霍尔式传感器

其中α为霍尔元件灵敏度温度系数；β为元件的电阻温度系数。
I IR IH
IH 0 R I R r0
R IH I Rr
I HT R I R r0 (1 t )
K H 0 I H 0 B K H I HT B KH 0 R R IB K H 0 (1 t ) IB R r0 R r0 (1 t )
若将硅霍尔元件与放大电路、温度补偿电路等集成在 一起制 成集成霍尔传感器，则具有性能优良、使用方便、体积小、 成本低、输出功率大和输出电压高等优点，是应用最为广泛 的集成传感器之一。
汽车上的霍尔器件
在现实生活中霍尔效应有很多的应用，与我 们日常生活关系越来越密切的汽车上就应 用了很多霍尔器件
霍尔器件是根据霍尔效应做成的，就是以磁 场为工作媒体，将物体的运动参量转变为 数字电压的形式输出，使之具备传感和开 关的功能。
汽车上广泛应用的霍尔器件有：
ABS系统中的速度传感器 汽车速度表和里程表 液体物理量检测器 各种用电负载的电流检测及工作状态诊断 发动机转速及曲轴角度传感器 各种开关 等等
“ABS”中文译为“防锁死刹车系统”.它是一 种具有防滑、防锁死等优点的汽车安全控 制系统。ABS是常规刹车装置基础上的改 进型技术，可分机械式和电子式两种。 现代汽车上大量安装防抱死制动系统， ABS既有普通制动系统的制动功能，又能 防止车轮锁死，使汽车在制动状态下仍能 转向，保证汽车的制动方向稳定性，防止 产生侧滑和跑偏，是目前汽车上最先进、 制动效果最佳的制动装置。
K为电流表灵敏度
图５-５-７
灵敏度改变办法 1．改变控制电流I 2．增加环形铁心上的周数——改变KB 因为 NI / iRm B S 所以 N B V0 （增加周数可使灵敏度增加n倍）
三、利用 U H 与IB的关系
U H KI1I 2
R r0
（3）合理选取负载电阻RL的阻值
霍尔元件的输出电阻Ro和霍尔电势UH都是温度的函数 （设为正温度系数），当霍尔元件接有负载RL（如放大 器的输入电阻）时，在RL上的电压为
RLU H 0 (1 T ) RL UL UH R0 RL RL R00 (1 T )
霍尔电压UH与控制电流及磁场强度有关。
霍尔电势表达式
U H b V B K H I B
当控制电流恒定时B愈大UH愈大。当磁场 改变方向时，UH也改变方向。同样，当霍 尔灵敏度及磁感应强度恒定时，增加控制电 流，也可以提高霍尔电压的输出。
2. 霍尔传感器的组成与基本特性
R1 R2 R3 R4 不成立，所以
U CD V0 0
③补偿办法 图5-5-10 其中（c）方案最好
二．温度误差及其补偿
温度误差产生原因: U H K H I B 霍尔灵敏度KH 、霍尔元件内阻r随温度变化，故 UH随温度改变。 霍尔元件由半导体材料制成，一般半导体材料的 电阻率、迁移率和载流子浓度等都随温度而变化。 因此它的性能参数如输入和输出电阻、霍尔常数 等也随温度而变化，致使霍尔电势变化，产生温 度误差。为了减小温度误差，除选用温度系数较 小的材料如砷化铟外，还可以采用适当的补偿电 路。
霍尔开关电路
霍尔开关电路又称霍尔数字电路，由稳压器、霍 尔片、差分放大器，斯密特触发器和输出级组成。 在外磁场的作用下，当磁感应强度超过导通阈值 BOP时，霍尔电路输出管导通，输出低电平。之 后，B再增加，仍保持导通态。若外加磁场的B值 降低到BRP时，输出管截止，输出高电平。我们 称BOP为工作点，BRP为释放点，BOP－ BRP=BH称为回差。回差的存在使开关电路的抗 干扰能力增强。 图4(a)表示集电极开路(OC)输出，(b)表示双输出。 它们的输出特性见图5，图5(a)表示普通霍尔开关， (b)表示锁定型霍尔开关的输出特性
霍尔电势
U H b EH b V B
UH
U
l
bB
控制电流
I n q d b V
n
所以
——N型半导体载流子浓度
I bV KH I nqd
霍尔灵敏度
对N型半导体： 对P型半导体：
K H 1/ nqd
KH 1/ pqd
它的单位是mV/(mA· T)
（1）采用恒流源供电和输入回路并联电阻
元件的灵敏度系数kH是温度的 函数，因此采用恒流源后仍有 温度误差。为了进一步提高UH 的温度稳定性，对于具有正温度 系数的霍尔元件，可在其输入回 路中并联一电阻R。
设： K H K H 0 (1 t )
r r0 (1 t )
图5-5-11 恒流源温度补偿电路
为使UL不随温度变化，应使UL对 T的导数为0，
dU L 令 d T 0
求解Байду номын сангаас式可得
RL R00 ( 1)
(4)采用温度补偿元件
1°补偿负温度系数霍尔输出，即 图（a）
t UH
图（b）
t RT I H U H ，补偿了 U H
RL 图（c） t RT / R U L U H RL RT / E
(a) 单OC输出 (b)双OC输出
(a)开关型输出特性 (b)锁定型输出特性
锁定型霍尔开关电路的特点是：当外加场B 正向增加，达到BOP时，电路导通，之后 无论B增加或减小，甚至将B除去，电路都 保持导通态，只有达到负向的BRP时，才 改变为截止状态，因而称为锁定型。
输出叠加连接方式
直流供电 交流供电
霍尔元件灵敏度KH是在单位磁感应强度和单位激励 电流作用下，霍尔元件输出的霍尔电压值，它不仅 决定于载流体材料，而且取决于它的几何尺寸
通过以上分析，可以看出: 1) 霍尔电压UH与材料 的性质有关。根据式，材 料的ρ、μ大，RH就大。 金属的μ虽然很大，但ρ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，且 μn>μp，所以霍尔元件一 般采用N型半导体材料。


