【教學目標】熟悉霍爾傳感器的結構及種類掌握霍爾傳感器的測量原理及應用了解霍爾傳感器的特性與技術參數學會合理選用霍爾傳感器構成檢測電路【教學重點】霍爾傳感器的結構及特性壓電霍爾傳感器的工作原理【教學難點】霍爾傳感器的檢測機理霍爾傳感器的典型應用第五章

霍爾傳感器與位移檢測【教學內容】霍爾傳感器的工作原理霍爾效應霍爾元件的基本原理霍爾元件的基本結構及特性參數霍爾元件的基本誤差及其補償檢測技術理論基礎第五章

霍爾傳感器與位移檢測【教學內容】集成霍爾傳感器開關型集成霍爾傳感器線性型集成霍爾傳感器第五章

霍爾傳感器與位移檢測【教學內容】霍爾傳感器的應用霍爾式位移傳感器霍爾式電流傳感器霍爾式壓力傳感器霍爾式轉速傳感器霍爾式功率傳感器第五章

霍爾傳感器與位移檢測55.1霍爾傳感器的工作原理1.霍爾效應2.霍爾元件的基本原理3.霍爾元件的基本結構及特性參數4.霍爾元件的基本誤差及其補償霍爾傳感器是基于霍爾效應的一種傳感器。1879年美國物理學家霍爾首先在金屬材料中發現了霍爾效應，但由于金屬材料的霍爾效應太弱而沒有得到應用。隨著半導體技術的發展，開始用半導體材料制成霍爾元件，由于它的霍爾效應顯著而得到應用和發展霍爾傳感器廣泛用于電磁測量、壓力、加速度、振動等方面的測量。1霍爾效應在半導體薄片中通以電流I,在與薄片垂直方向加磁場B，則在半導體薄片的另外兩端，產生一個垂直于電流和磁場的方向的電動勢，這種現象稱為霍爾效應。該電勢稱為霍爾電勢，該薄片稱為霍爾元件。1霍爾效應霍爾效應演示：

當磁場垂直于薄片時，電子受到洛侖茲力的作用，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。cdab2霍爾元件的基本原理霍爾電勢：

在磁感應強度Ｂ作用下，半導體中電子受到的洛侖茲力ＦL的作用：

洛侖茲力FL使電子向垂直于B和自由電子運動方向偏移，使半導體一端面產生負電荷積聚，另一端面則為正電荷積聚。

由于電荷積聚，產生靜電場，稱為霍爾電場。該靜電場對電子的作用力FE與洛侖茲力FL的方向相反，將阻止電子繼續偏轉，其大小為：2霍爾元件的基本原理電場力阻止電子繼續向原側面積累，當FL=FE時，電荷的積累達到動態平衡，由于存在EH，半導體片兩側面間出現電位差UH，稱為霍爾電勢，由FL=FE可得：設載流子濃度為n，單位時間內,體積為v*b*d里的載流子全部通過橫截面,則電流強度與載流子平均速度的關系為:代入上式可得：n-載流子濃度，d-霍爾片的厚度，e-電子電量；2霍爾元件的基本原理磁場不垂直于霍爾元件時的霍爾電動勢：

若磁感應強度B不垂直于霍爾元件，而是與其成某一角度

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）的分量，即Bsin

，這時的霍爾電勢為：UH=KHIBsin

令：上式可寫為：KH——霍爾傳感器的靈敏度，與材料的物理性質和幾何尺寸有關，決定霍爾電勢的強弱。2霍爾元件的基本原理結論：

霍爾電勢與輸入電流I、磁感應強度B成正比，且當B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，則霍爾電勢為同頻率的交變電勢。

要提高霍爾傳感器靈敏度，需減小d和n。材料的厚度d愈小，則KH就愈大、靈敏度愈高，霍爾元件薄膜化是提高靈敏度的一個途徑；純金屬中自由電子濃度過高，霍爾效應微弱，無實用價值；半導體是霍爾元件的常用材料。3霍爾元件的基本結構和特性參數霍爾元件基本結構：霍爾元件的結構非常簡單，由霍爾片、引線和外殼組成。將半導體材料做成矩形霍爾薄片，四個側面各有一個電極，分別焊接上兩對導線；在長邊的兩個端面為控制電流端引線（激勵電極）；在短邊上為兩根霍爾輸出端引線（霍爾電極），輸出霍爾電勢；一般用非磁性金屬、陶瓷或環氧樹脂封裝。3霍爾元件的基本結構和特性參數紅色導線HABCDABCDBACD紅色導線綠色導線綠色導線C、D：霍爾電極端，霍爾端或輸出端。A、B：激勵電極端，元件電流端、控制電流端或輸入電流端。霍爾元件符號：霍爾元件在電路中常用圖示的三種符號之一表示：一般為4mm×2mm×0.1mm。3霍爾元件的基本結構和特性參數靈敏度低、溫度特性及線性度好靈敏度最高、受溫度影響大輸入1輸入2輸出1輸出2磁性頂端引線襯底霍爾元件濺射工藝制作的銻化銦霍爾元件材料：鍺、硅、砷化鎵、砷化銦、銻化銦常用的霍爾元件材料及結構特點：3霍爾元件的基本結構和特性參數

