电压低，需要放大 ➢去除同相电压，需要差分
-
12
u0(R R3 4)1(2R R12)U (bUa)
Ua
R3
R4
R3
Ub
R4
A1、A2二个同相放大器组成差动式放大电路，输入信号加在 A1、A2的同相输入端，从而具有高抑制共模干扰的能力和高 输入阻抗。
FL evB
e—电子电量(1.62×10-19C)； v—电于运动速度。
同时，作用于电子的电场力
F H eH E eH U /b
当达到动态平衡时 ev -BeU H/b
3
电流密度 j=nev
Ijbdnevdb
得到： vI/nedb
代入：
ev B eU H/b 得： eIB/ nebd eUH /b
-
1
一、工作原理与特性 （一）霍尔效应
通电的导体或半导体，在垂直于电流和磁 场的方向上将产生电动势的现象。
Ｂ
－－－
－ －－
I
+
+
+
+
+
+
b
+++
l
++ +
d UH
霍尔效应原- 理图
2
b d
B
－ － －－ － － － －
fl
fE
EH I
＋ ＋＋ ＋ ＋ ＋ ＋＋＋
l
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
1
2
1
1′ 1
H
1′
1
2
2′
2′
2
1、 1′—激 励 电极 ； 2、 2′—霍 尔 电极
图 霍尔元件
（a） 外形结构示意图； （b） 图形符号
-
7
(三)输入电阻和输出电阻
激励电极间的电阻值称为输入电阻。霍尔电极输出电势对 电路外部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 所确定的。
一般要求U0＜lmV。除了工艺上采取措施降低U0外, 还需 采用补偿电路加以补偿。由于霍尔元件可等效为一个四臂电
桥，如图5-9a所示，因此可在某一桥臂上并上一定电阻而将 U0降到最小，甚至为零。
r1 A
r3
C
r2
r4
D
B
-
19
图5-9b中给出了几种常用的不等位电动势的补偿电路， 其中不对称补偿简单，而对称补偿温度稳定性好 。
UH＝KH IB cosθ
注意：当控制电流的方向或磁场方向改变时，输出霍
尔电势的方向也改变。但当磁场与电流同时改变方向
时，霍尔电势并不改变方向- 。
5
eIB/ nebd eUH /b
UH
IB ned
具有上述霍尔效应的元件称为霍尔元件。霍尔式传感器就 是由霍尔元件所组成。金属材料中自由电子浓度n很高，因此 RH很小，使输出UH极小，不宜作霍尔元件。
U0产生的原因是由于制造工艺不可能保证将两个霍尔电极 对称地焊在霍尔片的两侧，致使两电极点不能完全位于同一等 位面上，如图5-8a所示。此外霍尔片电阻率不均匀或片厚薄不 均匀或控制电流极接触不良都将使等位面歪斜，致使两霍尔电 极不在同一等位面上而产生不等位电动势。
-
18
a) 两电极点不在同一等位面上 b) 等位面歪斜
（一）霍尔元件的零位误差及其补偿
霍尔元件的零位误差包括不等位电动势、寄生直流电动 势等。
-
17
二、霍尔元件的误差及其补偿
1. 不等位电动势U0及其补偿
不等位电动势是零位误差中最主要的一种。当霍尔元件在 额定控制电流(元件在空气中温升10℃所对应的电流)作用下， 不加外磁场时，霍尔输出端之间的空载电势，称为不等位电动 势U0。
RP (a)
RP (b)
RP
RP
R
(c)
(d)
-
20
2. 寄生直流电动势
当霍尔元件通以交流控制电流而不加外磁场时，霍尔输 出除了交流不等位电动势外，还有直流电动势分量，称为寄 生直流电动势。
该电动势是由于元件的两对电极不是完全欧姆接触而形 成整流效应，以及两个霍尔电极的焊点大小不等、热容量不 同引起温差所产生的。它随时间而变化，导致输出漂移。因 此在元件制作和安装时，应尽量使电极欧姆接触，并做到散 热均匀，有良好的散热条件。
UH
IB ned
霍尔电势UH与I、B的乘积成正比，而与d成反比。
于是可改写成：
UH
RH
IB d
-
RH—霍尔系数
4
设 KH=RH / d
UH＝KHIB
KH—霍尔器件的灵敏度系数。它与载流材料的物理性质 和几何尺寸有关，表示在单位磁感应强度和单位控制电流时 霍尔电势的大小。
若磁感应强度B的方向与霍尔器件的平面法线夹角为θ时， 霍尔电势应为：
功率放大器A3为后级，它不仅切断共模干扰的传输，还将双 端输入方式变换成单端输出方式，以满足负载的需要
-
13
霍尔传感器输出电压是交流的情况： C1漏电流小，C2漏电流大- ，其差表现为偏移电压。 14
C1,C2漏电- 流相等
15
-
16
二、霍尔元件的误差及其补偿
