第八章 霍尔传感器第八章 霍尔传感器

8.1 8.1 霍尔效应及霍尔元件霍尔效应及霍尔元件8.2 8.2 霍尔集成传感器霍尔集成传感器8.3 8.3 霍尔传感器的应用霍尔传感器的应用

8.1 8.1 霍尔效应及霍尔元件霍尔效应及霍尔元件8.1 霍尔效应及霍尔元件8.1.1 霍尔效应 位于磁场中的静止载流导体，当其电流

I 的方向与磁场强度 H 的方向之间有夹角 α时，则在载流导体中平行与 H 、 I 的两侧面之间将产生电动势，这一物理现象称为霍尔效应。

如图 8-1 所示，

图 8-1 霍尔效应原理

其洛仑兹力大小可表示为 FL= － q0vB 静电场对电子的作用力

上式连立 :

b

UqEqF H0H0E

BIKd

BIR

dnq

BIU CH

CH

0

CH

式中 :

0H

1

nqR 霍尔系数（ m3/C ）

d

RK HH 霍尔器件的灵敏系数

8.1.2 霍尔元件和测量电路

１．霍尔元件 霍尔元件的结构如图 8-2 所示。

图中的矩形薄片状的立方晶体称为基片，在它

的两垂侧面上各装有一对电极，电极 1-1 用以加激励电压或流过激励电流，故称为激励电极，电极 2-2 作为霍尔电势 UH 的输出，故称为霍尔电极，基片的尺寸要求厚度 d 越薄越好， d 越薄，霍尔元件的灵敏系数 越大，在基片外面用金属或陶瓷、环氧树脂封装作为外壳。图 8-3 是霍尔元件的通用图形符号。

图 8-2 外形结构示意图 图 8-3 图形符号

2 ．霍尔元件的测量电路

(1) 基本测量电路 霍尔元件的基本测量电

路如图 8-5 所示。激励电流由电压源 E 供给，其大小由可变电阻来调节。 8-5 基本测量电路

(2) 霍尔元件的输出电路 在实际应用中，要根据不同的使用要求采用不同的连

接电路方式。如在直流激励电流情况下，位了获得较大的霍尔电压，可将几块霍尔元件的输出电压串联，如图 8-6（ a ）所示。在交流激励电流情况下，几块霍尔元件的输出可通过变压器接成如图 8-6 （ b ）的形式，以增加霍尔电压或输出功率。

(a) 直流激励 (b) 交流激励 图 8-6 霍尔元件的输出电路

8.1.3 霍尔元件的主要特性参数1 ．输入电阻 Ri 和输出电阻 Ro

定义霍尔元件激励电极之间的电阻称为输入电阻 Ri 。霍尔电极之间的电阻称为输出电阻 Ro

2 ．额定激励电流 IN 和最大允许激励电流 Imax

霍尔元件在空气中产生的温升为 10℃ 时，所对应的激励电流称为额定激励电流 IN 。以元件允许的最大温升为限制，所对应的激励电流称为最大允许激励电流 Imax 。

3 ．不等位电势和不等位电阻 当霍尔元件的激励电流为额定值 IN 时，若元件

所处位置的磁感应强度为零，则它的霍尔电势应该为零，但实际不为零，这时测得的空载霍尔电势称为不等位电势。

产生原因 : 主要由霍尔电极安装不对称造成的 , 由于半导体材料的电阻率不均匀、基片的厚度和宽度不一致、霍尔电极与基片的接触不良（部分接触）等原因，即使霍尔电极的装配绝对对称，也会产生不等位电势。

补偿方法 : 任意两相邻的电极

之间可视为一个等效电阻 , 则霍尔元件可视为一四臂电桥 , 要不等位电势为 0,只需电桥输出为零即可 , 因此采用加调零电位器的方法很好 . 如图 8-7所示 .