霍爾元件一般采用具有N型的鍺、硅、銻化銦和砷化銦等半導體單晶材料制成。銻化銦InSb元件的輸出較大，但受溫度的影響也較大。硅Si的線性度最好，其霍爾系數、溫度性能同N型鍺相近。砷化銦InAs元件的輸出信號沒有銻化銦元件大，但是受溫度的影響卻比銻化銦的要小，而且線性度也較好。采用砷化銦為霍爾元件的材料得到普遍應用。特點小結鍺Ge元件的輸出雖小，但它的溫度性能和線性度卻比較好。

3霍爾元件的基本結構和特性參數霍爾元件的基本特性：（1）UH-IC特性霍爾電壓與激勵電流有較好的線性關系，靈敏度也較高，可測量電流或激勵電源電壓；（2）UH-B特性霍爾電壓與磁場強度B具有線性關系，可測量磁場強度；（3）UH-ICB特性利用UH與ICB的關系霍爾元件可做成乘法器，當激勵電流與磁場B為同一電源激勵時，可測量電源輸出功率。3霍爾元件的基本結構和特性參數（4）開關特性霍爾效應建立的時間極短(10-12~10-14)，適宜檢測高頻信號或作為無觸點開關，可用于計數器或轉速計；（5）集成特性霍爾元件結構簡單、體積小、無活動部件，便于與測量電路一起做成集成電路。3霍爾元件的基本結構和特性參數

霍爾元件主要技術指標：（1）最大激勵電流IM由于在相同的磁感應強度下，霍爾電勢隨激勵電流增大而增大，故在應用中應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，元件的溫度升高，從而引起霍爾電勢的溫漂增大，因此霍爾元件規定了相應的最大激勵電流，它的數值從幾毫安至十幾毫安。3霍爾元件的基本結構和特性參數（2）最大磁感應強度磁感應強度超過最大磁感應強度時，霍爾電勢的非線性誤差將明顯增大，最大磁感應強度數值一般小于零點幾特斯拉（T）。線性區3霍爾元件的基本結構和特性參數（3）輸入電阻Ｒi和輸出電阻Ｒo輸入電阻：激勵電極間的電阻輸出電阻：霍爾電極之間的電阻（4）不等位電勢ＵＭ和不等位電阻ＲＭ不等位電勢：不加外磁場時，有一定控制電流輸入，在輸出電壓電極之間仍舊有一定的電位差。不等位電阻：不等位電勢ＵＭ與額定控制電流ＩＣ之比。（5）霍爾電勢溫度系數α在控制電流和磁感應強度作用下，溫度變化１℃時，霍爾電勢ＵＨ的相對變化值。3霍爾元件的基本結構和特性參數霍爾元件的主要技術指標：4霍爾元件基本誤差及其補償零位誤差及補償半導體固有特性半導體制造工藝缺陷零位誤差溫度誤差A、B同一等位面：U0=0、電橋平衡A、B非同一等位面：U0≠0、電橋不平衡產生的原因：兩霍爾電極焊接不對稱、厚薄不均勻、兩個輸出級接觸不良等；4霍爾元件基本誤差及其補償（a）（b）（c）補償原理：在阻值較大的橋臂上并聯可調電阻4霍爾元件基本誤差及其補償溫度誤差及補償霍爾元件的溫度誤差：與一般半導體一樣，由于電阻率及載流子濃度隨溫度變化，所以霍爾元件的內阻、輸出電壓等參數也會隨著溫度的變化而變化。砷化銦的溫度系數最小；其次是鍺和硅，銻化銦最大。硅，霍爾電勢隨溫度升高而增大；砷化銦、鍺、銻化銦，霍爾電勢隨溫度升高而減小。減小溫度誤差的方法：選用溫度系數小的材料制作霍爾元件；采取一些恒溫措施。也可以采用多種方法進行補償。4霍爾元件基本誤差及其補償輸入回路補償在輸入回路串聯一個熱敏電阻，其阻值隨溫度的升高而減小（增大），使激勵電流增加，補償了霍爾元件輸出隨溫度升高而減小（增大）的因素。t↑，U↓：R↓→I↑→U↑t↑，U↑：R↑→I↓→U↓4霍爾元件基本誤差及其補償輸出回路補償在輸出回路并聯一個熱敏電阻，溫度升高時，熱敏電阻值減小（增大），根據分壓原理，負載得到的霍爾電勢增加(減小)，補償了其隨溫度升高而減小（增大）的因素。t↑，U↑：Rt↑→U↓t↑，U↓：Rt↓→U↑285.2集成霍爾傳感器1.開關型集成霍爾傳感器2.線性型集成霍爾傳感器集成霍爾傳感器：利用硅集成電路工藝將霍爾元件和測量線路集成在一起的一種傳感器。測量電路：放大器、溫度補償電路、穩壓電源或恒流電源等。優點：集成霍爾傳感器具有:可靠性高、體積小、重量輕、功耗低等優點，正越來越受到重視。分類：霍爾集成電路按其輸出信號的形式可分為：線性型和開關型兩種。霍爾效應集成電路技術輸出信號集成霍爾傳感器1開關型集成霍爾傳感器把霍爾元件的輸出經過處理，得到一個高或低電平的數字信號。開關型霍爾傳感器主要由：穩壓電路、霍爾元件、差分放大器、施密特觸發整形電路和OC門（集電極開路輸出門）等部分組成。當外加磁場強度超過規定的工作點時，施密特觸發器輸出高電平，OC門由高阻態變為導通狀態，輸出變為低電平；當外加磁場強度低于釋放點時，施密特觸發器輸出低電平，OC門重新變為高阻態，輸出高電平。1開關型集成霍爾傳感器結構及工作原理:穩壓工作原理：磁場增強：VH放大，整形：>開啟閾值，施密特觸發器輸出高電平，VT導通，輸出低電平；磁場減弱：VH減小，放大，整形：<關閉閾值，施密特觸發器輸出低電平，VT截止。開狀態關狀態121086420BHBRPBOPONOFF1開關型集成霍爾傳感器工作特性:BOP——工作點“開”BRP——釋放點“關”BH——磁滯(回差)B>BOP高