由于制造工艺问题以及实际使用时所存在的各种影响 霍尔元件性能的因素，如元件安装不合理、环境温度变化 等，都会影响霍尔元件的转换精度，带来误差。
-
第二节 霍尔式传感器
霍尔式传感器是基于霍尔效应原理而将被测量，如电流、 磁场、位移、压力、压差、转速等转换成电动势输出的一 种传感器。
虽然它的转换率较低，温度影响大，要求转换精度较高 时必须进行温度补偿，但霍尔式传感器结构简单，体积小， 坚固，频率响应宽（从直流到微波），动态范围（输出电 动势的变化）大，无触点，使用寿命长，可靠性高，易于 微型化和集成电路化，因此在测量技术、自动化技术和信 息处理等方面得到广泛的应用。
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8
(四)基本电路
霍尔元件的基本电路
在实际应用中，霍尔 元件可以在恒压或恒流条 件下工作。
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a.恒压工作
恒压条件下性能不好的 主要原因：
恒压工作的控制电流：
Ic
UC R sr
输入电阻随温度变化
UH RHdIBKHIB
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Biblioteka Baidu
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b.恒流工作
UH RHdIBKHIB
由于输入电阻的温度系数大， 偏移电压的影响更为严重
如果是P型半导体，载流子是空穴，若空穴浓度为p，同 理可得UH＝IB/ped。
一般电子迁移率大于空穴迁移率，因此霍尔元件多用N型
半导体材料。霍尔元件越薄（即d越小），kH就越大，所以通 常霍尔元件都较薄。薄膜霍尔元件厚度只有1μm左右。
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(二) 霍尔元件
霍尔元件的外形如下图所示，它是由霍尔片、4根引 线和壳体组成。
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c.差分放大
需要差分放大的原因： ➢霍尔元件的输出电压低，需要放大 ➢去除同相电压，需要差分
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u0(R R3 4)1(2R R12)U (bUa)
Ua
R3
R4
R3
Ub
R4
A1、A2二个同相放大器组成差动式放大电路，输入信号加在 A1、A2的同相输入端，从而具有高抑制共模干扰的能力和高 输入阻抗。
FL evB
e—电子电量(1.62×10-19C)； v—电于运动速度。
同时，作用于电子的电场力
F H eH E eH U /b
当达到动态平衡时 ev -BeU H/b
3
电流密度 j=nev
Ijbdnevdb
得到： vI/nedb
代入：
ev B eU H/b 得： eIB/ nebd eUH /b
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一、工作原理与特性 （一）霍尔效应
通电的导体或半导体，在垂直于电流和磁 场的方向上将产生电动势的现象。
Ｂ
－－－
－ －－
I
+
+
+
+
+
+
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+++
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++ +
d UH
霍尔效应原- 理图
2
b d
B
－ － －－ － － － －
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fE
EH I
＋ ＋＋ ＋ ＋ ＋ ＋＋＋
l
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
1
2
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1′ 1
H
1′
1
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2′
2′
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1、 1′—激 励 电极 ； 2、 2′—霍 尔 电极
