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第7章 霍尔传感器 7.1 7.1 霍尔元件工作原理霍尔元件工作原理 霍霍霍霍尔尔尔尔元元元元件件件件是是是是霍霍霍霍尔尔尔尔传传传传感感感感器器器器的的的的敏敏敏敏感感感感元元元元件件件件和和和和转转转转换换换换元元元元件件件件，它它它它是是是是利利利利用用用用某某某某些些些些半半半半导导导导体体体体材材材材料料料料的的的的霍霍霍霍尔尔尔尔效效效效应应应应原原原原理理理理制制制制成成成成的的的的。所所所所谓谓谓谓霍霍霍霍尔尔尔尔效效效效应应应应是是是是指指指指置置置置于于于于磁磁磁磁场场场场中中中中的的的的导导导导体体体体或或或或半半半半导导导导体体体体中中中中通通通通入入入入电电电电流流流流时时时时，若若若若电电电电流流流流与与与与磁磁磁磁场场场场垂垂垂垂直直直直，则则则则在在在在与与与与磁磁磁磁场场场场和和和和电电电电流流流流都都都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。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 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 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 7.2 霍尔元件的基本结构和主要特性参数霍尔元件的基本结构和主要特性参数 7.2.1 7.2.1 7.2.1 7.2.1 基本结构基本结构基本结构基本结构 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GeGe（锗）、（锗）、（锗）、（锗）、SiSi（硅）、（硅）、（硅）、（硅）、InAsInAs（砷化（砷化（砷化（砷化铟）和铟）和铟）和铟）和InSbInSb（锑化铟）等。（锑化铟）等。（锑化铟）等。（锑化铟）等。1、2限制电流引线端；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 7.2.2 7.2.2 主要特性参数主要特性参数主要特性参数主要特性参数 1 1 1 1输入电阻输入电阻输入电阻输入电阻RiRiRiRi和输出电阻和输出电阻和输出电阻和输出电阻Ro Ro Ro Ro 霍霍霍霍尔尔尔尔元元元元件件件件两两两两激激激激励励励励电电电电流流流流端端端端的的的的直直直直流流流流电电电电阻阻阻阻称称称称为为为为输输输输入入入入电电电电阻阻阻阻RiRiRiRi，两个霍尔电势输出端之间的电阻称为输出电阻，两个霍尔电势输出端之间的电阻称为输出电阻，两个霍尔电势输出端之间的电阻称为输出电阻，两个霍尔电势输出端之间的电阻称为输出电阻RoRoRoRo。2 2 2 2额定激励电流额定激励电流额定激励电流额定激励电流I I I I和最大激励电流和最大激励电流和最大激励电流和最大激励电流IMIMIMIM 霍霍霍霍尔尔尔尔元元元元件件件件在在在在空空空空气气气气中中中中产产产产生生生生10101010的的的的温温温温升升升升时时时时所所所所施施施施加加加加的的的的激激激激励励励励电电电电流流流流值值值值称称称称为为为为额额额额定定定定电电电电流流流流I I I I。每每每每种种种种型型型型号号号号的的的的元元元元件件件件均均均均规规规规定定定定了了了了相相相相应应应应的的的的最大激励电流，它的数值从几毫安到几十毫安。最大激励电流，它的数值从几毫安到几十毫安。最大激励电流，它的数值从几毫安到几十毫安。最大激励电流，它的数值从几毫安到几十毫安。3 3 3 3乘积灵敏度乘积灵敏度乘积灵敏度乘积灵敏度KH KH KH KH KHKHKHKH反反反反映映映映了了了了霍霍霍霍尔尔尔尔元元元元件件件件本本本本身身身身所所所所具具具具有有有有的的的的磁磁磁磁电电电电转转转转换换换换实实实实力力力力，一一一一般希望它越大越好。般希望它越大越好。般希望它越大越好。般希望它越大越好。4 4 4 4不等位电势不等位电势不等位电势不等位电势UM UM UM UM 在在在在额额额额定定定定激激激激励励励励电电电电流流流流下下下下，当当当当外外外外加加加加磁磁磁磁场场场场为为为为零零零零时时时时，即即即即当当当当而而而而B=0B=0B=0B=0时时时时，UH=0UH=0UH=0UH=0；但但但但由由由由于于于于4 4 4 4个个个个电电电电极极极极的的的的几几几几何何何何尺尺尺尺寸寸寸寸不不不不对对对对称称称称，引引引引起起起起了了了了且且且且B=0B=0B=0B=0时时时时，。为为为为此此此此引引引引入入入入UMUMUMUM来来来来表表表表征征征征霍霍霍霍尔尔尔尔元元元元件件件件输输输输出出出出端端端端之之之之间间间间的的的的开开开开路路路路电压，即不等位电势。电压，即不等位电势。电压，即不等位电势。电压，即不等位电势。5 5 5 5霍尔电势温度系数霍尔电势温度系数霍尔电势温度系数霍尔电势温度系数a a a a 在在在在确确确确定定定定磁磁磁磁感感感感应应应应强强强强度度度度和和和和激激激激励励励励电电电电流流流流的的的的作作作作用用用用下下下下，温温温温度度度度每每每每变变变变更更更更1111时霍尔电势变更的百分数称为霍尔电势温度系数时霍尔电势变更的百分数称为霍尔电势温度系数时霍尔电势变更的百分数称为霍尔电势温度系数时霍尔电势变更的百分数称为霍尔电势温度系数a a a a。