捕捉无形杀手电磁波- 豆丁网
2010年11月6日 – 霍尔效应(Hall effect basic principles) I I fsda I A a b c d Vcd E K h d 其中K= 称为半导体的灵敏度nqd BI Vh nqd 1 =KBI =KBI 霍尔电压和控制 ...
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應用霍爾元件測量物體轉速 - 自動控制工程學系全球資訊網- 逢甲大學
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2.1 基本電磁波理論. 4. 2.2 霍爾效應. 5. 2.3 磁場與距離的關係. 6. 2.4 馬達轉速與頻率關係. 8. 第三章硬體研發及軟體應用. 硬體研發及軟體應用. 硬體研發及軟體應用 ...
金属或半导体薄片垂直置入磁感应强度为
!
的磁场中，若在两端通以电流，运动电荷由于
受洛伦兹力的作用，正负电荷将分别沿垂直于磁
场和电流的方向向导体两端移动，并聚集在导体
两端形成电动势，这就是霍尔电动势，或称之为
霍尔电压。这种现象就是著名的霍尔效应
提高霍尔传感器精确度的研究
高茜
!
辽宁大学高职学院，辽宁沈阳""##$% &
摘要： 介绍了霍尔传感器的工作原理、影响测量精确度的原因及一般补偿措施，并提出
了几点精确度再提高的建议。
关键词：霍尔传感器；精确度；补偿措施
中图分类号：
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文章编号：
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传感器作为自动化仪器的触角担负着采集
信息的重要任务，霍尔传感器以它体积小、结构
简单等优点己成为一种不可替代的半导体器件，
它的精确度是自动化程度的一个重要标志。本文
在介绍霍尔效应原理及霍尔传感器测量原理的
基础上，分析了影响精确度的原因和一般补偿措
施，着重提出了几点精确度再提高的建议。
"
原理
!" !
霍尔效应原理
金属或半导体薄片垂直置入磁感应强度为
!
的磁场中，若在两端通以电流，运动电荷由于
受洛伦兹力的作用，正负电荷将分别沿垂直于磁
场和电流的方向向导体两端移动，并聚集在导体
两端形成电动势，这就是霍尔电动势，或称之为
霍尔电压。这种现象就是著名的霍尔效应，如图
"
所示。
霍尔电压：
"# / 0 $ ! % &
其中
0 为霍尔常数；$ 为控制电流；! 为磁感应
强度；
& 为薄片的厚度。
这样的金属或半导体薄片就是霍尔元件。由
霍尔元件组成的传感器称为霍尔传感器。
!" #
霍尔传感器的工作原理
人们可通过霍尔传感器所提供的输出电压
来测量磁场强度或电流强度，令
’# / 0 1 &2 则
"
# ( ’#$!。这表明在一定条件下，输出电压与磁
场强度和电流强度呈线性关系。
’# 为霍尔元件
的灵敏度。图
-、图$ 分别是! ! / #) $ 34 1 5- 时
的
& "# , $ 特性曲线和! !0#) % 34 1 5- 时的&
"
# ) ! 特性曲线。
-
影响测量精确度的因素及一般补
偿措施
#" !
元件材料的影响
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
沈阳电力高等专科学校学报
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第
( 卷第" 期
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年" 月
收稿日期：
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作者简介：高茜
! "MN$ , & ，女，辽宁沈阳人，辽宁大学高职学院讲师)
图
" 霍尔效应原理
图
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图
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"
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第
! 期高茜：提高霍尔传感器精确度的研究"#
图
$ %&’集成电路
图
" 不等位电动势的几种补偿线路
图
( 温度补偿线路
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，但在实际设计时
长宽比
! " # 取) 已经足够了，因为，长宽比! * #
过大，会使输入功耗增加，反而降低了元件的效
率；要消除实际电极点接触宽度
$ 的影响，在实际
焊接时应设法使
$ " ! + ,- !。
!" !