4．交流不等位电势与寄生直流电势 在不加外磁场的情况下，霍尔元件使用交流激励时，霍尔电极间的开路交流电势称为交流不等位电势。在此情况下输出的直流电势称为寄生直流电势。

产生交流不等位电势的原因与不等位电势相同，而寄生直流电势的产生则是由于：

（ 1 ）霍尔电极与基片间的非完全欧姆接触而产生的整流效应。（ 2 ）霍尔电极与基片间的非完全欧姆接触而产生的整流效应，使激励

电流中包含有直流分量，通过霍尔元件的不等位电势的作用反映出来。一般情况下，不等位电势越小，寄生直流电势也越小。

（ 3 ）当两个霍尔电极的焊点大小不同时，由于它们的热容量、热耗散等情况的不同，引起两电极温度不同而产生温差电势，也是寄生直流电势的一部分。

寄生直流电势可用图 8-8 所示电路测量，经变压器降压后的交流电源供给霍尔元件的激励电流，直流电位差计 UJ-30的显示灵敏度应大于 10-7V。

图 8-8 测量寄生直流电势的电路图

5 ．霍尔电势温度系数 α 在一定磁感应强度和激励电流下，温度每变化

1℃ 时，霍尔电势变化的百分率，称为霍尔电势温度系数 α 。

6 ．霍尔灵敏系数 KH

在单位控制电流和单位磁感应强度作用下，霍尔器件输出端的开路电压，称为霍尔灵敏系数 KH ，霍尔灵敏系数 KH 的单位为 V/（ A·T）。

8.1.4 霍尔器件的材料选择 以 N型半导体材料为好 . 表中给出常见的

材料 .表 8-1 霍尔器件常用材料的物理性能

8.2 8.2 霍尔集成传感器霍尔集成传感器8.2.1 霍尔开关集成传感器1 ．工作原理

图 8-9 霍尔开关集成传感器原理框图

（ 1 ）霍尔元件：在 0.1T磁场作用下，霍尔元件开路时可输出 20mV 左右 的霍尔电压，当有负载时输出 10mV 左右的霍尔电压。

（ 2 ）差分放大器：放大器将霍尔电压放大，以便驱动后一级整形电路。（ 3 ）整形电路：一般采用施密特触发器，它把经差分放大的电压整形

为矩形脉冲，实现 A/D 转换。（ 4）输出管：由一个或两个三极管组成，采用单管或双管集电极开路

输出，集电极输出的优点是可以跟很多类型的电路直接连接，使用方便。

（ 5 ）电源电路：包括稳压电路和恒流电路，设置稳压和恒流电路的目的，一方面是为了改善霍尔传感器的温度性能，另一方面可以大大提高集成霍尔传感器工作电源电压的适用范围。

2 ．霍尔开关集成传感器的特性（ 1 ）磁特性 霍尔开关集成传感器的磁特性是指由高电平翻转为低电平的导通磁

感应强度 B （ H→L ）、由低电平翻转为高电平的截止磁感应强度 B（ L→H ）和磁感应强度的滞环宽度 .

滞环宽度对霍尔开关集成传感器是必需的，因为在导通磁感应强度 B （ H→L ）附近，如果没有滞环效应或滞环效应很小，那么由于磁噪声或磁钢振动等原因，会使电路的输出反复开启和关闭，形成类似于自激振荡现象。为防止这种现象的产生，必须具有一定宽度的滞环。但如果这种滞环宽度过大，对开关动作也是不利的，因为要求磁场变化幅度很大，有可能不发生动作而出现漏计现象。

我国CS型开关集成霍尔传感器的滞环宽度典型值为 6×10-3T。

图 8-10 给出了霍尔开关集成传感器磁电转换特 性曲线，横坐标表示作用于霍尔元件上的正向磁感应强度。

8-10 霍尔开关集成传 感器输出特性

（ 2 ）电特性 霍尔开关集成传感器的电特性是指它的输出

电性能，标志它的输出电性能的主要参数有输出高电平 UOH 、输出低电平 UOL 、负载电流 IOL 、输出漏电流 IOH 、截止电源电流 ICCH 和导通电源电流 ICCL 等参数。

（ 3 ）温度特性 霍尔开关集成传感器参数也随温度的变化而变化，在此主要讨论

它的导通磁感应强度 B （ H→L ）、截止磁感应强度 B （ L→H ）和滞环宽度的温度特性由图 8-11 （ a ）可以看出，导通磁感应强度的温度系数约为（ 1.5~2 ）×10-4T/℃ ，是正温度系数。从 B （ H→L ）与 B （ L→H ）特性曲线的差值中算出滞环宽度的温度系数约为 － 0.2%～－ 0.3%℃ ，是负温度系数。

