传感器技术—霍尔传感器（学习笔记九）

霍尔传感器是基于霍尔效应的一种传感器，广泛用于电磁、压力、加速度、振动等方面的测量。其特点是体积小、功耗小、寿命长、安装方便，耐腐蚀和污染。1879年美国物理学家霍尔在试验中发现了金属材料具有霍尔效应，但是由于金属材料的霍尔效应太弱而没有得到应用。半导体出现后，研究人员开始使用半导体材料制成霍尔元件，而半导体的霍尔效应现象显著，从此霍尔传感器才得到应用和发展。

7.1 霍尔效应及霍尔元件

7.1.1 霍尔效应

7.1.2 霍尔元件

1.霍尔元件的结构

霍尔元件由霍尔片、引线和壳体组成。如图7-2所示，霍尔元件有4个引脚，其中引脚1、1′为激励电流的引线端子，称为激励电极，引脚2、2′为霍尔电压的引线端子，称为霍尔电极，在电路中通常有两种符号表示，如图7-2（c）所示。

2.霍尔元件的材料

常用霍尔元件的材料有锗、硅、砷化铟、锑化铟等半导体材料。其中N型锗容易加工制造，其霍尔系数、温度性能和线性度都较好。N型硅的线性度最好，其霍尔系数、温度性能与N型锗相近。锑化铟对温度最敏感，尤其在低温范围内温度系数大，但在室温时其霍尔系数较大。砷化铟的霍尔系数较小，温度系数也较小，输出特性线性度好。如表7-1所示为常用国产霍尔元件的技术参数。

3.霍尔元件的主要参数

（1）额定激励电流和最大允许激励电流

在给霍尔元件加激励电流时，霍尔元件的温度升高10℃，此时的激励电流称为额定激励电流，用符号IC表示。当激励电流增大时，霍尔电压也会随着增大。为了获得较大的霍尔电压，在应用中会采用较大的激励电流，但是激励电流过大，霍尔元件的功耗就会增大，霍尔元件的温度升高，会引起霍尔电压的温度漂移增大，影响测量精度，因此各种型号的霍尔元件都规定了对应的最大激励电流Im，它的数值从几毫安至十几毫安不等。

（2）输入电阻和输出电阻

霍尔元件两个激励电流端的电阻被称为输入电阻Ri，两个霍尔电压输出端子之间的电阻被称为输出电阻Ro。不同类型的霍尔元件，输入电阻和输出电阻的阻值一般从几十欧姆到几百欧姆不等。

（3）不等位电动势和不等位电阻

不等位电动势是指没有外加磁场时，霍尔元件在额定激励电流的作用下，霍尔元件输出的开路电压，一般用符号UM表示，产生这一现象的原因有：

· 霍尔电极安装位置不对称或不在同一等电位面上；
· 半导体材料不均匀造成了电阻率不均匀或是几何尺寸不均匀；
· 激励电极接触不良造成激励电流不均匀分布等。

（4）寄生直流电动势

当外加磁场为零时，给霍尔元件通上交流电流，霍尔电极端子会输出一个寄生直流电动势，是由控制电极和基片之间的非完全欧姆接触所产生的整流效应造成的。

（5）霍尔电压的温度系数

霍尔电压的温度系数α是指在一定磁感应强度和一定的控制电流下，温度每变化1℃时，霍尔电压产生的变化率。

7.2 霍尔传感器的测量转换电路

7.2.1 霍尔传感器的基本电路

7.2.2 霍尔传感器的集成电路

霍尔传感器的集成电路的特点是体积较小、灵敏度高、输出幅度较大、温漂小、对电源的稳定性要求较低等。常见的类型有线性型霍尔传感器的集成电路和开关型霍尔传感器的集成电路。

1.线性型霍尔传感器的集成电路

**线性型霍尔传感器的集成电路的内部电路由霍尔元件、恒流源、线性差动放大器组成，将这几部分集成制作在一个芯片上，使用时可以直接得到电压输出信号，比单独使用霍尔元件要方便。**比较典型的线性型霍尔传感器有UGN3501，如图7-4所示。图7-5所示为UGN3501的输出特性曲线。

如图7-6所示为双端差动输出的线性型霍尔传感器的特性曲线，当磁场为零时，输出电压等于零；当感受的磁场为正向（磁铁的S极对准霍尔元件的正面）时，输出信号为正；磁场反向时，输出信号为负。

2.开关型霍尔集成电路

开关型霍尔集成电路由霍尔元件、稳压电路、放大器、施密特触发器、OC门（集电极开路输出门）等组成，如图7-7 所示，将这些元件集成在一个芯片上就可制成该集成电路。当外加磁场强度超过预先设定的标准值时，NPN型OC门导通，由高电平变为低电平；当外加磁场强度低于标准值时，OC门截止，输出高电平。典型的开关型霍尔器件有UGN3020等。

如图7-8所示为施密特触发电路的输出特性，当回差越大时，该电路的抗振动干扰能力就越强。

7.2.3 基本误差及补偿

1.不等位电动势误差的补偿

不等位电动势是霍尔元件产生误差的原因之一，也是最普遍的一种，其产生的原因如下：
（1）制造过程中不可能保证霍尔元件的两个霍尔电极绝对对称地焊接在它的两侧，这就会导致霍尔元件的两个电极点不能完全位于同一个等位面上。
（2）由于半导体的电阻特性所造成。

在电路中可以把霍尔元件视为一个四臂电阻电桥，如图7-9所示，不等位电动势就相当于电桥的初始不平衡输出电压。


2.温度特性

霍尔元件的温度特性是指其内阻及霍尔电压与温度之间的关系，如图7-11和图7-12所示。

3.温度误差及其补偿

温度误差产生的原因有以下两种：
① 霍尔元件的材料是半导体，半导体对温度的变化非常敏感。半导体的载流子的浓度、迁移率、电阻率等参数都是温度的函数，因此容易受到温度的影响。
② 当温度发生变化时，霍尔元件的特性参数（如霍尔电动势、输入电阻和输出电阻等）都会发生变化，从而导致霍尔传感器产生温度误差。

减小霍尔元件的温度误差的方法有：
① 恒温措施补偿，包括以下两种：
· 将霍尔元件放在恒温器中；
· 将霍尔元件放在恒温的空调房中。
② 恒流源温度补偿霍尔元件的灵敏度与温度的关系为

7.3 其他磁传感器

7.3.1 磁阻元件

当霍尔元件置于与电流方向垂直的磁场中时，会出现霍尔效应，同时还会出现半导体电阻率增大的现象，这种现象称为磁阻效应。利用磁阻效应做成的元件被称为磁阻元件。

如图7-14 所示，在没有外加磁场作用时，电流方向为直线方向；在受到外加磁场作用后，电流的路径增长，电阻率就会增大，从而导致电阻增大。

磁阻元件具有阻抗低、阻值随磁场变化大、频率响应好、可非接触式测量、动态范围广及噪声小等优点，因此广泛应用于无触点开关、压力开关、角度传感器、转速传感器等场合。

7.3.2 磁敏二极管

7.3.3 磁敏三极管