检测与技术论文--霍尔传感器

霍尔传感器的应用

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一、概述

1897年，美国物理学家霍尔（E.H.Hall）经过大量实验发现;如果让一恒定电流通过过一金属薄片，并将金属薄片置于强磁场中再金属薄片的两端将产生与磁场强度成正比的电动势。

霍尔传感器是利用半导体霍尔元件的霍尔效应实现磁电转换的一种传感器。用它检测磁场及其变化，可在各种与磁场有关的场合中应用。霍尔传感器基于霍尔元件的霍尔效应为工作原理，是由霍尔元件及其所附属的电路组成的集成传感器。由于霍尔元件对磁场敏感，且具有结构简单、频率响应宽（从直流到微波）动态范围大、寿命长、无接触等优点，因此在测量技术，自动化技术和信息处理方面得到了广泛的应用。随着霍尔传感器的深入应用，关心它的人也越来越多，我将在这介绍霍尔传感器的原理及应用。

二、霍尔传感器的基本原理

2.1 霍尔效应

霍尔效应：在半导体薄片两端通一控制电流I,并在薄片的垂直方向视角磁感应强度为B的匀强磁场，则在垂直于电流和磁场的方向，将产生电势差为的霍尔电压。这种现象叫做霍尔效应。

2.2霍尔传感器的工作原理及霍尔元件

 将半导体薄片放在磁场中,B 沿Z轴正方向。当流Is沿X轴方

向，薄片中的载流子定向移动，若载流子是电子（-q）则电子在磁场



中受磁场力FB而向下移动，这样半 导体薄片上、下底面积存有正负荷，

E从而建立一电场H。这样载流子又



受到电场力FE的作用，方向向上。 X 达到平衡时，如图2-1

EFFB（H为霍尔电场） 2-1霍尔传感器工作原理 E

即： qvB

qEHEHBv

上下底面的电位差VH（霍尔电位差）：VHEHbBvbVAA （1） '同样，若载流子是空穴（+q），则： VHBvbVAA '

若载流子浓度为n，试样厚度为d，则

（2）代入（1

）中得，VHIsdQnev(bd)dt （2） 11IsBKHKHIsBned， ned，其中：

KH称为霍耳灵敏度，对一定的霍耳元件是一个常数。它的大小与材料的性质以及元件的尺寸有关，它表示霍耳元件在单位磁感应强度和单位控制电流强度下的霍耳电压的大小。

利用霍尔效应原理工作的半导体器件称霍尔元件。材料的电阻率 和电子迁移率 越大，霍尔系数 越大，输出的 越大，为了提高霍尔灵敏度，要求材料的霍尔系数

厚度 越小， 越大 尽可能的大。元件的也越大，所以霍尔元件的厚度要小，但 太小会使元件的输入、输出电阻增加。

2.3霍尔传感器的结构、材料及主要技术参数

霍尔元件常用的半导体材料有 N 型硅（ Si ）、N型锗（Ge）、锑化铟（InSb ）、砷化铟（ InAs ）、砷化镓（ GaAs ）。元件材料的化学成分、结构、电极接点的大小等因素对霍尔电动势都有很大的影响。例如：锗材料元件的温度性能和线性度都比较好，但输出电动势较小；锑化铟的输出电动势较大，但易受温度影响，等等。元件的几何尺寸对传感器的灵敏度影响也很大。另外按理想元件的要求，控制电流端的电极应是良好的面接触，而霍尔电极是点接触。这就要求按照传感器的具体用途来选取元件的材料，如当需要的输出电动势较大时，可选锑化铟，但它受温度影响较大；如果需要克服温度的影响，就选择砷化铟，或者选锗材料的霍尔元件。再如其灵敏度与厚度成反比，长与宽的比也是对输出电动势很有影响的参数，原则上说霍尔元件应越薄越好、长宽比越大越好。用锑化铟半导体制成的霍尔元件灵敏度最高，但受温度的影响较大。用锗半导体制成的霍尔元件，虽然灵敏度较低，但它的温度特性及线性度较好。目前使用锑化铟霍尔元件的场合较多。