低，開狀態B<BRP低高，關狀態回差越大，抗振動干擾能力就越強。121086420BHBRPBOPONOFF1開關型集成霍爾傳感器開關型霍爾集成電路的史密特輸出特性當磁鐵從遠到近地接近霍爾IC，到多少特斯拉時輸出翻轉？當磁鐵從近到遠地遠離霍爾IC，到多少特斯拉時輸出再次翻轉？回差為多少特斯拉？1開關型集成霍爾傳感器接口電路3020T外形應用電路較典型的開關型霍爾器件UGN3020引腳2線性型集成霍爾傳感器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，比直接使用霍爾元件方便得多。它的輸出電壓與外加磁感應強度呈線性關系。當磁場為零時，它的輸出電壓等于零；當感受的磁場為正向時，輸出為正；磁場反向時，輸出為負。線性型三端霍爾集成電路線性范圍2線性型集成霍爾傳感器結構及工作原理構成：霍爾元件、放大器、穩壓電源、電流放大輸出級、失調調整、線性度調整穩壓單端輸出：SL3501T雙端輸出：SL3501M穩壓2線性型集成霍爾傳感器-0.3-0.2–0.100.10.20.35.64.63.62.61.6

SL3501T輸出特性曲線霍爾線性集成傳感器的技術參數：SL3501M輸出特性曲線0.040.080.120.160.200.240.280.322.52.01.51.00.50R=15ΩR=100ΩR=0主要技術特性385.3霍爾傳感器的應用1.霍爾式位移傳感器2.霍爾式電流傳感器3.霍爾式壓力傳感器4.霍爾式轉速傳感器5.霍爾式功率傳感器1霍爾式位移傳感器霍爾元件可制成位移傳感器霍爾元件置于兩相反方向的磁場中在a、b兩端通入控制電流i左半產生的霍爾電勢VH1和右半產生的霍爾電勢VH2方向相反c，d兩端輸出電壓是VH1-VH2，若使初始位置時VH1=VH2，則輸出電壓為零。當霍爾元件相對于磁極作x方向位移時，可得到輸出電壓VH=VH1-VH2，且ΔVH數值正比于位移量Δx，正負方向取決于位移Δx的方向霍爾元件傳感器既能測量位移的大小，又能鑒別位移的方向1霍爾式位移傳感器磁場梯度越大，靈敏度越高磁場梯度越均勻，輸出線性越好測量范圍：1~2mm1霍爾式位移傳感器霍爾－角位移測量測量角位移1霍爾式位移傳感器霍爾式接近開關

當磁鐵的有效磁極接近、并達到動作距離時，霍爾式接近開關動作。1霍爾式位移傳感器2霍爾式電流傳感器

用一環形導磁材料作成磁芯，將磁芯做成張合結構，在磁芯開口處放置霍爾器件，將環形磁芯夾在被測電流流過的導線外；由安培環路定理知，在有電流流過的導線周圍會感生出與之成正比磁場，利用霍爾傳感器測量出磁場，從而確定導線中電流的大小，利用這一原理可以設計制成霍爾電流傳感器。霍爾元件測量電流：檢測通電導線周圍的磁場2霍爾式電流傳感器霍爾電流傳感器演示鐵心線性霍爾ICII2霍爾式電流傳感器2霍爾式電流傳感器霍爾鉗形電流表（交直流兩用）壓舌豁口

鉗形電流表測量時，應先估計被測電流大小，選擇適當量程，若無法估計，須在不帶電情況下或者在鉗