5.5 霍尔传感器
霍尔传感器（Hall Sensor）同下述其他磁敏传感器件一样，都是能敏感磁场的变化，并将其转换成电信号输出的传感器，目前应用日趋广泛。
5.5.1 霍尔元件及霍尔效应
霍尔元件是利用霍尔效应制作的一种磁电转换元件。如图5-11，一块长为l，宽为w，厚为d的N型半导体薄片。在l的两端制有面接触型输入电流极（控制电极），在w的两端制有点接触型输出电压极（霍尔电极），即构成了霍尔元件。将它置于磁感应强度为B的磁场中，B垂直于l-w平面。当沿l向通以电流I时，N型半导体中的载流子（电子）将受到磁场B产生的洛仑兹（Lorentz）力FL的作用而向一侧面偏转，使该侧面上形成电子积累，而相对的另一侧面上则因缺少电子而出现等量的正电荷，从而在这两个侧面间形成霍尔电场EH（P型半导体的电场方向与此相反）和电位差UH，即霍尔电势:
图5-11 霍尔元件及霍尔效应原理图
式中:RH＝1/en称为霍尔系数（符号:P型半导体取“＋”，N型半导体取“-”），与材料本身的载流子浓度n有关；e为电子电量。因为UH随I而变，I称为元件的控制电流。
这种由导电材料（金属导体或半导体）中电流与外磁场相互作用而产生电动势的物理现象称为霍尔效应。通常，把式（5-20）改写成
式中
称为霍尔元件的灵敏度。
由式（5-21）可见，厚度d愈小，则UH越大，元件越灵敏。利用砷化镓外延层或硅外延层为工作层的霍尔元件，d可以薄到几微米（l和w可小到几十微米）。利用外延层还有利于霍尔元件与配套电路集成在一块芯片上。因KH＝RH/d＝（end）-1，外延层的电阻率越高（n越小），则元件越灵敏。深入的分析还表明，载流子电子的迁移率（μ）越高，则器件越灵敏。半导体的电子迁移率远大于空穴，所以霍尔元件大多采用N型半导体。砷化镓霍尔元件的灵敏度高于硅霍尔元件。霍尔电极位于l/2处，是因为这里的UH最大。
5.5.2 霍尔元件主要特性参数
（1）乘积灵敏度KH 即单位磁感应强度和单位控制电流下所得到的开路（RL＝∞）霍尔电势。
（2）额定控制电流Icm 指空气中的霍尔元件产生允许温升ΔT＝10℃时的控制电流:
式中:αs为元件的散热系数，ρ为元件工作区的电阻率。一般Icm为几毫安到几百毫安，与元件所用材料及其尺寸有关。
（3）输入电阻Ri、输出电阻RoRi为霍尔元件两电流电极之间的电阻，Ro为两个霍尔电极之间的电阻。
（4）不等位电势Uo和不等位电阻ro 无外磁场时，霍尔元件在额定控制电流下，两霍尔电极之间的开路电势称为不等位电势Uo。它是由于工艺制备限制，使两个霍尔电极位置不能精确同在一等位面上造成的输出误差，要求Uo愈小愈好，一般要求Uo＜1mV。
不等位电阻定义为ro＝Uo/Icm，即两个霍尔电极之间沿控制电流方向的电阻。ro愈小愈好。
（5）寄生直流电势UoD 当不加外磁场，元件通以交流控制电流时，霍尔元件输出端除出现交流不等位电势以外，如还有直流电势，则称之谓寄生直流电势。产生UoD的原因主要是元件本身的四个电极没有形成欧姆接触，有整流效应。
（6）霍尔电势温度系数α 即:在一定的磁感应强度和控制电流下，温度每变化1℃时的霍尔电势的相对变化率。α有正负之分，α为负表示元件的UH随温度升高而下降；α愈小愈好。砷化镓霍尔元件为10-5/℃数量级，锗、硅元件为10-4/℃数量级。
（7）工作温度范围 由于在式（5-20）中含有电子浓度n，当元件温度过高或过低时，n将随之大幅度变大或变小，使元件不能正常工作。锑化铟的正常工作温度范围是0～＋40℃，锗为-40～＋75℃，硅为-60～＋150℃，砷化镓为-60～＋200℃。
5.5.3 不等位电势和温度误差的补偿
1.不等位电势的补偿
霍尔元件在制造过程中要完全消除不等位电势是很困难的，因此有必要利用外电路来进行补偿。
在直流控制电流的情况下，不等位电势的大小和极性与控制电流的大小和方向有关。在交流控制电流的情况下，不等位电势的大小和相位随交流控制电流而变。另外，不等位电势与控制电流之间并非线性关系，而且Uo还随温度而变。
为分析不等位电势，可将霍尔元件等效为一电阻电桥，不等位电势Uo就相当于电桥的不平衡输出。因此，所有能使电桥平衡的外电路都可以用来补偿不等位电势。但应指出，因Uo随温度变化，在一定温度下进行补偿以后，当温度变化时，原来的补偿效果会变差。
图5-12 几种不等位电势的补偿电路
图5-12（a）是不对称补偿电路，在未加磁场前，用调节Rw可使Uo为零。由于Rw与霍尔元件的等效桥臂电阻之电阻温度系数不相同，当温度变化时，初始的补偿关系将被破坏。但这种方法简单、方便，在Uo不大时，对元件的输入、输出信号影响不大。图5-12（b）为五端电极的对称补偿电路，对温度变化的补偿稳定性要好，缺点是使输出电阻增大。