不等位电动势的影响
这种不等位电动势也叫传感器输出电压的零
位误差，是由于制作霍尔元件时不可避免地使电
动势的极点不在同一等位面上而形成的，它对测
量结果的影响是直接的，对它的补偿通常要采取
桥式等效电路法，如图
" 所示。
!" #
寄生直流电动势的影响
这种寄生直流是由于霍尔元件电极的不完全
欧姆接触造成整流效应以及焊点的大小不一致产
生温差所形成的，它也会导致零位误差，对霍尔电
动势产生直接影响。对它的补偿要求在元件的制
作和安装时，应尽量改善电极的欧姆接触性能和
元件的散热条件。
!" $
感应电动势的影响
霍尔元件在交变电磁场中工作时，即使不加
控制电流，由于霍尔传感器引线布置的不合理，在
输出回路中也会产生附加感应电动势。这一霍尔
感应电动势正比于磁场的变化频率和磁感应强度
的幅值，并且和霍尔电动势极引线构成的感应面
积成正比。所以，要减小感应电动势给霍尔电动势
带来的影响，除了合理布线外，还可以在磁路气隙
中安置另一辅助霍尔元件，如果两个元件特性相
同，可以起到显著的补偿效果。
!" %
温度的影响
霍尔元件与一般半导体元件一样，对温度的
变化十分敏感，这是因为半导体材料的电阻率、迁
移率和载流子浓度等随温度变化的缘故。温度补
偿一般除选用温度系数小的元件、采用恒温措施、
用恒流源供电等外，还要结合其它补偿电路，如图
(
所示。
在控制电流极并联一个合适的补偿电阻
%&，
这个电阻起分流作用。当温度升高时，霍尔元件的
内阻迅速增加，通过元件的电流减小，而通过补偿
电阻
%& 的电流却增加。这样就能够自动调节通过
霍尔元件的电流的大小，从而起到补偿的作用。
#
对测量精确度再提高的几点建议
#" &
用集成电路取代霍尔单元件
以体积小、灵敏度高且物美价廉而被广泛采
用的
%&’集成电路为例，它采用霍尔元件与一个
差分放大器集成在一个芯片上，如图
$ 所示。
%&’
集成电路有一定的输出电压’. 当外加
磁场为
( 极时，输出电压为’ ) *’+；当外加磁场
为
$ 极时，输出电压为’— *’+。其中* 为放大器
的增益。因此，
%&’集成电路比%&’霍尔元件的
灵敏度会高出许多倍
/可以高出两个数量级0。这
种集成电路不但比单元件灵敏度高，信号更强，而
且它的体积仍然很小，使用十分方便。尤其对弱磁
场，可减少噪音的影响。另外，它的频率特性更好，
动态范围更大。
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责任编辑翟春B
KK
沈阳电力高等专科学校学报L>>L
;< =
印刷电路板的布线和元件布局时需要考虑
的细节
=B
电容的分布电感，电感的分布电容都不可
忽视。因为一个过孔就会增加
>H M NC 的电容，一个
接插件将引入
K O L> !) 的电感，所以过孔要尽量
地少。
LB
元件的引脚不可以太长，因为引脚过长会
引起大线效应，将高频信号发射出去。
?B
尽量少使用导线，只要长度达到信号波长
的
= P L>，导线就成了天线。所以，元件最好直接焊
在线路板上，这比使用
0A 座要好。
KB
当电路板上的布线需要转弯时，应选择向
两个方向各转
K@Q或向一个方向圆滑地转R>Q，以
减少高频信号的对外发射。
@B
模拟电路和数字电路应各有独立的空间
布局，应尽量使用多层板。
MB
电源线和地线要尽量粗，表面贴装元件、
焊点小于
>H L@K .IL 的连接器及焊点应错开排列，
确保电源平面和地平面在围绕所有焊点和过孔的
整个范围内是连续的。
SB
印制电路板上信号的走向要按顺序前进，
不要有逆行通道，信号不要在几块板之间来回
走。
;< ;
用物理方法抗电磁干扰
因为霍尔传感器最大的干扰就是电磁波，所
以可以使用几种简单易行的物理方法抗干扰：
=B
接地。接地可使传感器、系统、地之间建立
低阻抗传导通路，是消除传导耦合的重要措施，不
过，电流通过地线会产生电压降，地线还可能和其
它线路形成环路，产生新的干扰，所以具体接地
时，
!当电路或元件的尺寸同波长之比小于>H =
时，用单点接地；
"所有的接地引线要尽可能地短
而直，接地缆线时要避免挠性接头；
#对信号回
路、信号屏蔽回路、电源回路，要保持各自独立的
接地线，在一个接地基准点将其接在一起；
$电源
线和返回线不能分开走，也不能分开屏蔽，最好使
用双绞线。
LB
屏蔽。屏蔽是抑制干扰耦合的有效途径。
屏蔽有两个目的：一是限制内部电磁波越出某一
区域，二是防止外来的辐射进入某一区域。因此，
在发射源和敏感器之间插入金属屏蔽体，会减少
敏感器接受干扰的场强。设计时应考虑：
!高频电
场屏蔽应采用良导体，如铜、铝等，以得到最大的
反射损耗；
"低频磁场屏蔽应采用磁性材料，如铁
和镍铁等高导磁材料，以得到最大的穿透损耗；
#
多重屏蔽提高屏蔽效果和扩大屏蔽的频率范围；
$
设计过程中，连续地对接或搭接焊缝是最合乎
要求的；
%配合面必须清洁，且要用不导电表层。
?B
滤波。滤波是抑制传导干扰的主要手段。
由于干扰频谱成分不同于有用信号的频谱，滤波
器对这些与有用信号不同的成分具有良好的抑制
能力，从而起到其它干扰抑制法难以起到的作
用。在设计滤波器时，应明确电路的工作频率和要
抑制的信号频率。如要抑制的信号频率与电路的
工作频率非常接近，则需用频率特性非常陡峭的
滤波器
(这将增加滤波器成本B。也可选用某一有
用信号的带通滤波器来代替抑制噪声的带阻滤波
器。另外，每个集成电路元件要加一个去耦电容
器，布线时去耦电容器要真正直接接在芯片的电
源地上。好的高频去耦电容器可以去除
=!)T 的高
频成分，每
=> 片左右集成电路要加= 个去放电储
能电容器，电容值选
=> !C 左右。实践表明; 钽电容
器、聚脂电容器要比电解电容器好。
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