第七章霍爾型傳感器

霍爾型傳感器是磁電轉(zhuǎn)換的一種傳感器。1879年霍爾在金屬材料中發(fā)現(xiàn)的，已有一百多年的歷史，由于霍爾效應(yīng)在金屬中非常微弱，只是在大學(xué)的教科書中作為一種理論而存在，并未付諸實(shí)際應(yīng)用。直到100多年以后，大約到上世紀(jì)四十年代后期，半導(dǎo)體工藝的成熟，科學(xué)家利用半導(dǎo)體工藝重新試驗(yàn)霍爾效應(yīng)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：半導(dǎo)體工藝（P或N型）都可以再現(xiàn)霍爾效應(yīng)現(xiàn)象，并金屬霍爾元件的公式半導(dǎo)體霍爾元件可得到同樣的結(jié)論，而且N型半導(dǎo)體尤其明顯。使霍爾效應(yīng)得到廣泛的應(yīng)用。我國大約到上世紀(jì)七十年代開始研究霍爾元件，已能生產(chǎn)各種性能霍爾元件，例如：普通型、高靈敏度型、低溫度系數(shù)型、測溫測磁性和開關(guān)型等。

第一節(jié)霍爾元件的結(jié)構(gòu)及工作原理

第二節(jié)霍爾元件的基本電路及主要參數(shù)

第三節(jié)霍爾集成電路

第四節(jié)

霍爾型傳感器應(yīng)用

第五節(jié)霍爾傳感器綜合訓(xùn)練

第一節(jié)霍爾元件的結(jié)構(gòu)及工作原理

一、霍爾效應(yīng)定義

金屬或半導(dǎo)體薄片置于磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的磁場中，磁場方向垂直于薄片，當(dāng)有電流流過薄片時，在垂直于電流和磁場的方向上將產(chǎn)生電動勢，這種現(xiàn)象稱霍爾效應(yīng)。如圖7-1所示?；魻栃?yīng)所產(chǎn)生的電勢稱霍爾電勢，大小與控制電流I和磁感應(yīng)強(qiáng)度B的乘積成正比例。半導(dǎo)體薄片稱霍爾元件。

二、霍爾元件結(jié)構(gòu)

霍爾元件是半導(dǎo)體四端薄片，一般做成正方形，在薄片的相對兩側(cè)對稱的悍上兩對電極引出線（一對稱激勵電流端，另一對稱霍爾電勢輸出端），如圖7—2所示

其中：其中：另則

（N型半導(dǎo)體的較大，很高。所以，RH大。）另（）霍爾元件靈敏度則

可以看出：①霍爾電壓與材料的性質(zhì)有關(guān)。材料的大，就大。金屬雖然很大，但是很小，故不宜做成元件。在半導(dǎo)體材料中，由于電子的遷移率比空穴的大，即，所以，霍爾元件一般采用N型半導(dǎo)體材料；②霍爾電壓與元件的尺寸有關(guān)。d愈小，愈大，霍爾元件靈敏度越高，所以霍爾元件的厚度都比較薄，但d太小，會使元件的輸入、輸出電阻增加。③霍爾電壓與控制電流及磁場強(qiáng)度有關(guān)。正比于I及B。當(dāng)控制電流恒定時，B愈大，愈大。當(dāng)磁場改變方向時，也改變方向。同樣，當(dāng)霍爾靈敏度及磁感應(yīng)強(qiáng)度B恒定時，增加控制電流I，也可以提高霍爾電壓的輸出。

二、元件連接

為得到較大的霍爾輸出，當(dāng)元件的工作電流為直流時，可把幾個霍爾元件輸出串連起來，但控制電流極應(yīng)并聯(lián)。如圖7—4所示。

三、主要參數(shù)

①輸入電阻與輸出電阻：指控制電流極之間的阻值；指霍爾電極之間的阻值。和可用直流電橋或歐姆表（在無外磁場和室溫條件下）測量。②額定激勵電流(mA)：使霍爾元件溫升所施加的控制電流，實(shí)際使用時，控制電流的增加受到霍爾元件的最高溫升限制。③不等位電勢和不等位電阻：在額定控制電流下，不加外磁場時，霍爾電極間的空載電勢稱為不等位電勢（mV）,可以在不加外磁場的條件下，將元件通以控制電流，用直流電位差計(jì)測得空載霍爾電勢值。不等位電勢與額定控制電流I之比，為元件的不等位電阻（）。④寄生直流電勢U：在無外磁場情況下，霍爾元件通以交流控制電流，開路霍爾電極間輸出交流電勢稱交流不等位電勢，輸出直流電勢稱寄生直流電勢V（）。⑤霍爾溫度系數(shù)：在一定磁感應(yīng)強(qiáng)度和激勵電流下，溫度每變化1度時，霍爾電勢變化的百分率稱霍爾溫度系數(shù)。目前，國內(nèi)外生產(chǎn)的霍爾元件種類很多，表7—1列出了部分國產(chǎn)霍爾元件的有關(guān)參數(shù)，供選用時參考。四、實(shí)際應(yīng)用

