霍爾傳感器的工作原理及應(yīng)用.

1、霍爾傳感器霍爾傳感器 霍爾傳感器是利用半導(dǎo)體材料的霍爾效應(yīng)進(jìn)行測量的一種傳感器。它可以直接測量磁場及微位移量，也可以間接測量液位、壓力等工業(yè)生產(chǎn)過程參數(shù)。目前霍爾傳感器已從分立元件發(fā)展到了集成電路的階段，正越來越受到人們的重視，應(yīng)用日益廣泛。 一、霍爾效應(yīng) 在置于磁場的導(dǎo)體或半導(dǎo)體時(shí)通入電流，若電流與磁場垂直，則在與磁場和電流都垂直的方向上會出現(xiàn)一個(gè)電熱差，這種現(xiàn)象為霍爾效應(yīng)。利用霍爾效應(yīng)制成的元件稱為霍爾傳感器。見圖6-2-1，半導(dǎo)體材料的長、寬、厚分別為、和。在與軸相垂直的兩個(gè)端面和上做兩個(gè)金屬電極，稱為控制電極。在控制電極上外加一電壓，材料中便形成一個(gè)沿方向流動的電流，稱為控制電流。 設(shè)

2、圖中的材料是型半導(dǎo)體，導(dǎo)電的載流子是電子。在軸方向的磁場作用下，電子將受到一個(gè)沿軸負(fù)方向力的作用，這個(gè)力就是洛侖茲力。洛侖茲力用F表示，大小為： FL=qvB (6-2-1)式中，q為載流子電荷；為載流子的運(yùn)動速度；為磁感應(yīng)強(qiáng)度。 上一節(jié)下一節(jié) 在洛侖茲力的作用下，電子向一側(cè)偏轉(zhuǎn)，使該側(cè)形成負(fù)電荷的積累，另一側(cè)則形成正電荷的積累。這樣，A、B兩端面因電荷積累而建立了一個(gè)電場，稱為霍爾電場。該電場對電子的作用力與洛侖茲力的方向相反，即阻止電荷的繼續(xù)積累。當(dāng)電場力與洛侖茲力相等時(shí)，達(dá)到動態(tài)平衡，這時(shí)有 qEH=qvB霍爾電場的強(qiáng)度為 EH=vB (6-2-2)在A與B兩點(diǎn)間建立的電勢差稱為霍爾電壓

3、，用UH表示 UH= EHb= vBb (6-2-3) 由式(6-2-3)可見，霍爾電壓的大小決定于載流體中電子的運(yùn)動速度，它隨載流體材料的不同而不同。材料中電子在電場作用下運(yùn)動速度的大小常用載流子遷移率來表征所謂載流子遷移率，是指在單位電場強(qiáng)度作用下，載流子的平均速度值。載流子遷移率用符號表示，=v/EI。其中EI是C、D兩端面之間的電場強(qiáng)度。它是由外加電壓U產(chǎn)生的，即EIU/L。因此我們可以把電子運(yùn)動速度表示為v=U/l。這時(shí)式(6-2-3)可改寫為: (6-2-4)當(dāng)材料中的電子濃度為n時(shí)，有如下關(guān)系式: I=nqbdv 即bBlUUHnqbdIv (6-2-5) 將式（6-2-5）代入

4、式（6-2-3），得到 (6-2-6)式中RH為霍爾系數(shù)，它反映材料霍爾效應(yīng)的強(qiáng)弱， ；KH為霍爾靈敏度，它表示一個(gè)霍爾元件在單位控制電流和單位磁感應(yīng)強(qiáng)度時(shí)產(chǎn)生的霍爾電壓的大小，KH=RH/d，它的單位是mV/(mAT)由式(6-2-6)可見，霍爾元件靈敏度KH是在單位磁感應(yīng)強(qiáng)度和單位激勵電流作用下，霍爾元件輸出的霍爾電壓值，它不僅決定于載流體材料，而且取決于它的幾何尺寸 (6-2-7)由式(6-2-4)、(6-2-6)還可以得到載流體的電阻率與霍爾系數(shù)RH和載流子遷移率之間的關(guān)系: (6-2-8)IBKdIBRIBnqdUHHH1nqRH1nqdKH1HR通過以上分析，可以看出: 1) 霍爾

