b
磁感应强度 B为零时的情况 c
Байду номын сангаас
UH=0
Increase the applied magnetic field B, the Hall voltage UH increases. UH=KH IB i: primary current.
UH
Demo of Hall effect
d
a b c
UH
当磁场垂直于薄片时，电子受到洛仑兹 力(Lorentz Force)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 (Hall electric potential)

霍尔效应
U H IB IB RH ned d
霍尔电势UH的大小与半导体材料、控制电流I、磁感应强度B以及霍尔元 件的几何尺寸等有关。可用下式表示
式中 I —— 控制电流；B —— 磁感应强度； n —— 半导体材料单位体积内的电子数； e —— 电子电量；d —— 霍尔片厚度； RH ——霍尔常数，RH=1/ne，它反映了材 料霍尔效应的强弱，其大小由材料所决定。 设 KH
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。
在右图中，当磁 铁随运动部件移动到距 霍尔接近开关几毫米时， 霍尔IC的输出由高电平 变为低电平，经驱动电 路使继电器吸合或释放， 控制运动部件停止移动 （否则将撞坏霍尔IC） 起到限位的作用。
霍尔式接近开关用于转 f 速测量演示 n= 60 4
(r/min)
软铁分流翼片
开关型霍尔IC
将被测电流的 导线穿过霍尔电流 传感器的检测孔。 当有电流通过导线 时，在导线周围将 产生磁场，磁力线 集中在铁心内，并 在铁心的缺口处穿 过霍尔元件，从而 产生与电流成正比 的霍尔电压。
N S
磁铁 线性霍尔
f n 60 22
霍尔转速表原理
当齿对准霍尔元件时，磁力线集中穿 过霍尔元件，可产生较大的霍尔电动势， 放大、整形后输出高电平；反之，当齿轮 的空挡对准霍尔元件时，输出为低电平。
霍尔转速表的其他安装方法 霍尔元件
磁铁 只要黑色金属旋转体的表面存在缺口 或突起，就可产生磁场强度的脉动，从而 引起霍尔电势的变化。
当叶片槽口 转到霍尔IC面前 时，霍尔IC输出 跳变为高电平， 经反相变为低电 平，达林顿管截 止，切断点火线 圈的低压侧电流。 由于没有续流元 件，所以存储在 汽车电子点火电路及波形 点火线圈铁心中 a）电路 b）霍尔IC及点火线圈高压侧输出波形 的磁场能量在高 1—点火开关 2—达林顿晶体管功率开关 3—点火线圈低压侧 压侧感应出 4—点火线圈铁心 5—点火线圈高压侧 6—分火头 7—火花塞 30~50kV的高电压。
霍尔元件的主要外特性参数
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。
磁场不垂直于霍尔元件时的霍尔电动势
开关型霍尔集成电路的 外形及内部电路
Vcc
霍尔 元件
施密特 触发电路
OC门
.
双端输入、 单端输出运放
Characteristic of On-off Hall IC (开关型霍尔
集成电路的史密特输出特性)
磁滞（回差） （hysteresis) 越大，抗振 动干扰能力 就越强。
当磁铁从远到近地接近霍尔IC，到多少特斯拉 时输出翻转？当磁铁从近到远地远离霍尔IC，到多 少特斯拉时输出再次翻转？回差为多少特斯拉？相 当于多少高斯（Gs）？
波分析仪
铁心的 开合缝隙
被测电流 的谐波频谱
铁心的 杠杆压舌
霍尔式压力计

霍尔式压力传感器
由上述霍尔电势产生的原理可知，对于材料和结构已定的 霍尔元件，其霍尔电势仅与 B和I有关。若控制电流I一定，改 变磁感应强度B，则会使得霍尔电势UH变化，霍尔式压力传感 器正是采用了这样一种检测方式。 如右图所示，分别为以弹簧管作 为弹性元件测量压力的压力表结构， 被测压力由使弹性元件产生形变，采 用各自的机械连接方式，使霍尔片发 生位移。在霍尔片的上、下垂直安装 两对磁极，使霍尔片处于两对磁极形 成的非均匀磁场中。霍尔片的四个端 面引出四根导线，其中与磁钢相平行的两根导线和恒流稳压电 源相连，另外两根导线用来输出霍尔电势信号。
RH d
，则得到
U H K H IB
KH称为霍尔元件的灵敏度，它表示了单位电流和单位磁场作用下，开 路时霍尔电势的大小。它与元件的厚度成反比，霍尔片越薄，灵敏度系数 就越大。但在考虑提高灵敏度的同时，必须兼顾元件的强度和内阻。