例如：利用霍爾元件測量機(jī)械加工工件的凹和凸。如圖7—6所示。若工件凸，則霍爾元件向上移動Δx位移，磁感應(yīng)強(qiáng)度B發(fā)生變化，將引起霍爾電勢UH的變化；若工件凹，則霍爾元件向下移動Δx位移，磁感應(yīng)強(qiáng)度B發(fā)生變化，將引起霍爾電勢UH的變化。若測得輸出量UH為正，則可判斷工件為凸，再利用轉(zhuǎn)換電路和控制電路去控制車床去車掉多余的部分。若測得輸出量UH為負(fù)，則可判斷工件為凹，再利用轉(zhuǎn)換電路和控制電路判斷該工件凹的程度，以便決定是報廢該工件還是留用該工件。

第三節(jié)霍爾集成電路

隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，目前，霍爾器件大多已集成化?；魻柤呻娐酚性S多優(yōu)點(diǎn)，例如：體積小、靈敏度高、輸出幅度大、溫漂小、對電源穩(wěn)定性要求低等?；魻柤稍腔魻栐c集成運(yùn)放一體化的結(jié)構(gòu)，是一種傳感器模塊。可分為線性輸出型和開關(guān)輸出型兩大類。線性輸出型是將霍爾元件和恒流源、線性放大器等做在一個芯片上，輸出電壓較高，使用非常方便，已得到廣泛的應(yīng)用。較典型的線性霍爾器件如UGN3501等。而開關(guān)輸出型是將霍爾元件、穩(wěn)壓電路、放大器、施密特觸發(fā)器、OC門等電路做在同一個芯片上。當(dāng)外加磁場強(qiáng)度超過規(guī)定的工作點(diǎn)時，OC門由高電阻狀態(tài)變?yōu)榈酵顟B(tài)，輸出變?yōu)榈碗娖?，?dāng)外加磁場強(qiáng)度低于釋放點(diǎn)時，OC門重新變?yōu)楦唠娮锠顟B(tài)，輸出高電平。較典型的開關(guān)型霍爾器件如UGN3020等。開關(guān)輸出型霍爾集成元件與微型計(jì)算機(jī)等數(shù)字電路兼容，因此，應(yīng)用相當(dāng)廣泛。

第四節(jié)霍爾型傳感器應(yīng)用

霍爾電勢是關(guān)于I、B、a三個變量的函數(shù)，即E=kIBcosa，人們利用這個關(guān)系可以使其中兩個變量不變，將第三個量作為變量，或者固定其中一個量、其余兩個量都作為變量。三個變量的多種組合使得霍爾傳感器具有非常廣闊的應(yīng)用領(lǐng)域?；魻杺鞲衅饔捎诮Y(jié)構(gòu)簡單、尺寸小、無觸點(diǎn)、動態(tài)特性好、壽命長等特點(diǎn)，因而得到了廣泛應(yīng)用。如磁感應(yīng)強(qiáng)度、電流、電功率等參數(shù)的檢測都可以選用霍爾器件。它特別適合于大電流、微小氣隙中的磁感應(yīng)強(qiáng)度、高梯度磁場參數(shù)的測量。此外，也可用于位移、加速度、轉(zhuǎn)速等參數(shù)的測量以及自動控制。歸納起來，霍爾傳感器主要有下列三個方面的用途：

①維持I、a不變，則E=f(B)，在這方面的應(yīng)用有：測量磁場強(qiáng)度的高斯計(jì)、測量轉(zhuǎn)速的霍爾轉(zhuǎn)速表、磁性產(chǎn)品計(jì)數(shù)器、霍爾式角編碼器以及基于微小位移測量原理的霍爾式加速度計(jì)、微壓力計(jì)等；②維持I、B不變，則E=f(a)，在這方面的應(yīng)用有角位移測量儀等；③維持a不變，則E=f(IB)，即傳感器的輸出E與IB的乘積成正比，在這方面的應(yīng)用有模擬乘法器、霍爾式功率計(jì)等。下面我們介紹幾種霍爾傳感器的應(yīng)用實(shí)例

一、電流的測量

圖7—12給出了霍爾元件用于測量電流時的工作原理圖。標(biāo)準(zhǔn)圓環(huán)鐵心有一個缺口，用于安裝霍爾元件，圓環(huán)上繞有線圈，當(dāng)檢測電流通過線圈時產(chǎn)生磁場，則霍爾傳感器就有信號輸出。若采用傳感器為UGN—3501M，當(dāng)線圈為9匝，電流為20A時，其電壓輸出約為7.4V。利用這種原理，也可制成電流過載檢測器或過載保護(hù)裝置。

