磁电式传感器-霍尔传感器

霍 尔 传 感 器 Hall Sensor 霍 尔 式 传 感 器 是 基 于 霍 尔 效 应 而 将 被 测 量 转 换 成 电 动 势 输 出 的一 种 传 感 器 。 霍 尔 器 件 是 一 种 磁 敏 传 感 器 ， 利 用 半 导 体 元 件 对 磁场 敏 感 的 特 性 来 实 现 磁 电 转 换 ， 它 们 可 以 检 测 磁 场 及 其 变 化 ， 可在 各 种 与 磁 场 有 关 的 场 合 中 使 用 。 霍 尔 器 件 具 有 许 多 优 点 ， 它 们 的 结 构 牢 固 ， 体 积 小 ， 重 量 轻 ，寿 命 长 ， 安 装 方 便 ， 功 耗 小 ， 频 率 高 (可 达 1MHz)， 耐 振 动 ， 不 怕灰 尘 、 油 污 、 水 汽 及 盐 雾 等 的 污 染 或 腐 蚀 。 按 照 霍 尔 器 件 的 功 能 可 将 它 们 分 为 ： 霍 尔 线 性 器 件 和 霍 尔 开 关器 件 ， 前 者 输 出 模 拟 量 ， 后 者 输 出 数 字 量 。 霍 尔 线 性 器 件 的 精 度 高 、 线 性 度 好 ； 霍 尔 开 关 器 件 无 触 点 、 无磨 损 、 输 出 波 形 清 晰 、 无 抖 动 、 无 回 跳 、 位 置 重 复 精 度 高 (可 达 级 )。 采 用 了 各 种 补 偿 和 保 护 措 施 的 霍 尔 器 件 的 工 作 温 度 范 围宽 ， 可 达 -55 +150 。 m 霍 尔 传 感 器 的 工 作 原 理1 霍 尔 效 应 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A BC D 当 有 图 示 方 向 磁 场 B作 用 时 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 UH可 用 下 式 表 示 ： UH=KH IB 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 A、 B方 向 的 端 面 之 间 建 立 起 霍 尔 电势 。 A BC D 可 以 推 出 ， 霍 尔 电 动 势 UH 的 大 小 为 ： H H cosU k IB 式 中 ： kH 为 灵 敏 度 系 数 ， kH = RH /d， 表 示 在 单 位 磁 感 应 强 度 和 单位 控 制 电 流 时 的 霍 尔 电 动 势 的 大 小 ,与 材 料 的 物 理 特 性 （ 霍 尔 系数 ） 和 几 何 尺 寸 d有 关 ； 霍 尔 系 数 RH 1/(nq)， 由 材 料 物 理 性 质 所 决 定 ， q为 电 子 电 荷 量 ；n为 材 料 中 的 电 子 浓 度 。 为 磁 场 和 薄 片 法 线 夹 角 。 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 。 金 属 材 料 中 的 自 由 电 子 浓 度 n很 高 ， 因 此 RH 很 小 ， 不宜 作 霍 尔 元 件 。 霍 尔 元 件 多 用 载 流 子 迁 移 率 大 的 N型半 导 体 材 料 制 作 。 另 外 ， 霍 尔 元 件 越 薄 (d越 小 )， kH就 越 大 ， 所 以 通 常 霍 尔 元 件 都 较 薄 。 薄 膜 霍 尔 元 件 的厚 度 只 有 1 左 右 。m 2 霍 尔 元 件霍 尔 片 是 一 块 矩 形 半 导 体 单 晶 薄 片 (一 般 为 4mm 2mm 0.1mm)，经 研 磨 抛 光 ， 然 后 用 蒸 发 合 金 法 或 其 他 方 法 制 作 欧 姆 接 触 电 极 ，最 后 焊 上 引 线 并 封 装 。 而 薄 膜 霍 尔 元 件 则 是 在 一 片 极 薄 的 基 片 上用 蒸 发 或 外 延 的 方 法 做 成 霍 尔 片 ， 然 后 再 制 作 欧 姆 接 触 电 极 ， 焊上 引 线 最 后 封 装 。 一 般 控 制 端 引 线 采 用 红 色 引 线 ， 而 霍 尔 输 出 端引 线 则 采 用 绿 色 引 线 。 霍 尔 元 件 的 壳 体 用 非 导 磁 金 属 、 陶 瓷 或 环氧 树 脂 封 装 。 (a) 霍 尔 元 件 外 形 (b)电 路 符 号 (c) 基 本 应 用 电 路 3 霍 尔 元 件 的 主 要 特 性 及 材 料 1) 霍 尔 元 件 的 主 要 特 性 参 数(1) 灵 敏 度 kH： 表 示 元 件 在 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 动 势 ， 单 位 为 V/(A T)。(2) 霍 尔 输 入 电 阻 Ri： 霍 尔 控 制 电 流 电 极 间 的 电 阻 值 。(3) 霍 尔 输 出 电 阻 Ro： 霍 尔 输 出 电 极 间 的 电 阻 值 。(4) 霍 尔 电 阻 的 温 度 系 数 ： 表 示 在 一 定 的 磁 感 应 强 度 和控 制 电 流 的 条 件 下 ， 环 境 温 度 每 变 化 1 时 霍 尔 元 件 材 料 的电 阻 变 化 率 ， 单 位 为 %/ 。 1) 霍 尔 元 件 的 主 要 特 性 参 数(6) 额 定 控 制 电 流 Icm： 空 气 中 的 霍 尔 元 件 产 生 允 许 温 升 T=10 时 的 控 制 电 流 ， 一 般 为 几 毫 安 到 几 百 毫 安 。(7) 不 等 位 电 势 U 0： 外 加 磁 场 为 0， 霍 尔 元 件 在 额 定 控 制 电 流 下 ，两 霍 尔 电 极 之 间 的 开 路 电 动 势 。 U0越 小 越 好 ， 一 般 地 ， U0小 于1mV。（ 8） 不 等 位 电 阻 r0: r0=U0/Icm。cm 2 /sI w d T (5) 霍 尔 电 动 势 的 温 度 系 数 ： 表 示 在 一 定 的 磁 感 应 强 度 和 控制 电 流 的 条 件 下 ， 环 境 温 度 每 变 化 1 时 霍 尔 电 势 的 相 对 变 化 率单 位 为 %/ 。 3 霍 尔 元 件 的 主 要 特 性 及 材 料 1) 霍 尔 元 件 的 主 要 特 性 参 数(9) 霍 尔 最 大 允 许 激 励 电 流 Imax： 以 霍 尔 元 件 允 许 最大 温 升 为 限 制 所 对 应 的 激 励 电 流 称 为 最 大 允 许 激 励 电流 。(10) 霍 尔 寄 生 直 流 电 势 UOD： 在 外 加 磁 场 为 零 、 霍 尔 元件 用 交 流 激 励 时 ， 霍 尔 电 极 输 出 除 了 交 流 不 等 位 电 动 势外 ， 还 有 一 直 流 电 势 ， 称 为 寄 生 直 流 电 势 。 2) 霍 尔 元 件 的 材 料锗 (Ge)、 硅 (Si)、 锑 化 铟 (InSb)、 砷 化 铟 (InAs)和 砷 化 镓(GaAs)是 常 见 的 制 作 霍 尔 元 件 的 几 种 半 导 体 材 料 。 表 6-2所 列为 制 作 霍 尔 元 件 的 几 种 半 导 体 材 料 主 要 参 数 。 1 2 /电 阻 率 电 子 迁 移 率 材 料 (单 晶 ) 禁 带 宽 度Eg/(eV) /( cm) /(cm/Vs) 霍 尔 系 数RH/(cmC-1)N型 锗 (G e) 0.66 1.0 3500 4250 4000N型 硅 (Si) 1.107 1.5 1500 2250 1840锑 化 铟 (InSb) 0.17 0.005 60000 350 4200砷 化 铟 (InAs) 0.36 0.0035 25000 100 1530磷 砷 铟 (InAsP) 0.63 0.08 10500 850 3000 哪 种 材 料 制 作 的 霍 尔 元 件 灵 敏 度 高 不 等 位 电 动 势 产 生 的 原 因 是 由 于 制 造 工 艺不 可 能 保 证 将 两 个 霍 尔 电 极 对 称 地 焊 在 霍尔 片 的 两 侧 ， 致 使 两 电 极 点 不 能 完 全 位 于同 一 等 位 面 上 。 4 霍 尔 元 件 的 误 差 及 补 偿 1 霍 尔 元 件 的 零 位 误 差 与 补 偿霍 尔 元 件 的 零 位 误 差 是 指 在 无 外 加 磁 场 或 无 控 制 电 流 的 情 况 下 ，霍 尔 元 件 产 生 输 出 电 压 并 由 此 而 产 生 的 误 差 。 