1、霍爾傳感器及霍爾傳感器及第七章第七章 霍爾傳感器霍爾傳感器 本章主要學習霍爾傳感器本章主要學習霍爾傳感器 的的工作原理工作原理、霍爾元件的特性、霍爾元件的特性參數參數, 霍爾集成電路的特性及其霍爾集成電路的特性及其在檢測技術中的在檢測技術中的應用應用，還涉及，還涉及磁場測量技術。磁場測量技術。 霍爾元件是霍爾元件是一種四端元件一種四端元件第七章第七章 霍爾傳感器霍爾傳感器 霍爾式傳感器是基于半導體材料的霍爾效應原理制成的敏感元件，它是利用霍爾元件將被測量電流、磁場、位移、壓力等轉換成電勢輸出的傳感器。 1879年，霍爾即在金屬上發現了霍爾效應，但由于非常微弱，沒有引起重視。1948年后，由于半

2、導體材料迅速發展，找到了霍爾效應比較明顯的半導體材料，并制成了砷化鎵、銻化銦、硅、鍺等材料的霍爾元件。 霍爾式傳感器最大的特點是非接觸測量。第一節第一節 霍爾元件的結構及工作原理霍爾元件的結構及工作原理 金屬或半導體薄片置于磁感應強度為金屬或半導體薄片置于磁感應強度為B 的磁的磁場中，磁場方向垂直于薄片，當有電流場中，磁場方向垂直于薄片，當有電流I 流過薄片流過薄片時，在垂直于電流和磁場的方向上將產生電動勢時，在垂直于電流和磁場的方向上將產生電動勢EH，這種現象稱為霍爾效應。，這種現象稱為霍爾效應。 磁感應強度磁感應強度B B為零時的情況為零時的情況c cd da ab b霍爾效應演示霍爾效應

3、演示 當磁場垂直于薄片時，電子受到洛侖當磁場垂直于薄片時，電子受到洛侖茲力的作用，茲力的作用，向內側偏移，在半導體薄片向內側偏移，在半導體薄片c、d方向的端面之間建立起霍爾電勢。方向的端面之間建立起霍爾電勢。c cd da ab b磁感應強度磁感應強度B B 較大時的情況較大時的情況 作用在半導體薄片上的磁場強度作用在半導體薄片上的磁場強度B越強，霍越強，霍爾電勢也就越高。霍爾電勢爾電勢也就越高。霍爾電勢EH可用下式表示：可用下式表示： EH=KH IB霍爾效應霍爾效應dIBREHH 當|FL|FE|時,電子的積累達到平衡。這時在半導體薄片的前后端面之間建立的電勢就是霍爾電動勢EH，其大小可用

4、下式表示：dIBREHH霍爾效應霍爾效應dRKHH令 霍爾電動勢的大小正比于輸入電流霍爾電動勢的大小正比于輸入電流I I和磁感應強度和磁感應強度B B； 當當 輸入電流輸入電流I I或磁感應強度或磁感應強度B B的方向改變時，霍爾的方向改變時，霍爾電動勢的方向也隨之改變；電動勢的方向也隨之改變； 根據公式，根據公式，d越小，霍爾靈敏度越高，所以霍爾元越小，霍爾靈敏度越高，所以霍爾元件的厚度都比較薄，但件的厚度都比較薄，但d太小，會使元件的輸入、輸太小，會使元件的輸入、輸出電阻增加。出電阻增加。 K KH H與組件材料的性質和幾何尺寸有關與組件材料的性質和幾何尺寸有關 , ,在實際應用在實際應用

5、中，一般都采用中，一般都采用N N型半導體材料做霍爾元件型半導體材料做霍爾元件IBKEHH則稱KH為霍爾元件的靈敏度磁場不垂直于霍爾元件時的霍爾電動勢磁場不垂直于霍爾元件時的霍爾電動勢 若磁感應強度若磁感應強度B B不垂直于霍爾元件，而是與其法不垂直于霍爾元件，而是與其法線成某一角度線成某一角度 時，實際上作用于霍爾元件上的有效時，實際上作用于霍爾元件上的有效磁感應強度是其法線方向（與薄片垂直的方向）的分磁感應強度是其法線方向（與薄片垂直的方向）的分量，即量，即B Bcoscos ，這時的霍爾電勢為：，這時的霍爾電勢為： E EH H= =K KH HIBIBcoscos 結論：霍爾電勢與輸入

