01、霍爾式傳感器的工作原理

1●霍爾效應

霍爾式傳感器的物理基礎是霍爾效應。如圖1所示，在一塊長度為l、寬度為b、厚度為d的長方體導電板上，左、右、前、后側面都安裝上電極。在長度方向上通入電流I，在厚度方向施加磁感應強度為B的磁場。

■ 圖1 霍爾效應示意圖

導電板中的自由電子沿電流反方向作定向移動，平均速度為v。在磁場的作用下，電子受到洛倫茲力的作用。每個電子受到洛倫茲力fL的大小為

其中，e是一個電子的電荷量，e=1.6×10-19C。根據左手定則，可以判斷出洛倫茲力fL的方向由外向里。

電子除了作定向移動外，還在洛倫茲力的作用下向里飄移，結果在導電板的里表面積累了電子，在外表面積累了正電荷，這樣，導電板中就形成了附加電場EH，稱為霍爾電場。

在霍爾電場的作用下，電子將受到一個與洛侖茲力方向相反的電場力

的作用，這個力阻止電荷的繼續(xù)積聚。當導電板中電子積累達到動態(tài)平衡時，電荷不再增加，電子所受的洛侖茲力和電場力大小相等，即

化簡得

這時，在導電板的外表面與里表面就產生電勢差，大小為

把公式帶入得：

當載流導體或半導體處在與電流垂直的磁場時，在其與電流方向、磁場方向都垂直的兩端將產生電位差，這一現(xiàn)象稱為霍爾效應，霍爾效應產生的電動勢稱為霍爾電動勢，長方體導電板稱為霍爾片。霍爾效應是運動電荷受磁場中洛倫茲力作用的結果，基于霍爾效應的傳感器稱為霍爾式傳感器。

由以上公式可見，霍爾電動勢UH與磁感應強度B成線性關系，因此，通過測量UH可以得到B。這就是霍爾傳感器的工作原理。

1879年，美國物理學家霍爾（Edwin H. Hall，1855-1938）在研究金屬導電機制時發(fā)現(xiàn)了霍爾效應，但是，由于金屬材料的霍爾效應太弱，霍爾效應沒有得到應用。隨著半導體技術、材料科學和電子技術的發(fā)展，使用半導體材料制作的霍爾片具有明顯的霍爾效應，并且出現(xiàn)了高強度的恒定磁體以及工作于小電壓輸出的信號調節(jié)電路，霍爾式傳感器迅速發(fā)展起來了?；魻柺絺鞲衅饔糜跍y量電磁、電力、加速度、振動等物理量，應用非常廣泛。例如，汽車上就使用了多種霍爾式傳感器。

2●霍爾靈敏度

設導電板中自由電子濃度為n，電子定向運動的平均速度為v，則電流的大小為

霍爾片在單位控制電流和單位磁感應強度時產生的霍爾電動勢，稱為霍爾靈敏度，記為KH，即

代入公式，得

從公式可見，霍爾靈敏度與霍爾片的厚度d成反比，因此，常把霍爾片做成薄片狀，其厚度一般為0.1~0.2mm。另外，霍爾靈敏度還與自由電子濃度n成反比。因為金屬的自由電子濃度過高，所以，金屬不適合用于制作霍爾片。

在使用霍爾傳感器進行測量時，常用恒壓源提供激勵電流，電源電壓是一個常量，U=El。設霍爾片材料的遷移率為μ，則電子在電場中的平均遷移速度為v=μE，從而有

結合以上公式可得：

從以上公式可見，霍爾靈敏度與載流子的遷移率μ成正比。因為電子遷移率遠大于空穴，所以，常用N型半導體材料制作霍爾片。

3●霍爾元件

霍爾元件的結構如圖2所示，由霍爾片、4根引線和殼體組成。在霍爾片長度方向的兩側焊有兩根控制電流引線“輸入1”和“輸入2”，它們在薄片上的焊點稱為激勵電極。在霍爾片寬度方向的兩側焊有兩根輸出引線“輸出1”和“輸出2”，它們在薄片上的焊點稱為霍爾電極。霍爾元件的殼體用非導磁金屬、陶瓷或環(huán)氧樹脂封裝而成。