，补偿了 U H
t UH
2°补偿正温度系数霍尔输出，即 图（d） t RT I H U H 补偿了
UH

霍尔元件因通入控制电流I而有温升，且I变动，温升改变， 都会影响元件的内阻和霍尔输出。为使温升不超过所需值， 必须对霍尔元件的额定控制电流加以限制，尤其在安装元件 时要尽量做到散热情况良好，只要有可能应选用面积大些的 元件，以降低其温升。
3 霍尔传感器的应用
一、利用与I的关系 可用于直接测量电流和能转换为电流 的其它物理量 二、利用 U H 与B的关系 U H ~ B 可用于测量磁场及可转换为磁场的其它物理量 实例――霍尔式钳形电流表 图５-５-７
B KB I x
KB为电磁转换灵敏度
U0 KH I B KH KB I I x K I x , K KH KB I
磁场力
F qvB
Q----电子的电荷量（1.602X10-19C） V----半导体的电子运动速度 B----外磁场的磁感应强度
磁场力 电场力
F qvB
F qEH
Eh 为静电场的电场强度
所以 EH V B
平衡时， F F
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； 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A、B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。
RH KH d

RH

载流体的电阻率-----ρ 载流子迁移率--------μ
K H 1/ nqd
UH
U
l
bB
2) 霍尔电压UH与元件的尺寸有关。 根据式，d 愈小，KH 愈大，霍尔灵敏度愈高， 所以霍尔元件的厚度都比较薄，但d太小，会使元 件的输入、输出电阻增加。 从式中可见，元件的长度比l/b对UH也有影响。 由于控制电极对内部产生的霍尔电压有局部短路作 用，在两控制电极的中间处测得的霍尔电压最大， 离控制电极很近的地方，霍尔电压下降到接近于零。 为了减少短路影响l/b要大一些，一般l/b=2。但如 果l/b过大，反而使输入功耗增加降低元件的输出。
滤去二次频交流分量后，
U KUb I b cos KP
4 测量误差及补偿办法
一．不等位电压及其补偿 ①不等位电压U0——B=0 时的空载霍尔电势 ②产生原因： 1°两个霍尔电极不在同一等 位面上 U CD V0 0 2°霍尔元件电阻率不均匀 3°霍尔元件厚度不均匀 因为
可进行乘法运算或功率测量 霍尔功率变换器 图5-5-8
i K IUbm sin t
B KB Ibm sin t
u KH i B
u KUb Ib cos KUb Ib cos 2t
式中：K K H K I K B
Ub , Ib 为负载电流电压的有效值
1 1 (1 t ) R r0 R r0 (1 t )
一般α＜＜β，故有 R r0
R r0
（2）采用恒压源和输入回路串联电阻
当霍尔元件采用稳压电源供电， 且霍尔输出开路状态下工作时， 可在输入回路中串入适当的电 阻来补偿温度误差。其分析过 程与结果同式
霍尔效应的实质 霍尔效应是电磁学一种重要的电磁感应现象.产生 霍尔效应的微观原因是洛仑兹力的作用，载流子在 磁场中作定向运动，将受到洛仑兹力的作用，分布 产生一定的偏离，其结果在宏观上感应出电动势。
如图所示，在均匀强磁场B中放 一导电板，设导电板与B的方向 垂直，板的宽度为b，厚度为d， 在导电板中沿着与磁场B垂直的 方向通以电流I． 设载流子的定向速度为v，则可 认为载流子线流元在磁场中运动， 切割了磁感线，在线流元内将产 生感应电动势．
一.霍尔元件
1）、材料——多用N型半导体 2）、结构和符号 霍尔片——半导体薄片 （因为d小，KH大， l/b=2时KH最大） 引线——激励电极 （短边端面）引线11′、 霍尔电极（长边端面）引线22′。 封装外壳——陶瓷或环氧树脂
目前最常用的霍尔元件材料是锗（Ge）、硅 （Si）、锑化铟（InSb）、砷化铟（InAs）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，但其电子迁移率比较低， 带负载能力较差，通常不用作单个霍尔元件。
5.5 霍尔传感器
霍尔传感器是利用半导体材料的霍尔效应进行测量
的一种传感器。它可以直接测量磁场及微位移量，
也可以间接测量液位、压力、转速等工业生产过程参数。
目前霍尔传感器已从分立元件发展到了集成电路的
阶段，正越来越受到人们的重视，应用日益广泛。
1.霍尔效应
霍尔效应 ：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， 这种现象称为霍尔效应。
二、电路部分
1、基本电路
2、霍尔元件的输出电路 线性应用 图5-5-4 a) 开关应用 图5-5-4b)
霍尔线性电路
它由霍尔元件、差分放大 器组成。其输出电压和加 在霍尔元件上的磁感强度 B成比例，这类电路有很 高的灵敏度和优良的线性 度，适用于各种磁场检测。 霍尔线性电路的性能参数 见下表。
三.磁路部分
图5-5-6――产生梯度 磁场
霍尔片沿x方向移动时， 若控制电流I保持不变， 则霍尔电势为：
U H KH IB KH I cx kx
图 5－5－6 霍尔式位移传感器原理示意图
四、基本特性



1、霍尔传感器的灵敏度和线性度主要取 决于磁路系统和霍尔元件的特性。 2、提高磁场的磁感应强度B和增大激励 电流I，也可获得较大的霍尔电势。但I的 增大受到元件发热的限制。 3、霍尔传感器动态性能好。