6、電流結論：霍爾電勢與輸入電流I、磁感應強度、磁感應強度B成正成正比，且當比，且當B的方向改變時，霍爾電勢的方向也隨之改的方向改變時，霍爾電勢的方向也隨之改變。如果所施加的磁場為交變磁場，則霍爾電勢為同變。如果所施加的磁場為交變磁場，則霍爾電勢為同頻率的交變電勢。頻率的交變電勢。 霍爾元件的結構、圖形符號霍爾元件的結構、圖形符號 利用霍爾效應產生霍爾電勢的器件稱為利用霍爾效應產生霍爾電勢的器件稱為霍霍爾元件爾元件。 結構：結構： 霍爾片霍爾片 引線引線 殼體殼體霍爾元件的結構、圖形符號霍爾元件的結構、圖形符號 圖形符號： 國產器件常用H代表霍爾元件，后面的字母代表元件的材料，數字代表產品的序號。

7、如HZ-1元件，說明是用鍺材料制成的霍爾元件；HT-1元件，說明是用銻化銦材料制成的元件。 a、b通常用紅色，焊接處稱為激勵電極。c、d通常用綠色，焊接處稱為霍爾電極。第二節第二節 霍爾元件的特性參數及其誤差霍爾元件的特性參數及其誤差1、靈敏度、靈敏度KH KH是指是指I為單位電流為單位電流，B為單位磁感應強度，為單位磁感應強度，霍爾電極為開路霍爾電極為開路（RL=）時的霍爾電勢。時的霍爾電勢。2、輸入電阻、輸入電阻Ri Ri為霍爾器件兩個電流極之間的電阻，為霍爾器件兩個電流極之間的電阻，Ri 受受溫度變化的影響，會引起霍爾電勢的變化而帶來溫度變化的影響，會引起霍爾電勢的變化而帶來測量誤差。測

8、量誤差。 為此，最好采用恒流源作為激勵源。為此，最好采用恒流源作為激勵源。3、輸出電阻輸出電阻R0 R0為兩個霍爾電極之間的電阻。為兩個霍爾電極之間的電阻。 R0也受溫度也受溫度變化的影響，選擇適當負載電阻與之匹配，可減變化的影響，選擇適當負載電阻與之匹配，可減小該影響。小該影響。第二節第二節 霍爾元件的特性參數及其誤差霍爾元件的特性參數及其誤差4 4、額定控制電流、額定控制電流I Ic c 使在空氣中的霍爾器件產生使在空氣中的霍爾器件產生10溫升的控制電流溫升的控制電流稱為額定控制電流。稱為額定控制電流。由于霍爾電勢隨激勵電流增大由于霍爾電勢隨激勵電流增大而增大，故在應用中總希望選用較大的激

9、勵電流。而增大，故在應用中總希望選用較大的激勵電流。但激勵電流增大，霍爾元件的功耗增大，元件的溫但激勵電流增大，霍爾元件的功耗增大，元件的溫度升高，從而引起霍爾電勢的溫漂增大，度升高，從而引起霍爾電勢的溫漂增大， Ic的大小的大小與霍爾元件的尺寸有關：尺寸越小，與霍爾元件的尺寸有關：尺寸越小， Ic越小。越小。因此因此每種型號的元件均規定了相應的每種型號的元件均規定了相應的額定控制額定控制電流，它電流，它的數值從幾毫安至十幾毫安。的數值從幾毫安至十幾毫安。 以下哪一個激勵電流的數值較為妥當？以下哪一個激勵電流的數值較為妥當？ 5A 0.1mA 2mA 80mA第二節第二節 霍爾元件的特性參數及