霍尔元件的外形如图所示，它是由霍尔片、4根引线和壳体组成。霍尔片是一块矩形半导体单晶薄片（一般为），在它的长度方向两端面上焊有a、b两根引线，称为控制电流端引线，通常用红色导线。其焊接处称为控制电流极（或称激励电流），要求焊接处接触电阻很小，并呈纯电阻，即欧姆接触（无PN结特性）。在薄片的另两侧端面的中间以点的形式对称地焊有c、d两根霍尔输出引线，通常用绿色

导线。其焊接处称为霍尔电极，要求欧姆接触，且电极宽度与基片长度之比小于0.1，否则影响输出。霍尔元件的壳体上是用非导磁金属、陶瓷或环氧树脂封装。

霍尔元件的外形 霍尔元件结构示意图 霍尔元件符号 霍尔传感器的主要参数有：

①灵敏度

：指元件在单位磁感应强度和单位控制电流下所得到的开路霍尔电压。

②输入电阻

：指元件的两控制极之间的等效电阻。

③输出电阻

：指两个霍尔电极之间的等效电阻。

④不等位电势

：在额定控制电流作用下，无外加磁场时，由于材料电阻率的不均匀，两个电极不在同一等位面上，霍尔元件的厚度不均匀等原因，在两霍尔电极之间的空载电势。要完全消除霍尔元件的不等位电势很困难，一般要求 。

⑤不等位电阻：不等位电势与额定控制电流之比。

⑥最大激励电流Im 激励电流增大，霍尔元件的功耗增大，元件的温度升高，从而引起霍尔电动势的温漂增大，因此每种型号的元

件均规定了相应的最大激励电流，它的数值从几毫安至十几毫安。

⑦最大磁感应强度Bm 磁感应强度超过Bm时，霍尔电动势的非线性误差将明显增大，Bm的数值一般小于零点几特斯拉

⑧寄生直流电势

：无外加磁场时，交流控制电流通过霍尔元件而在两霍尔 电极间产生的直流电势。是由电极与霍尔片之间的非完全欧姆接触而产生的整流效应引起的。

⑨感应零电势：无控制电流，霍尔元件在交流或脉动磁场中会有电势输出，这 个输出就是感应零电势，产生感应零电势的原因是由于霍尔电极引线布置不合理而造成的。

2.4 霍尔传感器的测量电路

这类电路有很高的灵敏度和优良的线性度，适用于各种磁场检测。霍尔元件的基本测量电路如图2-2所示。控制电流I由电压源E供给，R是调节电阻，用以根据要求改变I的大小。所施加的外电场B一般与霍尔元件的平面垂直。控制电流也可以是交流电。

图2-2霍尔元件的基本测量电路

三、霍尔式无触点电子点火系统应用原理

3.1 霍尔式电子点火系统

图2-3 霍尔式电子点火系统图

在我国生产的桑塔纳、红旗、捷达等轿车及一些进口汽车上广泛采用霍尔式电子点火系统。它由内装霍尔信号发生器的分电器、点火器、点火线圈和火花塞等组成。图2-3霍尔式电子点火系统的组成及电路连接图，该点火装置仍采用传统的离心题前机构与真空点火提前机构。霍尔式无触点电子点火系统的主要特点是在无触点分电器中安装了一个按霍尔效应原理制成的发生器，其依靠分电器轴上的触发叶轮和点火电子组件控制发电机汽缸点火。