霍尔元件的基本特性
(1)额定控制电流 当霍尔器件的控制电流使器件本身在空气中产生10℃温升时，对应的控 制电流值称为额定控制电流。以器件允许的最大温升为限制，所对应的控制 电流值称为最大允许控制电流。因霍尔电势随控制电流的增加而线性增加， 所以实际应用中总希望选用尽可能大的控制电流，因而需要知道器件的最大 允许控制电流。 (2)输入电阻 指在没有外磁场和室温变化的条件下，电流输入端的电阻值。霍尔器件 工作时需要加控制电流，这就需要知道控制电极间的电阻，即输入电阻。 (3)输出电阻 霍尔电极之间的电阻，称输出电阻。输出电阻在无外接负载时测得。 (4)乘积灵敏度SH 在单位控制电流 Ic和单位磁感应强度 B的作用下，霍尔器件输出端开路 时测得的霍尔电压SH称为乘积灵敏度，其单位为v/(A· T)。乘积灵敏度还可以 表示为SH=RH／d=ρu/d 。由此看出，半导体材料的电子迁移率 u越大，或半 导体晶片厚度越薄，则乘积灵敏度SH越大。
霍尔特斯拉计（高斯计）
霍尔元件
霍尔高斯计（特斯拉计）的使用
霍尔元件
磁铁
霍尔传感器用于测量磁场强度
测量铁心 气隙的B值
霍尔元件
霍尔转速表 在被测转速的转轴上安装一个齿盘，也可 选取机械系统中的一个齿轮，将线性型霍尔器 件及磁路系统靠近齿盘。齿盘的转动使磁路的 磁阻随气隙的改变而周期性地变化，霍尔器件 输出的微小脉冲信号经隔直、放大、整形后可 以确定被测物的转速。
III Application of Hall effect sensor (霍尔传感器的应用)
霍尔电势是关于I、B、 三 个变量的函数，即 EH=KHIBcos 。 利用这个关系可以使其中两个量 不变，将第三个量作为变量，或 者固定其中一个量，其余两个量 都作为变量。这使得霍尔传感器 有许多用途。
70.9A
钳形表的环形铁 心可以张开， 导线由此穿过
霍尔钳形电流表的使用 被测电流的导线从此处穿入 钳形表的环形铁心 手指按下此处，将钳形表的 铁心张开 将被测电流导线逐根夹 到钳形表的环形铁心中
霍尔钳形电流表的使用（续） 叉形钳形表 漏磁稍大， 但使用方便
用钳形表测量 电动机的相电流
霍尔式电流谐
霍尔电流传感器
所实现的多媒体界面：
霍尔电流传感器演示
铁心
线性霍尔IC
EH=KH IB
其他霍尔 电
流传感器
其他霍尔电流传
感器（续）
霍尔钳形电流表（交直流两用） 豁口
压舌
霍尔钳形电流表演示 被测电流的 70.9A 导线未放入 铁心时示值 为零
直流200A量程
霍尔钳形 霍尔钳形 电 霍尔钳形 流表演示 电流表演示 电流表演示

霍尔效应
霍尔传感器的传感元件使用硅（Si）、锗（Ge）、锑化铟（InSb）、砷 化铟（InAs）等半导体材料制造。这类材料制造的半导体薄片，在磁场和电 流的共同作用下会产生“霍尔效应”。 一个半导体薄片，若使控制电流I通过它的 两个相对侧面，在与电流垂直的另外两个相对 侧面施加磁感应强度为 B 的磁场，那么在半导 体薄片与电流和磁场均垂直的另外两个侧面上 将产生电势信号UH 。这一现象称为霍尔效应， 产生的电势称为霍尔电势，其大小与控制电流I 与磁感应强度B的乘积成正比。 霍尔效应的产生是由于运动电荷受磁场中洛伦兹力作用的结果。如图所 示。假设在N型半导体薄片的垂直方向上加一磁感应强度为B的恒定磁场， 在半导体薄片相对两侧加一控制电流I时，半导体材料中的电子运动由于受 到洛伦兹力的作用，而使电子运动的轨道发生偏移，沿图中虚线所示的轨迹 运动，一个端面有电子积累显负极型，另一个端面因失去电子而显正极性， 因此在与磁场B和电流I均垂直的两个端面上出现电位差。
霍尔元件的主要外特性参数
最大磁感应强度 BM
线性区
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？（1T=10000G）
II. Hall effect IC (霍尔集成电路)
霍尔集成电路可分为线性型(linear)和开关 型(on-off)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。
桑塔纳汽车霍尔式分电器示意图
a）带缺口的触发器叶片 b）触发器叶片与永久磁铁及霍尔集 成电路之间的安装关系 c）叶片位置与点火正时的关系 1-触发器叶片 2-槽口 3-分电器转轴 4-永久磁铁 5-霍尔集成电路（PNP型霍尔IC）