10、其誤差霍爾元件的特性參數及其誤差5 5、不等位電勢、不等位電勢U U0 0和不等位電阻和不等位電阻r r0 0 在額定激勵電流下，當時，霍爾輸出端在額定激勵電流下，當時，霍爾輸出端的開路電壓稱不等位電勢；不等位電勢與額定控制的開路電壓稱不等位電勢；不等位電勢與額定控制電流之比，稱為不等位電阻，電流之比，稱為不等位電阻，r oUoc. 通常要求通常要求Uo R i，則U，當R i隨溫度變化時，控制電流變化極小。 第三節第三節 霍爾集成電路霍爾集成電路 霍爾集成傳感器是將霍爾元件、放大器、施密特觸發器以及輸出電路等集成在一塊芯片上，提供了一種簡化的和較完善的磁敏傳感器。其輸出信號明快，傳送過程中無

11、抖動現象，且功耗低，對溫度的變化是穩定的，靈敏度與磁場移動速度無關。霍爾集成傳感器分為線性集成電路和開關集成電路。第三節第三節 霍爾集成電路霍爾集成電路 線性型三端線性型三端 霍爾集成電路霍爾集成電路 線性型集成電路是將霍爾元件和恒流源、線性差線性型集成電路是將霍爾元件和恒流源、線性差動放大器等做在一個芯片上，輸出電壓為伏級，動放大器等做在一個芯片上，輸出電壓為伏級，比直接使用霍爾元件方便得多。較典型的線性型比直接使用霍爾元件方便得多。較典型的線性型霍爾器件如霍爾器件如UGN3501等。等。線性型霍爾特性線性型霍爾特性 右圖示出了具有右圖示出了具有雙端差動輸出特性的線雙端差動輸出特性的線性霍爾

12、器件的輸出特性性霍爾器件的輸出特性曲線。當磁場為零時，曲線。當磁場為零時，它的輸出電壓等于零；它的輸出電壓等于零；當感受的磁場為正向當感受的磁場為正向（磁鋼的（磁鋼的S S極對準霍爾極對準霍爾器件的正面）時，器件的正面）時， 輸輸出為正；磁場反向時，出為正；磁場反向時，輸出為負。輸出為負。 請畫出線性范圍請畫出線性范圍開關型霍爾集成電路開關型霍爾集成電路 開關型霍爾集成電路是將霍爾元件、穩壓電開關型霍爾集成電路是將霍爾元件、穩壓電路、放大器、施密特觸發器、路、放大器、施密特觸發器、OC門（集電極開路門（集電極開路輸出門）等電路做在同一個芯片上。輸出門）等電路做在同一個芯片上。與線性集成傳與線性

13、集成傳感器不同之點是增設了施密特電路。感器不同之點是增設了施密特電路。 它是一種開關特性。開關集成傳感器的輸出只有它是一種開關特性。開關集成傳感器的輸出只有1端，是以一定磁場電平值進行開關工作的，由于內端，是以一定磁場電平值進行開關工作的，由于內設有施密特電路，開關特性具有遲滯，因此有較好設有施密特電路，開關特性具有遲滯，因此有較好的抗波動效果。的抗波動效果。 較典型的開關型霍爾器件如較典型的開關型霍爾器件如UGN3020等。等。開關型霍爾集成電路開關型霍爾集成電路 當放大后的電壓當放大后的電壓U UOO大于施密特觸發器大于施密特觸發器“開啟開啟”閾值閾值電壓時，施密特整形電路翻轉，輸出高電平

14、，使電壓時，施密特整形電路翻轉，輸出高電平，使V V導導通，這種狀態我們稱之為通，這種狀態我們稱之為開狀態開狀態。 當磁場減弱時，霍爾元件輸出的當磁場減弱時，霍爾元件輸出的U UOO很小，經放大器很小，經放大器放大后其值仍然小于施密特整形電路的放大后其值仍然小于施密特整形電路的“關閉關閉”閾值閾值電壓時，施密特整形電路再次翻轉，輸出低電平，使電壓時，施密特整形電路再次翻轉，輸出低電平，使V V截止，這種狀態稱為截止，這種狀態稱為關狀態關狀態。 開關型霍爾集成電路的開關型霍爾集成電路的外形及內部電路外形及內部電路OCOC門門 施密特施密特 觸發電路觸發電路 雙端輸入、雙端輸入、 單端輸出運放單端