传统的机电汽缸点火装置使用机械式的分电器，存在着点火时间不准确、触点易磨损等缺点。采用霍尔开关无触点晶体管点火装置可以克服上述缺点，提高燃烧效率。

3.2霍尔信号发生器的基本结构及其工作方式

霍尔信号发生器是根据霍尔效应原理制成的，它装在分电器内。霍尔信号发生器的示意图和基本结构如图4—32所示。

1)触发叶轮像传统分电器的凸轮一样，套装在分电器轴的上部，它可以随分电器轴一起转动，又能相对分电器轴作少量转动，以保证离心调节装置正常工作。触发叶轮的叶片数与气缸数相等，其上部套装分火头，与触发叶轮一起转动。

2)霍尔传感器由带导板(导磁)的永久磁铁和霍尔集成块组成，触发叶轮的叶片在霍尔集成块和永久磁铁之间转动。霍尔集成块包括霍尔元件和集成电路。由于霍尔信号发生器工作时，霍尔元件产生的霍尔电压Uh是mV级的，信号很微弱，还需进行信号处理。这一任务由

集成电路完成，这样霍尔元件产生的霍尔电压信号，还要经过放大、脉冲整形，最后以整齐的矩形脉冲（方波）信号Ug输出。霍尔信号发生器是一个有源器件，它需要提供电源才能工作。霍尔集成块的电源由点火器提供。霍尔集成电路输出极的集电极为开路输出形式，其集电极的负载电阻在点火器内设置。霍尔信号发生器有三根引

出线且与点火器相连接，其中一根是电源输入线（红黑色线)一根是信号输出线（绿白色线），一根是接地线（棕白色线）9J霍尔信号发生器外壳的三线插座分别标有“+”、“0”、“-”符号。

3)分电器工作时，叶片随分电器轴转动，每当叶片进入永久磁铁与霍尔元件之间的空气隙时，霍尔集成块中的磁场即被触发叶轮的叶片旁路（或称隔磁），这时霍尔元件不产生霍尔电压，集成电路输出极的三极管处于截止状态，信号发生器输出高电位。当触发叶轮的叶片离开空气隙时，永久磁铁的磁通便通过霍尔集成块经导板构成回路，这时霍尔元件产生霍尔电压，集成电路输出极的三极管处于导通状态,信号发生器输出低电位。分电器轴转一圈，输出4个方波。触发叶轮的转 向从上向下看时是顺时针方向。当叶轮缺口的后边缘转动使磁极端面只露一半时，信号输出端的电压瞬间从低电位跳到高电位，此时就是点火时刻。

4)霍尔点火器与信号发生器通过二线插头相联接，当信号输出端

把信号输入到点火控制器后，经过其内部电路处理，控制一只大功率三极管，进而控制点火线圈，使点火线圈高压输出端输出高压脉冲到火花塞点火。霍尔点火器实质上是个电子开关，它受霍尔传感器产生的信号电压控制。点火控制器还具有停机自动断电功能，以保护点火线圈不被烧坏。不仅如此，该点火控制器还具有限流控制功能，当检测到点火线圈中电流值小于额定值的94％时，控制电路在输入信号向低电平转换前加大电流的上升率，保证初级线圈产生足够的磁性。闭合角控制功能，它可以根据发动机的工作转速、电源电压及点火线圈的性能，对闭合角不断调节，使得一次侧电路接通时间，在发动机的工作转速范围之内基本保持不变，从而使发动机高速时有足够的点火能量和点火电压，不致发生断火现象；低速时不致因点火线圈和点火电子组件过度发热而影响其使用寿命。

霍尔式电子点火装置由于其点火信号发生器输出的点火信号幅值波形不受发动机转速的影响,即使发动机转速很低时,也能输出稳定的点火信号，因此低速性能好，有利于发动机的起动，并且发动机在任何工况下，霍尔式点火信号发生器均能输出高低电平时间比一定的方波信号，故点火正时精度高且易于控制。另外霍尔式点火信号发生器无需调整，不受灰尘、油污的影响，使霍尔式电子点火装置的工作性能更加可靠，寿命更长。

