1、第7章 霍尔传感器 霍尔元件是霍尔传感器的敏感元件和转换元件，它是利用某些半霍尔元件是霍尔传感器的敏感元件和转换元件，它是利用某些半导体材料的霍尔效应原理制成的。所谓导体材料的霍尔效应原理制成的。所谓霍尔效应霍尔效应是指置于磁场中的导是指置于磁场中的导体或半导体中通入电流时，若电流与磁场垂直，则在与磁场和电流都体或半导体中通入电流时，若电流与磁场垂直，则在与磁场和电流都垂直的方向上出现一个电势差。垂直的方向上出现一个电势差。图7.1 霍尔效应原理图HHHR IBIBUK IBnedd 一般来说，都是选择半导体一般来说，都是选择半导体材料来做霍尔元件。此外，对厚材料来做霍尔元件。此外，对厚度度
2、d 选择得越小，选择得越小，KH越高；但越高；但霍尔元件的机械强度下降，且输霍尔元件的机械强度下降，且输入、输出电阻增加。因此，霍尔入、输出电阻增加。因此，霍尔元件不能做得太薄。元件不能做得太薄。第7章 霍尔传感器 7.2.1 7.2.1 基本结构基本结构 用于制造霍尔元件的材料主要有用于制造霍尔元件的材料主要有Ge（锗）、（锗）、Si（硅）、（硅）、InAs（砷化（砷化铟）和铟）和InSb（锑化铟）等。（锑化铟）等。1、2控制电流引线端；3、4霍尔电势输出端图7.2 霍尔元件结构图第7章 霍尔传感器 7.2.2 7.2.2 主要特性参数主要特性参数 1 1输入电阻输入电阻Ri i和输出电阻和
3、输出电阻Ro o 霍尔元件两激励电流端的直流电阻称为输入电阻霍尔元件两激励电流端的直流电阻称为输入电阻Ri i，两个霍尔电势输出，两个霍尔电势输出端之间的电阻称为输出电阻端之间的电阻称为输出电阻Ro o。2 2额定激励电流额定激励电流I和最大激励电流和最大激励电流IM 霍尔元件在空气中产生霍尔元件在空气中产生1010的温升时所施加的激励电流值称为额定电流的温升时所施加的激励电流值称为额定电流I。每种型号的元件均规定了相应的最大激励电流，它的数值从几毫安到几。每种型号的元件均规定了相应的最大激励电流，它的数值从几毫安到几十毫安。十毫安。3 3乘积灵敏度乘积灵敏度KH KH反映了霍尔元件本身所具有
4、的磁电转换能力，一般希望它越大越好。反映了霍尔元件本身所具有的磁电转换能力，一般希望它越大越好。4 4不等位电势不等位电势UM 在额定激励电流下，当外加磁场为零时，即当而在额定激励电流下，当外加磁场为零时，即当而B=0=0时，时，UH H=0=0；但由于；但由于4 4个电极的几何尺寸不对称，引起了且个电极的几何尺寸不对称，引起了且B=0=0时，。为此引入时，。为此引入UM M来表征霍尔元来表征霍尔元件输出端之间的开路电压，即不等位电势。件输出端之间的开路电压，即不等位电势。5 5霍尔电势温度系数霍尔电势温度系数a a 在一定磁感应强度和激励电流的作用下，温度每变化在一定磁感应强度和激励电流的作
5、用下，温度每变化11时霍尔电势变时霍尔电势变化的百分数称为霍尔电势温度系数化的百分数称为霍尔电势温度系数a a。第7章 霍尔传感器 7.3.1 7.3.1 基本测量电路基本测量电路 7.3.2 7.3.2 温度误差的补偿温度误差的补偿 图7.4 内阻与温度关系曲线 图7.5 输出电势与温度关系曲线 图7.3 霍尔元件的基本测量电路第7章 霍尔传感器 1 1恒流源补偿法恒流源补偿法 温度的变化会引起内阻的变化，而内阻的变化又使激励电流发生变化温度的变化会引起内阻的变化，而内阻的变化又使激励电流发生变化以致影响到霍尔电势的输出，采用恒流源可以补偿这种影响，其电路如以致影响到霍尔电势的输出，采用恒流
6、源可以补偿这种影响，其电路如图图7.67.6所示。所示。2 2选择合理的负载电阻进行补偿选择合理的负载电阻进行补偿 对一个确定的霍尔元件，可查表得到对一个确定的霍尔元件，可查表得到 a a、b b 和和 R Ro o 值，再求得值，再求得 R RL L 值，值，这样就可在输出回路实现对温度误差的补偿了。这样就可在输出回路实现对温度误差的补偿了。图7.6 恒流源补偿电路LoRRbaa第7章 霍尔传感器 3 3利用霍尔元件输入回路的串联电阻或并联利用霍尔元件输入回路的串联电阻或并联电阻进行补偿的方法电阻进行补偿的方法 4 4热敏电阻补偿法热敏电阻补偿法 在使用热敏电阻进行温度补偿时，要在使用热敏电
