3.2 霍尔传感器

1879年，美国物理学家霍尔首先在金属材料中发现了载流导体在磁场中有电磁效应（霍尔效应），但由于金属材料的这种电磁效应太弱而没有得到应用。随着半导体技术的发展，开始用半导体材料制成霍尔元器件，由于其霍尔效应显著而得到应用和发展。

霍尔传感器是基于霍尔效应的一种传感器，广泛应用于电流、磁场、位移、压力、速度以及振动等方面的测量。它具有结构简单、体积小、灵敏度高、线性度好、稳定性高、频率响应宽（从直流到微波）、动态范围大（输出量的变化可达1000∶1）、使用寿命长、易于微型化和集成化等优点。

3.2.1 霍尔效应及霍尔元器件

1. 霍尔效应

置于磁场中的静止金属或半导体薄片，当有电流流过时，若该电流方向与磁场方向不一致，则在垂直于电流和磁场的方向上将产生电动势，这种物理现象称为霍尔效应。原理图如图3-5所示，在垂直于外磁场B的方向上放置一金属或半导体薄片，其两端通过控制电流I，方向如图3-8所示，那么在垂直于电流和磁场的另两端就会产生电动势UH，UH的大小正比于控制电流I和磁感应强度B。利用这一霍尔效应制成的传感元器件称为霍尔元器件。

霍尔效应的产生是由于运动电荷受磁场中洛仑兹力作用的结果。当运动电子所受的电场作用力FE和洛仑兹力FL相等时，电子的积累达到平衡状态，这样，在薄片两端建立电场EH，称为霍尔电场，相应的电势UH称为霍尔电势。其计算过程如下：

因为：FL=eBv （3-10）

FE=eEH （3-11）

所以：EH=vB （3-12）

若金属导电板单位体积内电子数为n，电子定向运动平均速度为v，则激励电流：

I=nevbd （3-13）

将式（3-13）代入式（3-11）得：

则霍尔电势：

令RH=1/（ne），称之为霍尔常数，得：

式中，KH=RH/d称为霍尔片的灵敏度。由式（3-16）可见，霍尔电势正比于激励电流及磁感应强度，其灵敏度与霍尔常数成正比而与霍尔片厚度成反比。为了提高灵敏度，霍尔元器件常制成薄片形状。

目前常用的霍尔元器件材料有：锗、硅、砷化铟及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，应用最为普遍。

2. 霍尔元器件基本结构

霍尔元器件的结构很简单，它由霍尔片、引线和壳体组成如图3-6a所示。霍尔片是矩形半导体单晶薄片如图3-6b所示，国产霍尔片的尺寸一般为4mm×2mm×0.1mm。在元器件的长度方向的两个端面上焊有a、b两根控制电流端引线，通常用红色导线，称为控制电流极；在元器件的另两侧端面的中间以点的形式对称地焊接c、d两根霍尔端输出引线，通常用绿色导线，称为霍尔电极。霍尔元器件的壳体采用非导磁金属、陶瓷或环氧树脂封装。

霍尔元器件在电路中可用如图3-6c所示的3种符号表示。标注时，国产元器件常用H代表霍尔元器件，后面的字母代表元器件的材料，数字代表产品序号。如HZ-1型元器件，表示是用锗材料制造的霍尔元器件；HT-1型元器件，表示是用锑化铟制作的元器件；HS-1型元器件，表示用砷化铟制作的元器件。

3. 霍尔元器件的主要技术参数

（1）霍尔灵敏度系数KH

霍尔灵敏度系数KH是指在单位磁感应强度下，通过单位控制电流所产生的霍尔电动势。

（2）额定控制电流Ic

霍尔元器件因通电流而发热。额定控制电流是使霍尔元器件在空气中产生10℃温升的控制电流Ic。Ic的大小与霍尔元件的尺寸有关，尺寸越小，Ic越小，一般为几毫安到几十毫安，最大的可达几百毫安。

（3）输入电阻Ri

输入电阻Ri是指在规定条件下（磁感应强度为零且环境温度在20℃±5℃），元器件的两控制极（输入端）之间的等效电阻。

（4）输出电阻Ro

输出电阻Ro是指在规定条件下（磁感应强度为零且环境温度在20℃±5℃），两个霍尔电极（输出端）之间的等效电阻。

（5）不等位电势Uo和不等位电阻ro

霍尔元器件在额定电流控制作用下，当外加磁场为零时，霍尔输出端之间的开路电压称为不等位电势，它与电极的几何尺寸和电阻率不均匀等因素有关。要完全消除霍尔元器件的不等位电势很困难，一般要求Uo≤1mV。不等位电势与额定电流之比称为不等位电阻ro，ro越小越好。

（6）寄生直流电势U

在外加磁场为零、霍尔元器件用交流激励时，霍尔电极输出除了交流不等位电势外，还有一直流电势，称为寄生直流电势，它主要由于电极与基片之间接触不良，形成非欧姆接触所产生的整流效应造成的。