15、輸出運放霍爾霍爾 元件元件. .VccVcc開關型霍爾集成電路（開關型霍爾集成電路（OC門輸出）的接線門輸出）的接線 請按以下電路，將下一頁中的有關元件連請按以下電路，將下一頁中的有關元件連接起來接起來.開關型霍爾集成電路開關型霍爾集成電路與繼電器的接線與繼電器的接線? ?第三節第三節 霍爾傳感器的應用霍爾傳感器的應用 霍爾電勢是關于霍爾電勢是關于I、B、 三三個變量的函數，即個變量的函數，即 EH=KHIBcos 。利用這個關系可以使其中兩個量利用這個關系可以使其中兩個量不變，將第三個量作為變量，或不變，將第三個量作為變量，或者固定其中一個量，其余兩個量者固定其中一個量，其余兩個量都作為變量

16、。這使得霍爾傳感器都作為變量。這使得霍爾傳感器有許多用途。有許多用途。霍爾特斯拉計霍爾特斯拉計霍爾元件霍爾元件霍爾高斯計（特斯拉計）的使用霍爾高斯計（特斯拉計）的使用 霍爾元霍爾元件件磁鐵磁鐵霍爾傳感器用于測量磁場強度霍爾傳感器用于測量磁場強度 霍爾元件霍爾元件測量鐵心測量鐵心 氣隙的氣隙的B值值霍爾轉速表霍爾轉速表60 22fn 在被測轉速的轉軸上安裝一個齒盤，也可選取在被測轉速的轉軸上安裝一個齒盤，也可選取機械系統中的一個齒輪，將線性型霍爾器件及磁路系機械系統中的一個齒輪，將線性型霍爾器件及磁路系統靠近齒盤。齒盤的轉動使磁路的磁阻隨氣隙的改變統靠近齒盤。齒盤的轉動使磁路的磁阻隨氣隙的改變而

17、周期性地變化，霍爾器件輸出的微小脈沖信號經隔而周期性地變化，霍爾器件輸出的微小脈沖信號經隔直、放大、整形后可以確定被測物的轉速。直、放大、整形后可以確定被測物的轉速。S SN N線性霍爾線性霍爾磁鐵磁鐵霍爾轉速表原理霍爾轉速表原理 當齒對準霍爾元件時，磁力線集中穿當齒對準霍爾元件時，磁力線集中穿過霍爾元件，可產生較大的霍爾電動勢，過霍爾元件，可產生較大的霍爾電動勢，放大、整形后輸出高電平；反之，當齒輪放大、整形后輸出高電平；反之，當齒輪的空擋對準霍爾元件時，輸出為低電平。的空擋對準霍爾元件時，輸出為低電平。霍爾轉速傳感器在汽車防抱死裝置（霍爾轉速傳感器在汽車防抱死裝置（ABS）中的應用中的應用

18、 若汽車在剎車時車輪被抱死，將產生若汽車在剎車時車輪被抱死，將產生危險。用霍爾轉速傳感器來檢測車輪的轉危險。用霍爾轉速傳感器來檢測車輪的轉動狀態有助于控制剎車力的大小。動狀態有助于控制剎車力的大小。帶有微帶有微型磁鐵型磁鐵的霍爾的霍爾傳感器傳感器鋼質鋼質霍爾霍爾霍爾轉速表的其他安裝方法霍爾轉速表的其他安裝方法 只要黑色金屬旋轉體的表面存在缺口只要黑色金屬旋轉體的表面存在缺口或突起，就可產生磁場強度的脈動，從而或突起，就可產生磁場強度的脈動，從而引起霍爾電勢的變化，產生轉速信號。引起霍爾電勢的變化，產生轉速信號。 霍爾元件霍爾元件磁鐵磁鐵霍爾式無觸點汽車電子點火裝置霍爾式無觸點汽車電子點火裝置