7、阻进行温度补偿时，要求热敏电阻和霍尔元件封装在一起，或者求热敏电阻和霍尔元件封装在一起，或者使两者之间的位置靠得很近，这样才能使使两者之间的位置靠得很近，这样才能使补偿效果显著。补偿效果显著。图7.8 并联输入电阻补偿原理 图7.9 热敏电阻温度补偿电路 图7.7 串联输入电阻补偿原理第7章 霍尔传感器 7.3.3 7.3.3 不等位电势的补偿不等位电势的补偿 在无磁场的情况下，当霍尔元在无磁场的情况下，当霍尔元件通过一定的控制电流件通过一定的控制电流I时，在两时，在两输出端产生的电压称为输出端产生的电压称为不等位电势不等位电势，用用UM M表示。表示。采用桥式补偿电路，可以在霍采用桥式补偿电
8、路，可以在霍尔元件的整个工作温度范围内对不尔元件的整个工作温度范围内对不等位电势进行良好的补偿，并且对等位电势进行良好的补偿，并且对不等位电势的恒定部分和变化部分不等位电势的恒定部分和变化部分的补偿可相互独立地进行调节，所的补偿可相互独立地进行调节，所以可达到相当高的补偿精度。以可达到相当高的补偿精度。图7.10 不等位电势的桥式补偿电路 第7章 霍尔传感器 霍尔集成电路可分为线性和开关型两大类。霍尔集成电路可分为线性和开关型两大类。线性霍尔集成电路将霍尔元件和恒流源、线性放大器等集成在一个芯线性霍尔集成电路将霍尔元件和恒流源、线性放大器等集成在一个芯片上。例如，片上。例如，UGN350135
9、01。开关型霍尔集成电路是将霍尔元件、稳压电路、放大器、施密特触发开关型霍尔集成电路是将霍尔元件、稳压电路、放大器、施密特触发器、器、OC门等电路集成在同一个芯片上。例如，门等电路集成在同一个芯片上。例如，UGN3020 3020。图7.11 线性霍尔集成电路 图7.12 线性霍尔集成电路输出特性第7章 霍尔传感器 图7.15 差动输出线性霍尔集成电路 图7.16 差动输出线性霍尔集成电路输出特性 图7.13 开关型霍尔集成电路 图7.14 开关型霍尔集成电路输出特性第7章 霍尔传感器 1 1霍尔转速表霍尔转速表2 2霍尔式无触点点火装置霍尔式无触点点火装置图7.17 霍尔转速表 1磁轮鼓；2
10、开关型霍尔集成元件；3晶体管功率开关；4点火线圈；5火花塞7.18 霍尔点火装置示意图 第7章 霍尔传感器 3 3霍尔式功率计霍尔式功率计 4 4霍尔式无刷直流电机霍尔式无刷直流电机 图7.20 霍尔无刷直流电机基本原理 图7.19 霍尔效应交流功率计 第7章 霍尔传感器 小 结 霍尔元件测量的关键是霍尔效应。霍尔电势霍尔元件测量的关键是霍尔效应。霍尔电势UH与磁感应强度与磁感应强度B、控、控制电流之间存在关系制电流之间存在关系UH=KHIB。KH称为霍尔元件的乘积灵敏度，它反映称为霍尔元件的乘积灵敏度，它反映了霍尔元件的磁电转换能力。了霍尔元件的磁电转换能力。在实际使用中，霍尔电势会受到温度
11、变化的影响，一般用霍尔电势在实际使用中，霍尔电势会受到温度变化的影响，一般用霍尔电势温度系数温度系数a a来表征。为了减小来表征。为了减小a a，需要对基本测量电路进行温度补偿的，需要对基本测量电路进行温度补偿的改进，常用的有以下方法：采用恒流源提供控制电流；选择合理的负载改进，常用的有以下方法：采用恒流源提供控制电流；选择合理的负载电阻进行补偿；利用霍尔元件回路的串联或并联电阻进行补偿；也可以电阻进行补偿；利用霍尔元件回路的串联或并联电阻进行补偿；也可以在输入回路或输出回路中加入热敏电阻进行温度误差的补偿。在输入回路或输出回路中加入热敏电阻进行温度误差的补偿。由于霍尔元件在制造工艺方面的原因存在一个不等位电势由于霍尔元件在制造工艺方面的原因存在一个不等位电势UM，从，从而对测量结果造成误差。为解决这一问题，可采用具有温度补偿的桥式而对测量结果造成误差。为解决这一问题，可采用具有温度补偿的桥式补偿电路。该电路本身也接成桥式电路，且其中一个桥臂采用热敏电阻，补偿电路。该电路本身也接成桥式电路，且其中一个桥臂采用热敏电阻，可以在霍尔元件的整个工作温度范围内对可以在霍尔元件的整个工作温度范围内对UM进行良好的补偿。进行良好的补偿。返回目录返回目录