它 主 要 表 现 为 以下 几 种 具 体 形 式 。 1) 不 等 位 电 动 势不 等 位 电 动 势 是 零 位 误 差 中 最 主 要 的 一 种 ，它 是 当 霍 尔 元 件 在 额 定 控 制 电 流 (元 件 在 空 气中 温 升 10 所 对 应 的 电 流 )作 用 下 ， 不 加 外 磁场 时 ， 霍 尔 输 出 端 之 间 的 空 载 电 动 势 。 此 外 ,霍 尔 片 电 阻 率 不 均 匀 ， 或 片 厚 薄 不均 匀 ， 或 控 制 电 流 极 接 触 不 良 都 将 使 等 位面 歪 斜 ， 如 图 所 示 ， 致 使 两 霍 尔 电 极 不 在同 一 等 位 面 上 而 产 生 不 等 位 电 动 势 。 2) 寄 生 直 流 电 势在 无 磁 场 的 情 况 下 ， 元 件 通 入 交 流 电 流 ， 输 出 端 除 交 流 不 等 位电 压 以 外 的 直 流 分 量 称 为 寄 生 直 流 电 势 。 产 生 寄 生 直 流 电 势 的原 因 有 两 个 方 面 ： (1)由 于 控 制 电 极 焊 接 处 接 触 不 良 而 造 成 一 种整 流 效 应 ， 使 控 制 电 流 因 正 、 反 向 电 流 大 小 不 等 而 具 有 一 定 的直 流 分 量 。 (2)输 出 电 极 焊 点 热 容 量 不 相 等 产 生 温 差 电 动 势 。 对于 锗 霍 尔 元 件 ， 当 交 流 控 制 电 流 为 20mA时 ， 输 出 电 极 的 寄 生 直流 电 压 小 于 100 。 V 3) 感 应 零 电 动 势感 应 零 电 动 势 是 在 未 通 电 流 的 情 况 下 ， 由 于脉 动 或 交 变 磁 场 的 作 用 ， 在 输 出 端 产 生 的 电动 势 。 根 据 电 磁 感 应 定 律 ， 感 应 电 动 势 的 大小 与 霍 尔 元 件 输 出 电 极 引 线 构 成 的 感 应 面 积成 正 比 ， 如 图 所 示 。 4) 自 激 场 零 电 动 势霍 尔 元 件 控 制 电 流 产 生 自 激 场 ， 如 图 所 示 。由 于 元 件 的 左 右 两 半 场 相 等 ， 故 产 生 的 电 动势 方 向 相 反 而 抵 消 。 实 际 应 用 时 由 于 控 制 电流 引 线 也 产 生 磁 场 ， 使 元 件 左 右 两 半 场 强 不等 ， 因 而 有 霍 尔 电 动 势 输 出 ， 这 一 输 出 电 动势 即 是 自 激 场 零 电 动 势 。 在 上 述 的 4种 零 位 误 差 中 ， 寄 生 直 流 电 动 势 、 感 应 零 电 动 势 以 及自 激 场 零 电 动 势 ， 是 由 于 制 作 工 艺 上 的 原 因 而 造 成 的 误 差 ， 可 以通 过 工 艺 水 平 的 提 高 加 以 解 决 。 而 不 等 位 电 动 势 所 造 成 的 零 位 误差 ， 则 必 须 通 过 补 偿 电 路 给 予 克 服 。在 理 想 情 况 下 R 1=R2=R3=R4， 即 可 取 得 零 位 电 动 势 为 零 (或 零 位 电 阻为 零 )， 从 而 消 除 不 等 位 电 动 势 。 实 际 上 ， 若 存 在 零 位 电 动 势 ， 则说 明 此 4个 电 阻 不 完 全 相 等 ， 即 电 桥 不 平 衡 。 为 使 其 达 到 平 衡 ， 可在 阻 值 较 大 的 桥 臂 上 并 联 可 调 电 阻 RP或 在 两 个 臂 上 同 时 并 联 电 阻 RP和 R。 霍 尔 元 件 结 构 及 等 效 电 路 如 图 霍 尔 元 件 零 位 误 差 补 偿 电 路 2 霍 尔 元 件 的 温 度 误 差 及 补 偿与 一 般 半 导 体 一 样 ， 由 于 电 阻 率 、 迁 移 率 以 及 载 流 子 浓 度 随 温度 变 化 ， 所 以 霍 尔 元 件 的 性 能 参 数 如 输 入 、 输 出 电 阻 ,霍 尔 常数 等 也 随 温 度 而 变 化 ， 致 使 霍 尔 电 动 势 变 化 ， 产 生 温 度 误 差 。 将 温 度 每 变 化 1 时 ， 霍 尔 元件 输 入 电 阻 或 输 出 电 阻 的 相 对变 化 率 Ri/Ro称 为 内 阻 温 度 系数 ， 用 表 示 。 