霍爾傳感器是基于霍爾效應的一種傳感器，廣泛用于電磁、壓力、加速度、振動等方面的測量。其特點是體積小、功耗小、壽命長、安裝方便，耐腐蝕和污染。1879年美國物理學家霍爾在試驗中發(fā)現(xiàn)了金屬材料具有霍爾效應，但是由于金屬材料的霍爾效應太弱而沒有得到應用。半導體出現(xiàn)后，研究人員開始使用半導體材料制成霍爾元件，而半導體的霍爾效應現(xiàn)象顯著，從此霍爾傳感器才得到應用和發(fā)展。

7.1 霍爾效應及霍爾元件

7.1.1 霍爾效應

7.1.2 霍爾元件

1.霍爾元件的結構

霍爾元件由霍爾片、引線和殼體組成。如圖7-2所示，霍爾元件有4個引腳，其中引腳1、1′為激勵電流的引線端子，稱為激勵電極，引腳2、2′為霍爾電壓的引線端子，稱為霍爾電極，在電路中通常有兩種符號表示，如圖7-2（c）所示。

2.霍爾元件的材料

常用霍爾元件的材料有鍺、硅、砷化銦、銻化銦等半導體材料。其中N型鍺容易加工制造，其霍爾系數(shù)、溫度性能和線性度都較好。N型硅的線性度最好，其霍爾系數(shù)、溫度性能與N型鍺相近。銻化銦對溫度最敏感，尤其在低溫范圍內(nèi)溫度系數(shù)大，但在室溫時其霍爾系數(shù)較大。砷化銦的霍爾系數(shù)較小，溫度系數(shù)也較小，輸出特性線性度好。如表7-1所示為常用國產(chǎn)霍爾元件的技術參數(shù)。

3.霍爾元件的主要參數(shù)

（1）額定激勵電流和最大允許激勵電流

在給霍爾元件加激勵電流時，霍爾元件的溫度升高10℃，此時的激勵電流稱為額定激勵電流，用符號IC表示。當激勵電流增大時，霍爾電壓也會隨著增大。為了獲得較大的霍爾電壓，在應用中會采用較大的激勵電流，但是激勵電流過大，霍爾元件的功耗就會增大，霍爾元件的溫度升高，會引起霍爾電壓的溫度漂移增大，影響測量精度，因此各種型號的霍爾元件都規(guī)定了對應的最大激勵電流Im，它的數(shù)值從幾毫安至十幾毫安不等。

（2）輸入電阻和輸出電阻

霍爾元件兩個激勵電流端的電阻被稱為輸入電阻Ri，兩個霍爾電壓輸出端子之間的電阻被稱為輸出電阻Ro。不同類型的霍爾元件，輸入電阻和輸出電阻的阻值一般從幾十歐姆到幾百歐姆不等。

（3）不等位電動勢和不等位電阻

不等位電動勢是指沒有外加磁場時，霍爾元件在額定激勵電流的作用下，霍爾元件輸出的開路電壓，一般用符號UM表示，產(chǎn)生這一現(xiàn)象的原因有：

· 霍爾電極安裝位置不對稱或不在同一等電位面上；
· 半導體材料不均勻造成了電阻率不均勻或是幾何尺寸不均勻；
· 激勵電極接觸不良造成激勵電流不均勻分布等。

（4）寄生直流電動勢

當外加磁場為零時，給霍爾元件通上交流電流，霍爾電極端子會輸出一個寄生直流電動勢，是由控制電極和基片之間的非完全歐姆接觸所產(chǎn)生的整流效應造成的。

（5）霍爾電壓的溫度系數(shù)

霍爾電壓的溫度系數(shù)α是指在一定磁感應強度和一定的控制電流下，溫度每變化1℃時，霍爾電壓產(chǎn)生的變化率。

7.2 霍爾傳感器的測量轉換電路

7.2.1 霍爾傳感器的基本電路

7.2.2 霍爾傳感器的集成電路

霍爾傳感器的集成電路的特點是體積較小、靈敏度高、輸出幅度較大、溫漂小、對電源的穩(wěn)定性要求較低等。常見的類型有線性型霍爾傳感器的集成電路和開關型霍爾傳感器的集成電路。