当控制电流为交流时，可用图5-12（c）的补偿电路，这时不仅要进行幅值补偿，还要进行相位补偿。
图5-12（d）把不等位电势Uo分成恒定部分UoL和随温度变化部分ΔUo，分别进行补偿。UoL相应于允许工作温度下限tL时的不等位电势。电桥的一个臂接入热敏电阻R（t）。设温度tL时电桥已调平衡，不平衡电势UoL用调节Rw1进行补偿。设工作温度上限tH时，不等位电势增加了ΔUo，则用调节Rw2进行补偿。适当选择热敏电阻R（t），可使从tL到tH之间各温度点都能得到较好的补偿。当R（t）与霍尔元件用相同材料，则可以达到相当高的补偿精度。
2.温度误差及其补偿
霍尔元件的霍尔系数RH、电阻率ρ和载流子迁移率μ都是温度的函数，因此UH、输入电阻Ri和输出电阻Ro也都是温度的函数，从而在使用中会产生温度误差。所以，一方面要采用温度系数小的元件，另一方面应根据精度要求进行温度误差补偿。
图5-13为一种桥路补偿法原理图。霍尔元件H的不等位电势用调节Rw的方法进行补偿。在霍尔输出电极上串入一个温度补偿电桥，电桥的四个臂均为等值锰铜电阻，其中一臂并联热敏电阻Rt。当温度改变时，由于Rt的灵敏变化，使补偿电桥的输出电压相应改变。只要仔细调整补偿电桥的温度系数，可以达到在±40℃温度范围内，由C、D所得的霍尔电势与温度基本无关。
图5-13 一种温度补偿原理图
5.5.4 霍尔传感器应用
霍尔传感器是以霍尔元件为核心构成的一种磁感传感器，它是基于UH＝（RH/d）IB式工作的，所以一切非电量只要能通过前置敏感元件（如弹性元件）变换成位移量，即可利用霍尔传感器进行测量。加之霍尔元件结构简单、工艺成熟、体积小、工作可靠、寿命长、线性好、频带宽，因而得到广泛应用。如用于测量大电流、微气隙磁场、微位移、转速、加速度、振动、压力、流量和液位等；用以制成磁读头、磁罗盘、无刷电机、接近开关和计算元件等等。
1.微位移及机械振动测量
当霍尔元件的控制电流不变，并置于均匀梯度的磁场中移动时，其输出的霍尔电势UH，只取决于它在磁场中的位移z。而且，磁场梯度越大，灵敏度越高；磁场梯度变化越均匀，霍尔电势与位移的关系越接近于线性。图5-14示出了几种产生梯度磁场的磁路系统。对应此3种磁路系统及z处磁感应强度B，可得相应的霍尔位移传感器的电势UH与位移Δz的关系曲线a、b、c，如图5-15所示。
图5-14 产生梯度磁场的几种磁系统
由图可知，曲线a的传感器线性范围窄，且存在零位输出。对曲线b，当位移Δz＜±2mm时，输出霍尔电势UH与位移Δz之间具有良好的线性关系。这种形式的位移传感器，在其工作范围内的磁场梯度一般不大于0.03T/mm。两磁铁间的距离越小，磁场梯度越大，其灵敏度越高。这种传感器的分辨力可达10-6m。
图5-15 几种霍尔位移传感器的静态特性
图5-16 霍尔振动传感器结构原理图
曲线c对应的位移传感器灵敏度最高。它由两个直流磁系统共同形成了一个高梯度磁场（达1T/mm）。但它能测的位移量很小，一般为Δz≤±0.5mm。上述微位移测量可推广应用于机械振动测量。
图5-16是一个振动传感器的结构原理图。置于磁场系统中的霍尔元件1取材砷化铟，它被固定在非磁性材料制成的平板2上，并与顶杆3刚性固连，顶杆3下端触头4与被测对象接触，整个组件随被测体做机械振动，元件输出的霍尔电势就反映出被测振动的频率和幅值。
2.无触点发讯及转速测量
当霍尔元件通以恒定的控制电流，且有磁体近距离接近然后再离开时，元件将输出一个脉冲霍尔电压；利用这一特性可进行无触点发讯。这种应用，只要有足够大的输出即可，而对霍尔元件本身的性能要求不高。此外，作用于霍尔元件的磁感应强度变化仅与磁体的相对位置有关，而与相对运动速度无关，这就使发讯装置的结构既简单又可靠。
霍尔无触点发讯可广泛用于精确定位、导磁产品计数、转速测量、接近开关和其他周期性信号的发讯。
图5-17为霍尔转速传感器的结构原理图。在图5-17（a）中把一个非磁性圆盘1固定在被测轴上，圆盘周边等间隔嵌有若干极性相反永磁铁氧体2，由导磁体3和置于两导磁体缝隙中的霍尔元件4组成测量头5。测量头两导磁体外端的间距与圆盘上两相邻铁氧体之间的距离相等。圆盘转动时，霍尔元件输出正负交变的周期电压。
图5-17（b）为另一种转速测量结构。在被测转速的轴上装一齿盘导磁体，对着齿盘固定有马蹄形永久磁铁，霍尔元件粘贴在磁铁磁极端面上。当导磁齿盘随被测轴旋转时，霍尔元件磁路中的磁阻和磁感应强度均发生周期性变化，其变化周期是被测轴转速的函数，因此，霍尔元件输出一系列频率与转速成比例的单向电脉冲。
上述两种霍尔转速传感器的测速范围很宽，为1～104r/s。
图5-17 霍尔转速传感器结构原理图
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