19、采用霍爾式采用霍爾式無觸點電子點火無觸點電子點火裝置能較好地克裝置能較好地克服汽車合金觸點服汽車合金觸點點火時間不準確、點火時間不準確、觸點易燒壞、高觸點易燒壞、高速時動力不足等速時動力不足等缺點。缺點。 汽車點火線圈汽車點火線圈高壓輸出高壓輸出接頭接頭12V低壓電源低壓電源輸入接頭輸入接頭霍爾式無觸點汽車電子點火裝置工作原理霍爾式無觸點汽車電子點火裝置工作原理 采用霍爾式無觸點電子點火裝置無磨損、采用霍爾式無觸點電子點火裝置無磨損、點火時間準確、高速時動力足。點火時間準確、高速時動力足。桑塔納汽車霍爾式分電器示意圖桑塔納汽車霍爾式分電器示意圖 1-1-觸發器葉片觸發器葉片 2- -槽口槽口

20、3- -分電器轉軸分電器轉軸 4- -永久磁鐵永久磁鐵 5- -霍爾集成電路（霍爾集成電路（PNP型霍爾型霍爾IC） a a）帶缺口的觸發器葉片）帶缺口的觸發器葉片 b）觸發器葉片與永久磁鐵及霍爾集）觸發器葉片與永久磁鐵及霍爾集成電路之間的安裝關系成電路之間的安裝關系 c c）葉片位置與點火正時的關系）葉片位置與點火正時的關系 霍爾式無觸點汽車電子點火裝置霍爾式無觸點汽車電子點火裝置(續）續） 當葉片遮擋在霍爾當葉片遮擋在霍爾ICIC面前時，面前時，PNPPNP型霍爾型霍爾ICIC的輸出為低電的輸出為低電平，晶體管功率開關處于導通狀態，點火線圈低壓側有較大電平，晶體管功率開關處于導通狀態，點火

21、線圈低壓側有較大電流通過，并以磁場能量的形式儲存在點火線圈的鐵心中。流通過，并以磁場能量的形式儲存在點火線圈的鐵心中。 汽車電子點火電路及波形汽車電子點火電路及波形 1點火開關點火開關 2達林頓晶體管功率開關達林頓晶體管功率開關 3點火線圈低壓側點火線圈低壓側 4點火線圈鐵心點火線圈鐵心 5點火線圈高壓側點火線圈高壓側 6分火頭分火頭 7火花塞火花塞 a a）電路）電路 b）霍爾）霍爾IC及點火線圈高壓側輸出波形及點火線圈高壓側輸出波形 當葉片槽口當葉片槽口轉到霍爾轉到霍爾IC面前面前時，霍爾時，霍爾IC輸出輸出跳變為高電平，跳變為高電平，經反相變為低電經反相變為低電平，達林頓管截平，達林頓管

22、截止，切斷點火線止，切斷點火線圈的低壓側電流。圈的低壓側電流。由于沒有續流元由于沒有續流元件，所以存儲在件，所以存儲在點火線圈鐵心中點火線圈鐵心中的磁場能量在高的磁場能量在高壓側感應出壓側感應出3050kV的高電壓。的高電壓。 汽車電子點火裝置使用的汽車電子點火裝置使用的 點火點火控制器、霍爾傳感器及點火總成控制器、霍爾傳感器及點火總成磁鐵磁鐵點火總成點火總成霍爾式無刷電動機霍爾式無刷電動機 霍爾式無刷電動機取消了霍爾式無刷電動機取消了換向器和電刷，而采用霍爾元件換向器和電刷，而采用霍爾元件來檢測轉子和定子之間的相對位來檢測轉子和定子之間的相對位置，其輸出信號經放大、整形后置，其輸出信號經放大