1.線性型霍爾傳感器的集成電路

**線性型霍爾傳感器的集成電路的內(nèi)部電路由霍爾元件、恒流源、線性差動放大器組成，將這幾部分集成制作在一個芯片上，使用時可以直接得到電壓輸出信號，比單獨使用霍爾元件要方便。**比較典型的線性型霍爾傳感器有UGN3501，如圖7-4所示。圖7-5所示為UGN3501的輸出特性曲線。

如圖7-6所示為雙端差動輸出的線性型霍爾傳感器的特性曲線，當磁場為零時，輸出電壓等于零；當感受的磁場為正向（磁鐵的S極對準霍爾元件的正面）時，輸出信號為正；磁場反向時，輸出信號為負。

2.開關型霍爾集成電路

開關型霍爾集成電路由霍爾元件、穩(wěn)壓電路、放大器、施密特觸發(fā)器、OC門（集電極開路輸出門）等組成，如圖7-7 所示，將這些元件集成在一個芯片上就可制成該集成電路。當外加磁場強度超過預先設定的標準值時，NPN型OC門導通，由高電平變?yōu)榈碗娖?；當外加磁場強度低于標準值時，OC門截止，輸出高電平。典型的開關型霍爾器件有UGN3020等。

如圖7-8所示為施密特觸發(fā)電路的輸出特性，當回差越大時，該電路的抗振動干擾能力就越強。

7.2.3 基本誤差及補償

1.不等位電動勢誤差的補償

不等位電動勢是霍爾元件產(chǎn)生誤差的原因之一，也是最普遍的一種，其產(chǎn)生的原因如下：
（1）制造過程中不可能保證霍爾元件的兩個霍爾電極絕對對稱地焊接在它的兩側，這就會導致霍爾元件的兩個電極點不能完全位于同一個等位面上。
（2）由于半導體的電阻特性所造成。

在電路中可以把霍爾元件視為一個四臂電阻電橋，如圖7-9所示，不等位電動勢就相當于電橋的初始不平衡輸出電壓。

2.溫度特性

霍爾元件的溫度特性是指其內(nèi)阻及霍爾電壓與溫度之間的關系，如圖7-11和圖7-12所示。

3.溫度誤差及其補償

溫度誤差產(chǎn)生的原因有以下兩種：
① 霍爾元件的材料是半導體，半導體對溫度的變化非常敏感。半導體的載流子的濃度、遷移率、電阻率等參數(shù)都是溫度的函數(shù)，因此容易受到溫度的影響。
② 當溫度發(fā)生變化時，霍爾元件的特性參數(shù)（如霍爾電動勢、輸入電阻和輸出電阻等）都會發(fā)生變化，從而導致霍爾傳感器產(chǎn)生溫度誤差。

減小霍爾元件的溫度誤差的方法有：
① 恒溫措施補償，包括以下兩種：
· 將霍爾元件放在恒溫器中；
· 將霍爾元件放在恒溫的空調(diào)房中。
② 恒流源溫度補償霍爾元件的靈敏度與溫度的關系為

7.3 其他磁傳感器

7.3.1 磁阻元件

當霍爾元件置于與電流方向垂直的磁場中時，會出現(xiàn)霍爾效應，同時還會出現(xiàn)半導體電阻率增大的現(xiàn)象，這種現(xiàn)象稱為磁阻效應。利用磁阻效應做成的元件被稱為磁阻元件。

如圖7-14 所示，在沒有外加磁場作用時，電流方向為直線方向；在受到外加磁場作用后，電流的路徑增長，電阻率就會增大，從而導致電阻增大。

磁阻元件具有阻抗低、阻值隨磁場變化大、頻率響應好、可非接觸式測量、動態(tài)范圍廣及噪聲小等優(yōu)點，因此廣泛應用于無觸點開關、壓力開關、角度傳感器、轉速傳感器等場合。

7.3.2 磁敏二極管

7.3.3 磁敏三極管