传感器原理及应用主编戴焯第七章磁电传感器

（3）不等位电势(零位误差的主要原因）
霍尔元件控制电流I 和霍尔电压UH 的四电极分布不
对称而引起的寄生不等位电势。如图7－5所示，当各电极
a、b、c、d 对称分布时，各电极之间的电阻r1、r2、r3、 r4相等，此时电阻桥平衡，寄生霍尔电压ΔUH = 0。当各
电极分布不对称时，两个霍尔电极不在一个等位面上，电 阻桥失去平衡，故产生不等位寄生电势。
开关型集成霍尔传感器是把霍尔元件的输出电压经 电路处理后形成一个高电平或低电平的开关量输出，集成 电路主要由霍尔元件、差分放大器、施密特触发器等部分 组成，如图7－8所示。
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图7－8 开关型集成霍尔传感器原理框图
霍尔元件一般由平面型硅霍尔元件组成，在0.1T磁场 作用下，其开路输出电压约20mV，接负载后不低于10mV。 由于霍尔元件输出电压随温度上升而下降，因而通常选用 具有负温度系数二极管与霍尔元件串联，温度上升使串联 二极2管020/1正1/25向压降下降，从而补偿霍尔输出电压。
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令
KH
RH d
fHbL
，称之为霍尔元件灵敏度，
则（7－2）改写为
UH KHIB
（7－3）
可见，当霍尔元件的半导体材料性能及几何尺寸确
定后，霍尔元件的输出电压UH 正比于控制电流I 和磁感 应强度B 。
二、霍尔元件的基本特性 霍尔元件是由具有霍尔效应的半导体薄片、电极引 线及壳体组成，其电路符号如图7－2所示。图中两短边引 线通入控制电流，两长边引线输出霍尔电压；霍尔元件的 壳体由非导磁金属、陶瓷或环氧树脂封装而成。
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图7－6 不等位电势补偿电路
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2．温度误差及其补偿
霍尔元件在实际应用时，存在多种因素影响其测量精度，造 成测量误差的主要因素有两类：半导体的固有特性；半导体制造工 艺缺陷。其主要表现形式为温度误差和零位误差。一般来说，温度 升高半导体材料的电阻率（下降）和迁移率（下降）载流子浓度 （增加）RH下降，霍尔元件中常用的几种材料，硅比锗温度系数小 一些，梯化铟对温度最敏感，但其霍尔常数大，砷化铟温度系数最 小，但其霍尔常数小。不同材料的霍尔元件都具有一定的温度系数，
图7－10 线性型集成霍尔传感器原理框图
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（a）单端输出 （b）双端输出
差分放大器通常为两级差分放大电路，第二级差分 放大采用达林顿管，全电路的增益可达1000倍，因而灵敏 度大大提高；在磁不饱和的情况下，输出电压与磁感应强 度有很好的线性关系。这种电路内部一般都没有电源调整 电路和附加温度补偿电路，应用时最好外加稳压电路及温 度补偿措施。
六、霍尔传感器的应用
霍尔传感器由于结构简单、体积小、动态特性好、工 作寿命长等特点，因而在许多领域得到广泛应用。
1．高斯计
如图7－11所示，将霍尔元件垂直置于磁场B 中，输 入恒定的控制电流I，则霍尔输出电压UH 正比于磁感应强 度B，用此方法可以测量恒定或交变磁场的高斯数。
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图7－11 高斯计原理图 (测恒定、交变磁场）图7－12 电流计原理图
2．电流计
如图7－12所示，将霍尔元件垂直置于磁环开口气隙
中，让载流导体穿过磁环，由于磁环气隙的磁感应强度B 与待测电流I成正比，当霍尔元件控制电流IH一定时，霍 尔输出电压UH 则正比于待测电流I，这种非接触检测安全 简便20，20/1适1/25用于高压线电流检测。 B=f(I) UH= KH IHf(I)
FE=qEH=Uh / b
F L q v F B E q U hb /
I=-nqvbd
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霍尔电压UH 的大小为
UH
RH d
IBH f
L b
（7－2）
式中 RH —霍尔常数（m3/c）
f
H
L b
—霍尔元件形状系数
d —霍尔元件厚度（m） L —霍尔元件长度（m） b —霍尔元件宽度（m） I —控制电流（A） B —磁感应强度（特斯拉T，即Wb/m2）
电阻，rT 具有如rH 相同的正温度系数,此时霍尔元件的控
制 电流
IH
rT rH rT
I
基本不变。
β rT α rH
β-霍2020尔/11/2器5 件内阻温度系数 α-霍尔电势温度系数（查元
• 电桥补偿电路。RP用于调节补偿不等位电势。在霍尔 元件输出回路串接一个温度补偿电桥，桥臂上R1~R4 均为等值的锰铜电阻，其中一个桥臂电阻并联热敏电阻 Rt。当温度变化时， Rt阻值随之变化，使补偿电桥的输 出电压相应变化。只要精心调整补偿电桥的温度系数， 便可以做到一定温度范围内－40——＋40，在1、2两
点间的霍尔电势与温度基本无关。
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五、集成霍尔传感器
