1、2023-1-241第第7章章 霍尔传感器霍尔传感器2023-1-242引言引言n霍尔传感器是基于霍尔效应的一种传感器。霍尔传感器是基于霍尔效应的一种传感器。n1879年美国物理学家霍尔首先在金属材料中年美国物理学家霍尔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。太弱而没有得到应用。n随着半导体技术的发展，开始用半导体材料制随着半导体技术的发展，开始用半导体材料制成霍尔元件，由于它的霍尔效应显著而得到应成霍尔元件，由于它的霍尔效应显著而得到应用和发展。用和发展。n霍尔传感器广泛用于电磁测量、压力、加速度、霍尔传感器广泛用于
2、电磁测量、压力、加速度、振动等方面的测量。振动等方面的测量。2023-1-2437.1 霍尔传感器的工作原理霍尔传感器的工作原理n金属或半导体薄片置于磁感应强度金属或半导体薄片置于磁感应强度B的磁的磁场（磁场方向垂直与薄片）中，当有电场（磁场方向垂直与薄片）中，当有电流流I通过时，在垂直于电流和磁场的方向通过时，在垂直于电流和磁场的方向上将产生电动势上将产生电动势UH，这种物理现象称为，这种物理现象称为霍尔效应。该电势霍尔效应。该电势UH 称霍尔电势。称霍尔电势。n霍尔效应的产生是由于运动电荷受磁场霍尔效应的产生是由于运动电荷受磁场中洛伦兹力作用的结果。中洛伦兹力作用的结果。7.1.1 霍霍
3、尔尔 效效 应应 2023-1-244霍尔效应霍尔效应n一块长为一块长为L、宽为、宽为W、厚为、厚为d的的N型半导型半导体薄片，位于磁感应强度为体薄片，位于磁感应强度为B的磁场中，的磁场中，B垂直于垂直于L-W平面，沿平面，沿L通电流通电流I，N型半型半导体的载流体导体的载流体-电子将受到电子将受到B产生的洛仑产生的洛仑兹力兹力FB的作用的作用 BeFvB2023-1-245n洛仑兹力洛仑兹力FL使电子向垂直于使电子向垂直于B和自由电子运和自由电子运动方向偏移，其方向符合右手螺旋定律，即动方向偏移，其方向符合右手螺旋定律，即电子有向某一端积聚的现象，使半导体电子有向某一端积聚的现象，使半导体端
4、端面产生负电荷积聚，另一端面则为正电荷积面产生负电荷积聚，另一端面则为正电荷积聚。由于电荷积聚，产生静电场，称为霍尔聚。由于电荷积聚，产生静电场，称为霍尔电场。该静电场对电子的作用力电场。该静电场对电子的作用力FE与洛仑兹与洛仑兹力力FL的方向相反，将阻止电子继续偏转，其的方向相反，将阻止电子继续偏转，其大小为大小为 7.1.2 基本原理基本原理bUeeEFHHE2023-1-246n电场力阻止电子继续向原侧面积累，当电场力阻止电子继续向原侧面积累，当电子所受电场力和洛仑兹力相等时，电电子所受电场力和洛仑兹力相等时，电荷的积累达到动态平衡，由于存在荷的积累达到动态平衡，由于存在EH，半导体片两
5、侧面间出现电位差半导体片两侧面间出现电位差UH，称为，称为霍尔电势霍尔电势 IBdIBdRUHH2023-1-247n磁场与薄片法线夹角为磁场与薄片法线夹角为 HHcosUK IB2023-1-248常用的霍尔元件材料常用的霍尔元件材料 n锗、硅、砷化铟、锑化铟等半导体材料。其锗、硅、砷化铟、锑化铟等半导体材料。其中中N型锗容易加工制造，其霍尔系数、温度型锗容易加工制造，其霍尔系数、温度性能和线性度都较好。性能和线性度都较好。N型硅的线性度最好，型硅的线性度最好，其霍尔系数、温度性能同其霍尔系数、温度性能同N型锗相近。锑化型锗相近。锑化铟对温度最敏感，尤其在低温范围内温度系铟对温度最敏感，尤其
6、在低温范围内温度系数大，但在室温时其霍尔系数较大。砷化铟数大，但在室温时其霍尔系数较大。砷化铟的霍尔系数较小，温度系数也较小，输出特的霍尔系数较小，温度系数也较小，输出特性线性度好。性线性度好。霍尔元件霍尔元件2023-1-2410 霍尔元件的材料特性霍尔元件的材料特性2023-1-24117.1.3 霍尔元件的主要参数霍尔元件的主要参数n1.额定功耗额定功耗 n2.输入电阻和输出电阻输入电阻和输出电阻 n3.不平衡电势不平衡电势 n4.霍尔电势温度系数霍尔电势温度系数 n5.内阻温度系数内阻温度系数 n6.灵敏度灵敏度 1主要特性参数主要特性参数霍尔元件基本特性 n线性特性与开关特性线性特性
