霍尔传感器

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
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
- 7.2.3 基本误差及补偿
7.3 其他磁传感器
- 7.3.1 磁阻元件
- 7.3.2 磁敏二极管
- 7.3.3 磁敏三极管

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。