将 温 度 每 变 化 1 时 ， 霍 尔 电压 的 相 对 变 化 率 UHt/UH0称 为 霍尔 电 压 温 度 系 数 ， 用 表 示 。 哪 种 材 料 制 作 的 霍 尔 元 件 温 度 误 差 小 几 种 温 度 误 差 的 补 偿 方 法1) 采 用 恒 压 源 和 输 入 回 路 串 联 电 阻 补 偿 基 本 电 路 及 等 效 电 路 如 图霍 尔 电 压 随 温 度 变 化 的 关 系 式 为 ： HtH itR EBU R R d 对 上 式 求 温 度 的 导 数 得 ， 要 使 温 度 变 化 时 霍 尔 电 压 不 变 ， 必须 使 外 接 电 阻 ： i0( )RR 2) 合 理 选 择 负 载 电 阻 RL的 阻 值霍 尔 元 件 的 输 出 电 阻 Ro和 霍 尔 电 动 势 UH都 是 温 度 的 函 数 (设 为 正温 度 系 数 )， 当 霍 尔 元 件 接 有 负 载 RL时 ， 在 RL上 的 电 压 为 ：L H0 0L L o0 01 ( )1 ( )R U t tU R R t t 为 了 负 载 上 的 电 压 不 随 温 度 变 化 ， 应 使 dUL/d(t-t0)=0， 即 L o0( 1)R R 式 中 ： Ro0为 温 度 t0时 的 霍 尔 元 件 输 出 电 阻 。可 采 用 串 、 并 连 电 阻 的 方 法 使 上 式 成 立 来 补 偿 温 度 误 差 ， 但霍 尔 元 件 的 灵 敏 度 将 会 降 低 。 3) 采 用 温 度 补 偿 元 件 (如 热 敏 电 阻 、 电 阻 丝 )这 是 一 种 常 用 的 温 度 误 差 补 偿 方 法 。 由 于 热 敏 电 阻 具 有 负 温 度系 数 ， 电 阻 丝 具 有 正 温 度 系 数 ， 可 采 用 输 入 回 路 串 接 热 敏 电 阻 ，输 入 回 路 并 接 电 阻 丝 ， 或 输 出 端 串 接 热 敏 电 阻 对 具 有 负 温 度 系 数的 锑 化 铟 材 料 霍 尔 元 件 进 行 温 度 补 偿 。 可 采 用 输 入 端 并 接 热 敏 电阻 方 式 对 输 出 具 有 正 温 度 系 数 的 霍 尔 元 件 进 行 温 度 补 偿 。 一 般 来说 ， 温 度 补 偿 电 路 、 霍 尔 元 件 和 放 大 电 路 应 集 成 在 一 起 制 成 集 成霍 尔 传 感 器 。5 霍 尔 传 感 器 的 应 用霍 尔 元 件 具 有 结 构 牢 固 、 工 艺 成 熟 、 体 积 小 、 寿 命 长 、 线 性 度好 、 频 率 高 、 耐 振 动 、 不 怕 灰 尘 、 油 污 、 水 汽 及 盐 雾 等 的 污 染或 腐 蚀 的 优 点 ， 目 前 ， 霍 尔 传 感 器 是 全 球 使 用 量 排 名 第 三 的 传感 器 产 品 ， 它 被 广 泛 应 用 到 工 业 、 汽 车 业 、 计 算 机 、 手 机 以 及新 兴 消 费 电 子 领 域 中 。 5 霍 尔 传 感 器 的 应 用1 霍 尔 转 速 传 感 器 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 。SN霍 尔 器 件磁 铁 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 只 要 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 ， 产 生 转 速 信 号 。 霍 尔 元 件磁 铁 2 位 移 测 量 B 2 位 移 测 量 3 霍 尔 机 械 振 动 传 感 器 1 霍 尔 元 件 ； 2 平 板 （ 非 磁 性 材 料 ） ；3 顶 杆 ； 4 触 点 ； 5 外 壳 ； 6 磁 系统 触 点 4与 被 测 对 象 接 触 ， 整 个 组 件 随 被 测体 做 机 械 振 动 。 霍 尔 元 件 输 出 的 霍 尔 电 动势 可 反 映 出 被 测 振 动 的 频 率 和 幅 度 。 3 电 流 测 量霍 尔 钳 形 电 流 表 测 量 原 理