二、位移測量

如圖7—13（a)所示。在磁場強(qiáng)度相同而極性相反的兩個磁鐵氣隙中放置一個霍爾元件。當(dāng)元件的控制電流I恒定不變時，霍爾電勢與磁感應(yīng)強(qiáng)度B成正比。若磁場在一定范圍內(nèi)沿x方向的變化梯度為一常數(shù)如圖7—13（b）所示。則當(dāng)霍爾元件沿x方向移動時，的變化為:

式中K為位移傳感器輸出靈敏度。將上式積分后得:

上式說明，霍爾電勢與位移量成線性關(guān)系，其極性反映了元件位移的方向。磁場梯度越大，靈敏度越高；磁場梯度越均勻，輸出線型度越好。當(dāng)時，即元件位于磁場中間位置上時，，這是由于元件在此位置受到大小相等、方向相反的磁通作用的結(jié)果。一般可用來測量1~2mm的小位移，其特點(diǎn)是：慣性小，響應(yīng)速度快，無接觸測量。利用這一原理還可以測量其他非電量，如力、壓力、壓差、液位和加速度等

圖7—13霍爾電勢UH與磁感應(yīng)強(qiáng)度B關(guān)系曲線

三、角位移測量儀

角位移測量儀的結(jié)構(gòu)如圖7—14所示?；魻柶骷c被測物連動，而霍爾器件又在一個恒定的磁場中轉(zhuǎn)動，于是霍爾電勢就反應(yīng)了轉(zhuǎn)角變化。不過，這個變化是非線性的（正比于），若要求與成線性關(guān)系，必須采用特定形狀的磁極。

四、霍爾轉(zhuǎn)速表

圖7—15是霍爾轉(zhuǎn)速表示意圖。在被測轉(zhuǎn)速的轉(zhuǎn)軸上安裝一個齒盤，也可選取機(jī)械系統(tǒng)中的一個齒輪，將線性形霍爾器件及磁路系統(tǒng)靠近齒盤，隨著齒盤的轉(zhuǎn)動，磁路的磁阻也周期性地變化，測量霍爾元件輸出的脈沖頻率經(jīng)隔直、放大、整形后就可以確定被測物的轉(zhuǎn)速。

五、霍爾式微壓力傳感器

霍爾式微壓力傳感器的原理如圖7—16所示。被測壓力使彈性波紋膜盒膨脹，帶動杠桿向上移動，從而，使霍爾器件在磁路系統(tǒng)中運(yùn)動，改變了霍爾器件感受的磁場大小及方向，引起霍爾電勢的大小和極性的改變。由于波紋膜盒及霍爾器件的靈敏度很高，所以可用于測量微小壓力的變化。

第五節(jié)電霍爾傳感器綜合訓(xùn)練

習(xí)題1.

霍爾效應(yīng)是導(dǎo)體中的載流子在磁場中受

作用產(chǎn)生

的結(jié)果。2.半導(dǎo)體材料中的

比金屬的小得多，因而霍爾常數(shù)大，加上半導(dǎo)體中電子的

比空穴大，故霍爾元件多采用

材料制成。3.減少霍爾元件溫度誤差的措施有：（1）采用

提供控制電流；（2）合理選擇

。（3）

。4.霍爾式傳感器基本包括兩部分：一部分是彈性元件，將感受的非電量轉(zhuǎn)換成

，另一部分是霍爾元件和

。5.制造霍爾元件的半導(dǎo)體材料中，目前用的較多的是鍺、銻化銦、砷化銦，其原因是（）A.

半導(dǎo)體材料的乘積靈敏度比金屬的大B.

半導(dǎo)體中電子遷移率比空穴高C.

半導(dǎo)體材料的電子遷移率比較大D.

半導(dǎo)體較適宜制造靈敏度較高的霍爾元件

6.霍爾效應(yīng)中，霍爾電動勢與（）A.乘積靈敏度成反比B.乘積靈敏度成正比C.霍爾元件的厚度成反比D.霍爾元件的厚度成正比7.霍爾效應(yīng)中，霍爾電動勢與（）A.激磁電流成正比B.激磁電流成反比C.磁感應(yīng)強(qiáng)度成正比D.磁感應(yīng)強(qiáng)度成反比8.為什么霍爾元件不用金屬制作，而用半導(dǎo)體，且用N型半導(dǎo)體制作？9.簡述霍爾元件靈敏系數(shù)的定義。10.試述霍爾元件的簡單結(jié)構(gòu)。11.試述霍爾電勢建立的過程?；魻栯妱莸拇笮『头较蚺c哪些因素有關(guān)？12.為測量某霍爾元件的乘積靈敏度KH，構(gòu)成如圖所示實(shí)驗(yàn)線路?，F(xiàn)施加的外磁場，方向如圖所示。調(diào)節(jié)R使，測得輸出電