第八章 霍尔传感器 本章主要学习霍尔传感器 的工作原理、霍尔集成电路的特 性及其在检测技术中的应用，还 涉及磁场测量技术。 霍尔元件是 种四端元件 4NGHAI DIANJI UNIVERSITY 2023/7/16
2023/7/16 1 第八章 霍尔传感器 本章主要学习霍尔传感器 的工作原理、霍尔集成电路的特 性及其在检测技术中的应用，还 涉及磁场测量技术。 霍尔元件是 一种四端元件
第一节 霍尔元件的结构及工作原理 半导体薄片置于磁感应强度为B的磁场中，磁场方向 垂直于薄片，当有电流I流过薄片时，在垂直于电流和磁 场的方向上将产生电动势E,这种现象称为霍尔效应。 B=0 d 磁感应强度为零时的情况 2023/7/16 2
2023/7/16 2 第一节 霍尔元件的结构及工作原理 半导体薄片置于磁感应强度为B 的磁场中，磁场方向 垂直于薄片，当有电流I 流过薄片时，在垂直于电流和磁 场的方向上将产生电动势EH，这种现象称为霍尔效应。 磁感应强度B为零时的情况 c d a b
磁感应强度B较大时的情况 作用在半导体薄片上的磁场强度B越强，霍尔电势 也就越高。霍尔电势E可用下式表示： EH-KHIB B +++++++++++ m 2023/7/16 3
2023/7/16 3 磁感应强度B 较大时的情况 作用在半导体薄片上的磁场强度B越强，霍尔电势 也就越高。霍尔电势EH可用下式表示： EH =KH IB
霍尔效应演示 机械工业出版社 http://www.cmpbook.com E=0 当磁场垂直于薄片时，电子受到洛仑兹力的 作用，向内侧偏移，在半导体薄片c、方向的端 面之间建立起霍尔电势。 2023/7/16 4
2023/7/16 4 霍尔效应演示 当磁场垂直于薄片时，电子受到洛仑兹力的 作用，向内侧偏移，在半导体薄片c、d方向的端 面之间建立起霍尔电势。 c d a b
磁场不垂直于霍尔元件时的霍尔电动势 若磁感应强度不垂直于霍尔元件，而是与其法 线成某一角度0时，实际上作用于霍尔元件上的有效 磁感应强度是其法线方向（与薄片垂直的方向）的分 量，即Bcos0,这时的霍尔电势为 EKIBcos6 结论：霍尔电势与输入电流I、磁感应强度B成正 比，且当B的方向改变时， 霍尔电势的方向也随之改 变。如果所施加的磁场为交变磁场，， 则霍尔电势为同 频率的交变电势 2023/7/16 5
2023/7/16 5 磁场不垂直于霍尔元件时的霍尔电动势 若磁感应强度B不垂直于霍尔元件，而是与其法 线成某一角度 时，实际上作用于霍尔元件上的有效 磁感应强度是其法线方向（与薄片垂直的方向）的分 量，即Bcos，这时的霍尔电势为 E H =KH IBcos 结论：霍尔电势与输入电流I、磁感应强度B成正 比，且当B的方向改变时，霍尔电势的方向也随之改 变。如果所施加的磁场为交变磁场，则霍尔电势为同 频率的交变电势
霍尔元件的主要外特性参数 最大磁感应强度BM =9V 5℃ RL 10k 2 -0.15 -0.10-0.05 0 0.050.10 0.15 B/T 线性区 上图所示霍尔元件的线性范围是负的多少 2023/7116 高斯至正的多少高斯？ 6
2023/7/16 6 霍尔元件的主要外特性参数 最大磁感应强度BM 上图所示霍尔元件的线性范围是负的多少 高斯至正的多少高斯？ 线性区
霍尔元件的主要外特性参数（续) 最大激励电流I 由于霍尔电势随激励电流增大而增大， 故在应用中总希望选用较大的激励电流。但 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。 以下哪一个激励电流的数值较为妥当？ 5A 0.1mA 2mA 80mA 2023/7/16
2023/7/16 7 霍尔元件的主要外特性参数（续） 最大激励电流IM : 由于霍尔电势随激励电流增大而增大， 故在应用中总希望选用较大的激励电流。但 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。 以下哪一个激励电流的数值较为妥当？ 5μA 0.1mA 2mA 80mA
第二节霍尔集成电路 霍尔集成电路可分为线性型和开关型两大类。 线性型集成电路是将霍尔元件和恒流源、线性差 动放大器等做在一个芯片上，输出电压为伏级，比直 接使用霍尔元件方便得多。较典型的线性型霍尔器件 如UGN3501等。 线性型三端 霍尔集成电路 2023/7/16 8
2023/7/16 8 第二节 霍尔集成电路 霍尔集成电路可分为线性型和开关型两大类。 线性型集成电路是将霍尔元件和恒流源、线性差 动放大器等做在一个芯片上，输出电压为伏级，比直 接使用霍尔元件方便得多。较典型的线性型霍尔器件 如UGN3501等。 线性型三端 霍尔集成电路
线性型霍尔特性 右图示出了具有双 端差动输出特性的线性 之 霍尔器件的输出特性曲 1.0 R=10k2 Vcd =816V 线。当磁场为零时，它 0.5 的输出电压等于零；当 -0.3 0.2-0.1 00.1 0.2 0.3 感受的磁场为正向（磁 B/T -0.5 钢的$极对准霍尔器件 -1.0 的正面)时，输出为 正；磁场反向时，输出 -1.5 为负。 请画出线性范围 2023/7/16 9
2023/7/16 9 线性型霍尔特性 右图示出了具有双 端差动输出特性的线性 霍尔器件的输出特性曲 线。当磁场为零时，它 的输出电压等于零；当 感受的磁场为正向（磁 钢的S极对准霍尔器件 的正面）时， 输出为 正；磁场反向时，输出 为负。 请画出线性范围
开关型霍尔集成电路 开关型霍尔集成电路是将霍尔元件、稳 压电路、放大器、施密特触发器、OC门（集 电极开路输出门)等电路做在同一个芯片上。 当外加磁场强度超过规定的工作点时，OC门 由高阻态变为导通状态，输出变为低电平； 当外加磁场强度低于释放点时，OC门重新变 为高阻态，输出高电平。较典型的开关型霍 尔器件如UGN3020等。 2023/7/16 10
2023/7/16 10 开关型霍尔集成电路 开关型霍尔集成电路是将霍尔元件、稳 压电路、放大器、施密特触发器、OC门（集 电极开路输出门）等电路做在同一个芯片上。 当外加磁场强度超过规定的工作点时，OC门 由高阻态变为导通状态，输出变为低电平； 当外加磁场强度低于释放点时，OC门重新变 为高阻态，输出高电平。较典型的开关型霍 尔器件如UGN3020等