第7章 霍尔传感器 7.3 7.3 霍尔元件的测量电路及补偿霍尔元件的测量电路及补偿 7.3.1 7.3.1 7.3.1 7.3.1 基本测量电路基本测量电路基本测量电路基本测量电路 7.3.2 7.3.2 7.3.2 7.3.2 温度误差的补偿温度误差的补偿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 1 1恒流源补偿法恒流源补偿法恒流源补偿法恒流源补偿法 温度的变更会引起内阻的变更，而内阻的变更又使激励电流发生温度的变更会引起内阻的变更，而内阻的变更又使激励电流发生温度的变更会引起内阻的变更，而内阻的变更又使激励电流发生温度的变更会引起内阻的变更，而内阻的变更又使激励电流发生变更以致影响到霍尔电势的输出，接受恒流源可以补偿这种影响，其电变更以致影响到霍尔电势的输出，接受恒流源可以补偿这种影响，其电变更以致影响到霍尔电势的输出，接受恒流源可以补偿这种影响，其电变更以致影响到霍尔电势的输出，接受恒流源可以补偿这种影响，其电路如图路如图路如图路如图7.67.67.67.6所示。所示。所示。所示。2 2 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 a a、b b b b 和和和和 Ro Ro Ro Ro 值，再求得值，再求得值，再求得值，再求得 RL RL RL RL 值，这样就可在输出回路实现对温度误差的补偿了。值，这样就可在输出回路实现对温度误差的补偿了。值，这样就可在输出回路实现对温度误差的补偿了。值，这样就可在输出回路实现对温度误差的补偿了。图7.6 恒流源补偿电路第7章 霍尔传感器 3 3 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电阻进行补偿的方法电阻进行补偿的方法 4 4 4 4热敏电阻补偿法热敏电阻补偿法热敏电阻补偿法热敏电阻补偿法 在运用热敏电阻进行温度补偿时，要在运用热敏电阻进行温度补偿时，要在运用热敏电阻进行温度补偿时，要在运用热敏电阻进行温度补偿时，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。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 7.3.3 7.3.3 不等位电势的补偿不等位电势的补偿不等位电势的补偿不等位电势的补偿 在无磁场的状况下，在无磁场的状况下，在无磁场的状况下，在无磁场的状况下，当霍尔元件通过确定的限当霍尔元件通过确定的限当霍尔元件通过确定的限当霍尔元件通过确定的限制电流制电流制电流制电流I I I I时，在两输出端产时，在两输出端产时，在两输出端产时，在两输出端产生的电压称为不等位电势，生的电压称为不等位电势，生的电压称为不等位电势，生的电压称为不等位电势，用用用用UMUMUMUM表示。表示。表示。表示。接受桥式补偿电路，接受桥式补偿电路，接受桥式补偿电路，接受桥式补偿电路，可以在霍尔元件的整个工可以在霍尔元件的整个工可以在霍尔元件的整个工可以在霍尔元件的整个工作温度范围内对不等位电作温度范围内对不等位电作温度范围内对不等位电作温度范围内对不等位电势进行良好的补偿，并且势进行良好的补偿，并且势进行良好的补偿，并且势进行良好的补偿，并且对不等位电势的恒定部分对不等位电势的恒定部分对不等位电势的恒定部分对不等位电势的恒定部分和变更部分的补偿可相互和变更部分的补偿可相互和变更部分的补偿可相互和变更部分的补偿可相互独立地进行调整，所以可独立地进行调整，所以可独立地进行调整，所以可独立地进行调整，所以可达到相当高的补偿精度。达到相当高的补偿精度。达到相当高的补偿精度。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 7.4 7.4 霍尔集成电路霍尔集成电路 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。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，片上。例如，片上。例如，UGNUGN3501350135013501。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、器、器、OCOC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，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，UGNUGN3020 3020 3020 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 7.5 7.5 霍尔传感器的应用霍尔传感器的应用 1 1 1 1霍尔转速表霍尔转速表霍尔转速表霍尔转速表2 2 2 2霍尔式无触点点火装置霍尔式无触点点火装置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 3 3霍尔式功率计霍尔式功率计霍尔式功率计霍尔式功率计 4 4 4 4霍尔式无刷直流电机霍尔式无刷直流电机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 霍尔效应沟通功率计 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UH与磁感应强度B、限制电流之间存在关系UH=KHIB。KH称为霍尔元件的乘积灵敏度，它反映了霍尔元件的磁电转换实力。在实际运用中，霍尔电势会受到温度变更的影响，一般用霍尔电势温度系数a来表征。为了减小a，须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：接受恒流源供应限制电流；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缘由存在一个不等位电势UM，从而对测量结果造成误差。为解决这一问题，可接受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，且其中一个桥臂接受热敏电阻，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。返回书目返回书目第7章 霍尔传感器