随着硅集成电路工艺日趋完善，可以把霍尔元件和 测量电路集成在一起而组成集成霍尔传感器。目前已研制 出多种集成霍尔传感器，按其功能不同可分为两大类，即 开关型集成霍尔传感器和线性型集成霍尔传感器。
1．开关型集成霍尔传感器（控制电路）
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图7－2 霍尔元件电路符号
由式（7－2）可知，要使霍尔元件有较高的灵敏度，
必须要求霍尔元件材料有较大的霍尔常数。霍尔常数RH
等于材料的电阻率与电子迁移率的乘积，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。
3．转速计
如图7－13所示，将霍尔元件移置旋转盘下边，让转
盘上小磁铁形成的磁力线垂直穿过霍尔元件；当控制电流
I 一定时，霍尔输出电压UH 决定于小磁铁的磁场。
由于小磁铁固定在旋
转盘上，当旋转盘随转轴
转动时，霍尔元件上获得
周期变化的磁脉冲，因而
产生相应的霍尔脉冲电压，
此脉冲电压单位时间内的
个数，正比于转轴的旋转
第七章 磁电传感器
磁电传感器可分为两大类，一类是基于铁芯线圈电磁 感应原理的磁电感应式传感器，一类是基于半导体材料磁 敏效应的磁敏传感器。本章将介绍目前常见的几种半导体 材料磁敏效应器件及其传感器，即霍尔元件、磁敏电阻、 磁敏二极管及磁敏三极管。
第一节 霍尔传感器
霍尔是美国的一位物理学家，他在1879年首先在金属 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，后来人们发现某些半导体材料的霍尔效 应十分显著，因而制成相应的霍尔元件，广泛用于电磁测 量、计数器、转速计、位移及无触点开关等。
差分放大器采取双端输入、双端输出工作方式，将霍 尔输出电压放大几十倍；其共模反馈电阻进一步消除温度 对输出电压的影响，增强抗干扰能力。
施密特触发器将差分放大器输出电压整形为矩形脉冲， 并利用整形中的回差进一步提高抗干扰能力。整形后输出 的矩形脉冲经倒相后加至输出级，使输出电平与磁感应强 度之间的关系如图7－9所示。
速度，从而实现转速的检
测；转盘上磁铁对数越多，
传感器测速的分辨率越高。
（周期脉冲） 2020/11/25
图7－13 转速计原理图
5．集成特性
霍尔元件具有结构简单、体积小、无活动部件，便于 与测量电路一起作成集成霍尔传感器。
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三、测量电路
霍尔元件基本测量电路如图7－4所示。霍尔电压UH 一般为毫伏数量级，因而实际应用时霍尔效应输出电压UH
要接差动放大器；根据霍尔元件工作条件不同，霍尔电压 可以是线性量或开关量，因而其测量电路可能是线性型或 开关型。
开关型集成霍尔传感
器输出电平具有迟滞现象，
其回差宽度ΔB =BH－BL 。 ΔB 越小，电平转移灵敏 度就越高；反之，ΔB 越
大，输出电平抗干扰能力
越强。
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图7－9 输出电平与磁感应强度关系
2．线性型集成霍尔传感器（测量电路）
线性型集成霍尔传感器的输出电压与外加磁感应强度 之间呈线性比例关系、集成电路主要由霍尔元件和差分放 大器组成，差分放大器有单端输出和双端输出两种形式， 如图7－10所示。
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一、霍尔效应
如图7－1所示，在(金属）半导体薄片上垂直施加磁 场B，在薄片两短边b方向通入控制电流I，则在薄片两长 边L方向产生电动势，这种现象称之为霍尔效应，该电动
势称为霍尔电压UH ，该半导体薄片称为霍尔元件。
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图7－1 霍尔效应原理图
图7－1中，v 表示半导体中电子在控制电流I作用下 的运动方向和速度，FL 表示电子受到磁场的洛伦兹力 ，
2．UH—B 特性
当KH 和I 为定值时，霍尔电压UH 与磁场B 具有单值 关系，在磁不饱和时（一般B小于0.5T） UB 与B 具有线
性关系。利用这一特性，霍尔元件可用于测量交、直流磁
感应强度或磁场强度；若B 为一个均匀梯度的磁场，则霍 尔电压UB 取决于霍尔元件在磁场中的位置，从而实现微
位移及可转换为微位移的压力、加速度、振动等非电量的 测量。 2020/11/25
致使霍尔电压UH随温度而变化，产生温度误差。为了减小温度误差，
除了选择温度系数小的霍尔元件或采取恒温措施外，通常可采用图 7－7所示恒流源控制电路补偿方法。
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图7－7 温度补偿电路
在图7－7电路中,电流I为恒定电流，不受温度影响
；电阻rH 为霍尔元件等效输入电阻，并联rT 为外接补偿
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• 常用半导体材料的特性
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由这些半导体材料制成的霍尔元件在应用时都具有如 下几个基本特性。
1．UH—I 特性