23、、整形后觸發電子線路，從而控制電樞電觸發電子線路，從而控制電樞電流的換向，維持電動機的正常運流的換向，維持電動機的正常運轉。由于無刷電動機不產生電火轉。由于無刷電動機不產生電火花及電刷磨損等問題，所以它在花及電刷磨損等問題，所以它在錄像機、錄像機、CD唱機唱機、光驅等家用、光驅等家用電器中得到越來越廣泛的應用。電器中得到越來越廣泛的應用。 普通直流電動機使用普通直流電動機使用的電刷和換向器的電刷和換向器五霍爾無刷電動機 無刷電動機與有刷電機相比有以下優點1無電刷，沒有磨損問題，壽命長，可靠性高。2具有良好的的旋轉特性，可以取得很寬的轉速特性，噪音低，啟動轉矩為額定轉矩的23倍，穩定性好。霍爾無

24、刷電機控制器 無刷電動機在電動自行車上的應用無刷電動機在電動自行車上的應用 電動自行車電動自行車可充電可充電電池組電池組無刷電動機無刷電動機無刷電動機在電動自行車上的應用無刷電動機在電動自行車上的應用 無刷直流電動無刷直流電動機的機的外轉子采用高性外轉子采用高性能位置傳感器產生六能位置傳感器產生六個狀態編碼信號，控個狀態編碼信號，控制逆變橋各功率管通制逆變橋各功率管通斷，使三相內定子線斷，使三相內定子線圈與外轉子之間產生圈與外轉子之間產生連續轉矩，具有效率連續轉矩，具有效率高、無火花、可靠性高、無火花、可靠性強等特點。強等特點。電動自行車的電動自行車的無刷電動機及控制電路無刷電動機及控制電路

25、去速度去速度控制器控制器 利用利用PWM調速調速光驅用的無刷電動機內部結構光驅用的無刷電動機內部結構霍爾式接近開關霍爾式接近開關 當磁鐵的有效磁極當磁鐵的有效磁極接近、并達到動作距離時，接近、并達到動作距離時，霍爾式接近開關動作。霍霍爾式接近開關動作。霍爾接近開關一般還配一塊爾接近開關一般還配一塊釹鐵硼磁鐵。釹鐵硼磁鐵。霍爾式接近開關霍爾式接近開關 用霍爾用霍爾ICIC也能完成接近開關的功能，但是它只也能完成接近開關的功能，但是它只能用于鐵磁材料的檢測，并且還需要建立一個較強的能用于鐵磁材料的檢測，并且還需要建立一個較強的閉合磁場。閉合磁場。 在右圖中，當磁鐵在右圖中，當磁鐵隨運動部件移動到距

26、霍隨運動部件移動到距霍爾接近開關幾毫米時，爾接近開關幾毫米時，霍爾霍爾ICIC的輸出由高電平的輸出由高電平變為低電平，經驅動電變為低電平，經驅動電路使繼電器吸合或釋放，路使繼電器吸合或釋放，控制運動部件停止移動控制運動部件停止移動（否則將撞壞霍爾（否則將撞壞霍爾ICIC）起到限位的作用。起到限位的作用。 霍爾式接近開關用于轉霍爾式接近開關用于轉速測量演示速測量演示n= = 6060f4(r/min)軟鐵分流翼片 開關型霍爾開關型霍爾IC IC T T霍爾電流傳感器霍爾電流傳感器 將被測電流將被測電流的導線穿過霍爾電的導線穿過霍爾電流傳感器的檢測孔。流傳感器的檢測孔。當有電流通過導線當有電流通過導線時，在導線周圍將時，在導線周圍將產生磁場，磁力線產生磁場，磁力線集中在鐵心內，并集中在鐵心內，并在鐵心的缺口處穿在鐵心的缺口處穿過霍爾元件，從而過霍爾元件，從而產生與電流成正比產生與電流成正比的霍爾電壓。的霍爾電壓。霍爾電流傳感器演示霍爾電流傳感器演示鐵心鐵心 線性霍爾線性霍爾IC EH=KH IB 所實現的多媒體界面：所實現的多媒體界面：其他霍爾其他霍爾 電電流傳感器流傳感器其他霍爾電流傳其他霍爾電流傳感器（續）感器（續）霍爾鉗形