7、与开关特性n不等位电阻不等位电阻n负载特性负载特性 n温度特性温度特性 霍尔元件的零位误差及补偿 n不等位电动势的补偿不等位电动势的补偿n寄生直流电动势的补偿寄生直流电动势的补偿n元件在制作安装时，尽量做到使电极欧姆接元件在制作安装时，尽量做到使电极欧姆接触，并做到均匀散热。触，并做到均匀散热。n欧姆接触：金属与半导体的接触，其接触面欧姆接触：金属与半导体的接触，其接触面的电阻值远小于半导体本身的电阻。的电阻值远小于半导体本身的电阻。霍尔元件的温度误差及其补偿0(1)HHKKT0000IPPHRRIRI)1(0TRRII)1(0TRRPP)1()1()1(000TRTRITRRRIRIPIPP
8、IPHHHHHIKIK0000)(IPRR2023-1-24167.1.4 霍尔元件的基本测量电路霍尔元件的基本测量电路+-U UH HI RPVCCRL2023-1-24177.2 集成霍尔传感器集成霍尔传感器集成霍尔传感器是利用硅集成电路工艺将霍尔元件和测量线路集成在一起的一种传感器。集成霍尔传感器与分立元件相比，它具有可靠性高、体积小、重量轻、功耗低等优点，正越来越受到重视。集成霍尔传感器的输出是经过处理的霍尔输出信号。按照输出信号的形式，可以分为开关型集成霍尔传感器和线性集成霍尔传感器两种类型。2023-1-24187.2.1 开关型集成霍尔传感器开关型集成霍尔传感器n霍尔片、引线和壳
9、体组成霍尔片、引线和壳体组成 1.开关型集成霍尔传感器的结构开关型集成霍尔传感器的结构2023-1-24197.2.1 开关型集成霍尔传感器开关型集成霍尔传感器2开关型霍尔集成传感器的工作原理稳压电路VCC输出UOUTGND231霍尔元件放大器整形电路VT+-UH2023-1-24207.2.1 开关型集成霍尔传感器开关型集成霍尔传感器3.开关型集成霍尔传感器的工作特性UOUTOPBKPB开关B（V）HB02023-1-24217.2.1 开关型集成霍尔传感器开关型集成霍尔传感器4.开关型集成霍尔传感器的接口电路2023-1-24227.2.2 线性集成霍尔传感器线性集成霍尔传感器1.线性集成
10、霍尔传感器的结构及工作原理mAVVCC12VDC10mASL3501TNS123+_DC2023-1-24237.2.2 线性集成霍尔传感器线性集成霍尔传感器2.线性集成霍尔传感器的主要技术特性磁感应强度B（T）输出电压UOUT（V）R=15R=0R=1000.080.040.120.16 0.20 0.24 0.280.3200.51.01.52.02.52023-1-24247.3 霍尔传感器的应用霍尔传感器的应用7.3.1 霍尔式位移传感器霍尔式位移传感器n微位移的测量 2023-1-24267.3 霍尔传感器的应用霍尔传感器的应用7.3.2 霍尔式压力传感器霍尔式压力传感器2023-1
11、-24277.3 霍尔传感器的应用霍尔传感器的应用7.3.3 霍尔电子点火器霍尔电子点火器隔磁罩隔磁罩缺口霍尔元件(a)磁钢转速的测量 2023-1-2430常用传感器：常用传感器：国产国产YSH-1型霍尔压力变送器型霍尔压力变送器 2023-1-2431霍尔转速传感器在汽车防抱死装置（ABS）中的应用 若汽车在刹车时车轮被抱死，将产生危险。用霍尔转速传感器来检测车轮的转动状态有助于控制刹车力的大小。带有微带有微型磁铁型磁铁的霍尔的霍尔传感器传感器钢质钢质霍尔霍尔2023-1-2432ABS的工作原理的工作原理 1车速齿轮传感器 2压力调节器 3控制器 2023-1-2433霍尔转速表 在被测转速的转轴上安装一个齿盘，也可选取机械系统中的一个齿轮，将线性型霍尔器件及磁路系统靠近齿盘。齿盘的转动使磁路的磁阻随气隙的改变而周期性地变化，霍尔器件输出的微小脉冲信号经隔直、放大、整形后可以确定被测物的转速。S SN N线性霍尔线性霍尔磁铁磁铁2023-1-2434霍尔式接近开关 当磁铁的有效磁极接近、并达到动作距离时，霍尔式接近开关动作。霍尔接近开关一般还配一块钕铁硼磁铁。2023-1-2435霍尔电流传感器演示铁心 线性霍尔线性霍尔IC所实现的多媒体界面：所实现的多媒体界面：2023-1-2436霍尔钳形电流表（交直流两用）压舌压舌豁口豁口
