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尚辅网 / 4.15 霍尔式传感器 4.15. 1 霍尔式传感器工作原理 4.15.2 霍尔元件的特性及其补偿 4.15.3 霍尔集成电路 4.15.4 霍尔传感器的应用及实例 4.15. 1 霍尔式传感器工作原理 霍尔式传感器是基于某些半导体材料的霍尔效应原理制成的。半导体薄片的两端通以电流 ，而在垂直方向施加磁感应强度 ，在半导体的两侧会产生电动势 ，这一现象称为霍尔效应，见图4-145a。产生的电动势称为霍尔电动势 ；半导体薄片称为霍尔元件。 图4-145 霍尔效应及基本电路 设霍尔元件为N型半导体材料制成，电子为多数载流子，施加电流 后，多数载流子沿着 相反的方向运动，电子在磁场中受到洛仑兹力 的作用，即： 式中， 为电子电量； 为电子的速度。 在 的作用下，电子向一侧偏转，见图4-145a的虚线所示。因此，在半导体薄片的一侧有电子积累而带负电荷，而另一侧因缺少电子而带正电荷，于是在半导体薄片两侧建立静电场 。作用于运动电子的电场力 为： 式中， 为霍尔元件的宽度。 电场力 阻止电子继续偏转。当 时，达到动态平衡，由式（4-153）和（4-154）得： （4-155） 半导体的电流密度 可用其电子浓度 来表示，即： 因此，电流 为： 由上式求得 为： （4-156） 将上式代入式（4-155），得： （4-157） 为霍尔元件的厚度； 为霍尔元件的灵敏度， ，其量纲为[mV/（mA·T）]。 霍尔元件的灵敏度 是极为重要的参数。表示霍尔元件在单位电流、单位磁感应强度作用下，元件输出霍尔电势 的大小。一般要求 愈大愈好。 半导体的电子浓度 适中，而且可通过掺杂来控制电子浓度 ，因此，毫不例外地应采用半导体作为霍尔元件的材料。此外， 愈小， 愈大，但是 不能做得太薄，否则增加霍尔元件的输入和输出电阻。 式（4-157）是在磁感应强度 与元件平面垂直条件下导出的。若 与元件平面法线成一角度 ，则作用于元件的有效磁感应强度为 ，因此，式（4-157）变为： 霍尔元件的基本连接电路见图4-145b。图中，RP调节元件的电流 ； 为霍尔元件的负载电阻，通常为放大器或测量电路的输入阻抗。 4.15.2 霍尔元件的特性及其补偿 霍尔元件的特性： 特性 磁感应强度 为常数，在一定温度下，电流 与 之间的关系称为元件的 特性，见图4-146a。 特性 电流 固定，霍尔元件开路输出 与磁感应强度 的关系称为元件的 特性，见图4-146b。 特性 霍尔元件的输入电阻或输出电阻与磁感应强度 的关系称为元件的 特性，见图4-146c。 图4-146 霍尔元件的特性 霍尔元件特性补偿 如前所述，霍尔元件用半导体材料制成。由于半导体的特性受环境温度的影响较严重，故必须对霍尔元件的特性进行补偿。 温度补偿 图4-147 霍尔元件的特性补偿 a）恒流源 b）热敏电阻补偿电流 c）热敏电阻补偿 不等位电动势的补偿 作用于霍尔元件的磁感应强度 ，控制电流 ， ，而 ， 称为不等位电动势。产生不等位电动势的原因有两种：其一为元件的电流极或电势极不焊接在等位面上；其二为元件的电阻率不均匀。 图4-148 不等位电动势及其补偿 a）不等位电动势的产生 b）补偿电路 4.15.3 霍尔集成电路 随着微电子技术的发展，目前霍尔元件与测量电路已集成化，二者融为一体。霍尔集成块有线性集成块和开关集成块两种。线性集成块又有内部有线性化补偿和内部无线性化补偿两种。 开关型集成电路 开关型霍尔集成电路内部组成框图见图4-149a。 线性集成电路 线性霍尔集成电路的组成框图见图4-149b。霍尔集成电路的外形见图4-149c。使用时磁敏感面应正对磁感应强度。 图4-149 霍尔集成电路框图及其外形 a）开关型集成电路框图 b）线性集成电路框图 c）外形图 4.15.4 霍尔传感器的应用及实例 图4-150 无触点照明控