图 霍尔元件
（a） 外形结构示意图； （b） 图形符号
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(三)输入电阻和输出电阻
激励电极间的电阻值称为输入电阻。霍尔电极输出电势对 电路外部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 所确定的。
一般要求U0＜lmV。除了工艺上采取措施降低U0外, 还需 采用补偿电路加以补偿。由于霍尔元件可等效为一个四臂电
桥，如图5-9a所示，因此可在某一桥臂上并上一定电阻而将 U0降到最小，甚至为零。
r1 A
r3
C
r2
r4
D
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图5-9b中给出了几种常用的不等位电动势的补偿电路， 其中不对称补偿简单，而对称补偿温度稳定性好 。
UH＝KH IB cosθ
注意：当控制电流的方向或磁场方向改变时，输出霍
尔电势的方向也改变。但当磁场与电流同时改变方向
时，霍尔电势并不改变方向- 。
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eIB/ nebd eUH /b
UH
IB ned
具有上述霍尔效应的元件称为霍尔元件。霍尔式传感器就 是由霍尔元件所组成。金属材料中自由电子浓度n很高，因此 RH很小，使输出UH极小，不宜作霍尔元件。
U0产生的原因是由于制造工艺不可能保证将两个霍尔电极 对称地焊在霍尔片的两侧，致使两电极点不能完全位于同一等 位面上，如图5-8a所示。此外霍尔片电阻率不均匀或片厚薄不 均匀或控制电流极接触不良都将使等位面歪斜，致使两霍尔电 极不在同一等位面上而产生不等位电动势。
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a) 两电极点不在同一等位面上 b) 等位面歪斜
（一）霍尔元件的零位误差及其补偿
霍尔元件的零位误差包括不等位电动势、寄生直流电动 势等。
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二、霍尔元件的误差及其补偿
1. 不等位电动势U0及其补偿
不等位电动势是零位误差中最主要的一种。当霍尔元件在 额定控制电流(元件在空气中温升10℃所对应的电流)作用下， 不加外磁场时，霍尔输出端之间的空载电势，称为不等位电动 势U0。
RP (a)
RP (b)
RP
RP
R
(c)
(d)
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2. 寄生直流电动势
当霍尔元件通以交流控制电流而不加外磁场时，霍尔输 出除了交流不等位电动势外，还有直流电动势分量，称为寄 生直流电动势。
该电动势是由于元件的两对电极不是完全欧姆接触而形 成整流效应，以及两个霍尔电极的焊点大小不等、热容量不 同引起温差所产生的。它随时间而变化，导致输出漂移。因 此在元件制作和安装时，应尽量使电极欧姆接触，并做到散 热均匀，有良好的散热条件。
UH
IB ned
霍尔电势UH与I、B的乘积成正比，而与d成反比。
于是可改写成：
UH
RH
IB d
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RH—霍尔系数
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设 KH=RH / d
UH＝KHIB
KH—霍尔器件的灵敏度系数。它与载流材料的物理性质 和几何尺寸有关，表示在单位磁感应强度和单位控制电流时 霍尔电势的大小。
若磁感应强度B的方向与霍尔器件的平面法线夹角为θ时， 霍尔电势应为：
功率放大器A3为后级，它不仅切断共模干扰的传输，还将双 端输入方式变换成单端输出方式，以满足负载的需要
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霍尔传感器输出电压是交流的情况： C1漏电流小，C2漏电流大- ，其差表现为偏移电压。 14
C1,C2漏电- 流相等
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二、霍尔元件的误差及其补偿
由于制造工艺问题以及实际使用时所存在的各种影响 霍尔元件性能的因素，如元件安装不合理、环境温度变化 等，都会影响霍尔元件的转换精度，带来误差。