■ 圖2 霍爾元件的結構

霍爾元件的外形和符號如圖3所示，其中，a、b是激勵電極，c、d是霍爾電極。

■ 圖3 霍爾元件的外形和符號

4●霍爾元件的基本特性

（1）輸出特性

某些霍爾元件在恒流源的驅動下，其霍爾電動勢UH與磁感應強度B成線性關系，輸出為模擬量，如圖4（1）所示。具有線性特性的霍爾元件稱為霍爾線性器件。磁通計中的傳感器大多采用具有線性特性的霍爾元件。

有些霍爾元件在恒壓源的驅動下，其霍爾電動勢UH在一定區(qū)域內隨B的增加迅速增加，如圖4（2）所示。通過數(shù)據處理，可以使輸出轉化為數(shù)字量，使其具有開關特性，相應的霍爾元件稱為霍爾開關器件。開關特性隨磁體本身材料及形狀的不同而不同，低磁場時，磁通飽和。對直流無刷電動機的控制，一般采用霍爾開關器件。

（1）恒流源驅動 （2）恒壓源驅動

■ 圖4 霍爾元件的輸出特性

（2）負載特性

前面敘述的霍爾電動勢的線性特性，是在霍爾電極之間為開路，或測量儀表阻抗為無窮大的情況下得到的。當霍爾電極之間接有負載時，就有電流流過內阻，從而產生壓降，因此，實際的霍爾電動勢將比理論值略小。

（3）不等位電動勢

以上公式可以改寫為

從公式可見，當未加磁場時，霍爾電動勢UH應該為0。但是，在實際使用中，由于霍爾電極安裝位置不對稱或不在同一個等電位上，半導體材料不均勻造成電阻率不均勻，霍爾片幾何尺寸不對稱，或者激勵電極接觸不良造成激勵電流分配不均勻等原因，霍爾元件存在一定的輸出電壓，稱為不等位電動勢。

（4）溫度特性

半導體材料受溫度影響比較大，因此，用半導體材料制成的霍爾元件也會受溫度的影響。溫度將影響霍爾元件的霍爾電動勢、霍爾靈敏度、輸入阻抗和輸出阻抗等參數(shù)。

5●霍爾元件的誤差補償

（1）不等位電動勢的補償

不等位電動勢與霍爾電動勢具有相同的數(shù)量級，有時甚至超過霍爾電動勢，因此，必須采取措施進行消除。不等位電動勢的補償電路如圖5所示。

（1）不對稱補償 （2）對稱補償

■ 圖5 不等位電動勢的補償電路

霍爾元件可以等效為一個四臂電橋，當存在不等位電動勢時，說明電橋不平衡，四個電阻值不相等。為了使電橋平衡，可以采用兩種補償方法。第一種方法是在電橋阻值較大的橋臂上并聯(lián)電阻，稱為不對稱補償，這種方法比較簡單。第二種方法是在電橋兩個橋臂上同時并聯(lián)電阻，稱為對稱補償，補償后的溫度穩(wěn)定性較好。

采用補償電阻的方法來消除霍爾元件的不等位電勢，補償電路比較簡單，但是，這種方法會影響霍爾元件的霍爾靈敏度和精度。

（2）溫度誤差補償

溫度變化會引起霍爾元件輸入電阻的變化，從而引起激勵電流的變化，結果導致霍爾電動勢的變化。如果采用恒流源作為激勵電流，可以減小溫度誤差。但是，溫度變化也會引起霍爾靈敏度的變化。當溫度發(fā)生變化時，霍爾靈敏度與溫度變化的關系為

其中，KH0為溫度T0時的靈敏度，ΔT=T-T0為溫度的增量，γ為霍爾靈敏度的溫度系數(shù)。此時，霍爾電壓將變?yōu)?/p>

當溫度發(fā)生變化時，磁場強度不隨溫度的變化而變化。因此，為了保持UH不變，可以適當減小激勵電流I的值。為此，在霍爾元件的輸入回路中并聯(lián)一個電阻，起到分流的作用。溫度誤差的補償電路如圖6所示。

■ 圖6 溫度誤差的補償電路

補償電阻值的計算公式為

其中，α是UH的溫度系數(shù)，β是電阻溫度系數(shù)，RIN是霍爾元件的輸入電阻。對于一種型號的霍爾元件，可以通過技術手冊，從其參數(shù)表中查出α、β和RIN的值。文章來源地址http://www.zghlxwxcb.cn/news/detail-454477.html