3.3霍尔器件在汽车中各个系统广泛应用

3.3.1

（1）在分电器中作信号传感器；（2）在无分电器点火系统中作

发动机转速和曲轴角度传感器及点火脉冲触发器；（3）作各种开关；

（4）作汽车速度表和里程表；（5）作防抱死制动系统(ABS)中的速度传感器；（6）在车用无刷直流电机中作位置传感器和电流换向器；（7）作各种液体检测器；（8）作各种用电负载的电流检测及其工作状态诊断；（9）在OBD-II型车载诊断器中作发动机熄火检测；（10）作自动制动系统(替代手制动)中的速度传感器；（11）作蓄电池充电的电流控制器。还可用于导航系统、变速器控制、汽车生产线自动控制以及公路挠性路面的检测。

3.3.2在防抱死制动系统(ABS)中的应用

ABS是目前国外汽车中广泛使用的一种行车安全装置。使用ABS后,可使汽车达到:（1）防止汽车侧滑、甩尾,大大提高车辆制动过程中的方向稳定性；（2）使汽车转向轮具有可操纵性,即使在制动过程中,仍然能操纵汽车躲开前方的障碍。（3）可缩短制动距离,特别是在很滑的冰雪路面上,可缩短10%~20%的制动距离。（4）防止轮胎“拖胎”,减小轮胎磨损和轮胎粉末对大气的污染,并可使轮胎使用寿命延长6%~10%。e·可使汽车行驶的平均车速提高约15%。速度传感器是ABS中用来采集行车状态信息的重要部件(每车需用4~8只)。上市的ABS中,大 多仍采用感应传感器来作速度传感器。用感应传感器来做车轮速度传感器的缺点是:其输出信号幅值随车速变化,在低于5km/h时,幅值极低。其体积较大,灵敏度随空气隙变化等。但ITT Teves1995年就已宣称他们正在开发零频率响应的车轮速度传感器,这种传感器中使用的就是前面介绍的差动霍尔电路。采用霍尔器件制作的速度传

感器,在整个车速范围内信号幅值恒定,即使速度为0,信号幅值仍保持不变。而且,还可用这些输出信号去做汽车中许多需做的其它工作,例如牵引控制、速度表、里程表、导航系统以及作发动机和变速器的管理等。霍尔速度传感器的优点还有:信号输出电压较高,使因端子腐蚀及电磁干扰等产生的问题较少。空气隙灵敏度降低,减少了质量和空间等。

3.3.3功率霍尔电路在汽车中的应用

功率霍尔电路在汽车上用作开关电路,该电路带有功率驱动级和各种保护电路,它可抽出或吸入300 mA的稳态电流,峰值电流可达900 mA,比普通霍尔开关大10多倍。见图8。在汽车中,有许多白炽灯和继电器、螺线管等电阻性和感性负载,白炽灯电阻负载的冷热电阻差极大,开关时,有很大的浪涌电流可使机械开关拉弧或产生大的电磁干扰信号,而感性负载在关断的瞬时会产生约150V的回扫电压,也易拉弧和损坏开关。采用功率霍尔开关,用磁体来驱动它们,加上电路本身已采取了限流和回扫放电通路等保护措施,因此,适合用作汽车开关。

四、总结

人们为了从外界获取信息，必须借助于感觉器官。同样在新技术革命的到来，世界开始进入信息时代。在利用信息的过程中，首先要解决的就是要获取准确可靠的信息，而传感器是获取自然和生产领域中信息的主要途径与手段。现代科学技术的发展中，传感器具有突出的地位。随着汽车工业的飞速发展,霍尔器件也在汽车中得到了广

泛地应用,如发动机点火正时、防抱死制动系统的控制、制动安全系统的驱动、电气装置工作状态诊断、功率霍尔开关电路等。本文介绍了霍尔传感器的基本原理以及霍尔传感器的电子点火应用原理，简单分析了霍尔传感器的各项参数特性。此外作者初涉传感器方面的知识，能力有限，此则是在老师的帮助下以及借鉴各学者的书籍及上网查询才得以完成，故在此对大家表示感谢。