（7）霍尔电势的温度系数α

霍尔电势的温度系数α是指在一定磁场强度和控制电流作用下，温度每变化1℃，霍尔电势变化的百分数。它与霍尔元器件的材料有关。

3.2.2 霍尔元器件的测量误差及补偿方法

由于制造工艺问题以及实际使用时存在的各种不良因素，都会影响霍尔元器件的性能，从而产生误差，其中最主要的误差有：不等位电势带来的零位误差以及由温度变化产生的温度误差。

1. 不等位电势及其补偿

不等位电势是霍尔零位误差中最主要的一种。由于在制作时，两个霍尔电势极不可能绝对对称地焊在霍尔片两侧、霍尔片电阻率不均匀、控制电流极的端面接触不良都可导致两电极不在同一等位面上，从而产生不等位电势，造成误差。

不等位电势与霍尔电势具有相同的数量级，有时甚至超过霍尔电势，而实用中要消除不等位电势是极其困难的，因而必须采用补偿的方法。由于不等位电势与不等位电阻是一致的，可以采用分析电阻的方法来找到不等位电势的补偿方法。不等位电势补偿电路如图3-7所示，其中A、B为激励电极，C、D为霍尔电极，各极分布电阻分别用R1、R2、R3、R4表示。理想情况下R1=R2=R3=R4，即可取得零位电势为零。实际上，由于不等位电阻的存在，说明这4个电阻值不相等，可将其视为电桥的4个桥臂，则电桥不平衡。为使其达到平衡，则在阻值较大的桥臂上并联电阻，如图3-7a所示，或在两个桥臂上同时并联电阻，如图3-7b所示。这样就可以使不等位电势得到补偿。

2. 温度误差及其补偿

半导体材料的电阻率、迁移率和载流子浓度等都随温度变化，对温度的变化很敏感，霍尔元器件的性能参数如输入电阻、输出电阻、霍尔电势等都会随温度的变化而变化，这将给测量带来较大的误差，为了减少这一测量误差，除选用温度系数小的元器件或采用恒温措施外，还可以采用适当的方法进行补偿。

（1）采用恒流源供电和输入回路并联电阻

采用恒流源提供恒定的控制电流可以减小温度误差，但元器件的霍尔灵敏度系数KH也是温度的系数，对于具有正温度系数的霍尔元器件，可在元器件控制极并联分流电阻来提高UH的温度稳定性，温度补偿电路如图3-8所示。

（2）采用温度补偿元器件（如热敏电阻、电阻丝等）

对于霍尔系数RH随温度上升而减小的元器件，可采用恒压源供电，在输入回路上串联一个负温度系数的热敏电阻Rt，或并联一个正温度系数的电阻丝。当温度升高时，Rt阻值减小，电阻丝阻值增大，均使控制电流增大，从而使温度误差得到补偿，采用热敏元器件的温度补偿电路如图3-9所示。

3.2.3 霍尔集成电路

随着集成技术的发展，用集成电路工艺把霍尔元器件和相关的信号处理部件集成在一个单片上制成的单片集成霍尔元器件，称为集成霍尔元器件。按照输出信号的形式，可分为开关型和线性型两种。

1. 开关型霍尔集成电路

开关型霍尔集成电路是把霍尔元器件的输出经过处理后输出一个高电平或低电平的数字信号。这种集成电路一般由霍尔元器件、稳压电路、差分放大器、施密特触发器以及集电极开路输出门电路等组成，霍尔开关集成电路框图如图3-10所示。

各部分电路的功能如下：

（1）稳压源

稳压源进行电压调整。电源电压在4.5～24V范围变化时，输出稳定。该电路还具有反向电压保护功能。

（2）霍尔元器件

霍尔元器件将磁信号转变为电信号后送给下级电路。

（3）差分放大器

差分放大器用于将霍尔元器件产生的微弱的电信号进行放大处理。

（4）施密特触发器

施密特触发器用于将放大后的模拟信号转变为数字信号后输出，以实现开关功能（输出为矩形脉冲）。

（5）恒流电路

恒流电路的作用主要是进行温度补偿，保证温度在-40℃～+130℃范围内变化时，电路仍可正常工作。

（6）输出级

输出级通常设计成集电极开路输出结构，带负载能力强，接口方便，输出电流可达20mA左右。

该传感器的输出开关信号可直接用于驱动继电器、三端双向晶闸管、晶闸管、LED等负载。

2. 线性型霍尔集成电路

线性型霍尔集成电路通常由霍尔元器件、差分放大器、射极跟随输出及稳压电路4部分组成，其输出电压与外加磁场强度呈线性比例关系，它有单端输出和双端输出两种形式，线性型霍尔集成电路如图3-11所示。单端输出的传感器是一个3端器件，它的输出电压对外加磁场的微小变化能做出线性响应，典型型号有UGN-3501T、UGN-3501U两种，区别只是厚度不同，T型厚度为2.03mm，U型厚度为1.54mm。双端输出的传感器是一个双列直插8脚塑封器件，它可提供差动射极跟随输出，还可提供输出失调调零。典型型号有UGN-3501M，其中1、8脚为输出，5、6、7脚之间接一个电位器，对不等位电势进行补偿，如图3-11b所示。