图 8-11 （ b ）给出了 CS型霍尔开关集成传感器两个磁特性参数随电源电压 E 的变化曲线。从图中可以看出， B （ H→L ）和 B （ L→H ）参数在电源电压 E＜ 6V时，随电源电压减少而增加，但滞环宽度随电源电压减小而减小；在电源电压 E＞ 8V时，这三个参数基本变化不大。

图 8-11 霍尔开关集成传感器温度特性

8.2.2 霍尔线性集成传感器

线性集成霍尔传感器是将霍尔器件、放大电路、电压调整电路、电流放大输出级、失调调整和线性度调整部分集成在一块芯片上，其特点是输出电压随外加磁感应强度 B呈线性变化。霍尔线性集成传感器分单端输出和双端输出两种，它们的结构如图 8-12 （ a ）、（ b ）所示。

（ a ） SL3501T型结构（单端输出） (b) SL3501M型结构（双端输出） 图 8-12 线性集成霍尔传感器的电路结构

8.3 8.3 霍尔传感器的应用霍尔传感器的应用 由于霍尔传感器具有在静态状态下感受磁场的独特能力，而且它具有结构简单、体积小、重量轻、频带宽（从直流到微波）、动态特性好和寿命长、无触点等许多优点，因此在测量技术，自动化技术和信息处理等方面有着广泛应用。

归纳起来，霍尔传感器有三个方面的用途：（ 1 ）当控制电流不变时，使传感器处于非均匀磁场中，则传感器的霍尔电势正比于磁感应强度，利用这一关系可反映位置、角度或励磁电流的变化。

（ 2 ）当控制电流与磁感应强度皆为变量时，传感器的输出与这两者乘积成正比。在这方面的应用有乘法器、功率计以及除法、倒数、开方等运算器，此外，也可用于混频、调制、解调等环节中，但由于霍尔元件变换频率低，温度影响较显著等缺点，在这方面的应用受到一定的限制，这有待于元件的材料、工艺等方面的改进或电路上的补偿措施。

（ 3 ）若保持磁感应强度恒定不变，则利用霍尔电压与控制电流成正比的关系，可以组成回转器、隔离器和环行器等控制装置。

8.3.1 霍尔位移传感器

图 8-13 霍尔位移传感器

8.3.2 霍尔电流变换器

图 8-14 霍尔传感器电流变换器

8.3.3 利用霍尔传感器实现无接触式仿型加工

图 8-15 无接触式仿型加工原理示意图

8.3.4 自动供水装置

图 8-16 自动供水装置

8.3.5 霍尔元件在磁性材料研究中的应用

图 8-17 研究闭合材料试样磁特性的线路框图

8.3.6非接触式键盘开关

图 8-18 用霍尔开关集成传感器构成的按钮

本 章 小 结本 章 小 结 位于磁场中的静止载流导体，当电流 I 的方向与磁场强度 H 的方向

垂直时，则在载流导体中平行与 H 、 I 的两侧面之间将产生电动势，这个电动势称为霍尔电势，这种物理现象称为霍尔效应。利用霍尔效应原理制成的传感器称为霍尔传感器。

霍尔传感器有分立元件式（简称霍尔元件）和集成式（简称霍尔集成传感器）两种。霍尔元件常用锗、硅、砷化镓、砷化铟及锑化铟等半导体材料制作而成。霍尔集成传感器是将霍尔器件、放大电路、电压调整电路、电流放大输出级、失调调整和线性度调整部分集成在一块芯片上组成的。

霍尔传感器由于具有结构简单、体积小、重量轻、频带宽（从直流到微波）、动态特性好和寿命长、无触点等许多优点，因此在测量技术，自动化技术和信息处理技术等方面有着广泛应用。

思考与练习思考与练习1. 试述霍尔效应的定义。2. 试说明霍尔系数的物理意义。3. 试述霍尔传感器的主要参数。4. 试分析霍尔开关集成传感器的组成及各部分的作用。5. 简述利用霍尔传感器测量电流、磁感应强度、微位移的原

理。6. 试举实例说明霍尔传感器的应用。