5、電壓UH與材料的性質(zhì)有關(guān)。根據(jù)式(6-2-8)，材料的、大，RH就大。金屬的雖然很大，但很小，故不宜做成元件。在半導(dǎo)體材料中，由于電子的遷移率比空穴的大，且np，所以霍爾元件一般采用N型半導(dǎo)體材料。 2) 霍爾電壓UH與元件的尺寸有關(guān)。 根據(jù)式(6-2-7)，d 愈小，KH 愈大，霍爾靈敏度愈高，所以霍爾元件的厚度都比較薄，但d太小，會使元件的輸入、輸出電阻增加。 從式(6-2-4)中可見，元件的長度比l/b對UH也有影響。前面的公式推導(dǎo)，都是以半導(dǎo)體內(nèi)各處載流子作平行直線運(yùn)動為前提的。這種情況只有在l/b很大時(shí)，即控制電極對霍爾電極無影響時(shí)才成立，但實(shí)際上這是做不到的。由于控制電極對內(nèi)部產(chǎn)生

6、的霍爾電壓有局部短路作用在兩控制電極的中間處測得的霍爾電壓最大，離控制電極很近的地方，霍爾電壓下降到接近于零。為了減少短路影響l/b要大一些，一般l/b=2。但如果l/b過大，反而使輸入功耗增加降低元件的輸出。 霍爾電壓UH與控制電流及磁場強(qiáng)度有關(guān)。根據(jù)式正比于及。當(dāng)控制電流恒定時(shí)愈大愈大。當(dāng)磁場改變方向時(shí)，也改變方向。同樣，當(dāng)霍爾靈敏度及磁感應(yīng)強(qiáng)度恒定時(shí)，增加控制電流，也可以提高霍爾電壓的輸出。 二、霍爾元件二、霍爾元件 如前所述，霍爾電壓UH正比于控制電流和磁感應(yīng)強(qiáng)度。在實(shí)際應(yīng)用中，總是希望獲得較大的霍爾電壓。增加控制電流雖然能提高霍爾電壓輸出，但控制電流太大，元件的功耗也增加，從而導(dǎo)致元

7、件的溫度升高，甚至可能燒毀元件。 設(shè)霍爾元件的輸入電阻為Ri，當(dāng)輸入控制電流I時(shí)，元件的功耗Pi為 (6-2-9) 式中，為霍爾元件的電阻率。 設(shè)霍爾元件允許的最大溫升為T，相應(yīng)的最大允許控制電流為Icm時(shí)，在單位時(shí)間內(nèi)通過霍爾元件表面逸散的熱量應(yīng)等于霍爾元件的最大功耗，即 (6-2-10) 式中，A為散熱系數(shù)W/(m2C)。上式中的2lb表示霍爾片的上、下表面積之和，式中忽略了通過側(cè)面積逸散的熱量。 bdlIRIPi22TAlbbdlIPcmm22這樣，由上式便可得出通過霍爾元件的最大允許控制電流為 (6-2-11) 將上式及RH=代入式(6-2-6)，得到霍爾元件在最大允許溫升下的最大開路

8、霍爾電壓，即： (6-2-12)式說明，在同樣磁場強(qiáng)度、相同尺寸和相等功耗下，不同材料元件輸出霍爾電壓僅僅取決于，即材料本身的性質(zhì)。 根據(jù)式(6-2-12)，選擇霍爾元件的材料時(shí)，為了提高霍爾靈敏度，要求材料的RH和1/2盡可能地大。 霍爾元件的結(jié)構(gòu)與其制造工藝有關(guān)。例如，體型霍爾元件是將半導(dǎo)體單晶材料定向切片，經(jīng)研磨拋光，然后用蒸發(fā)合金法或其它方法制作歐姆接觸電極，最后焊上引線并封裝。而薄膜霍爾元件則是在一片極薄的基片上用蒸發(fā)或外延的方法做成霍爾片，然后再制作歐姆接觸電極，焊引線最后封裝。相對來說，薄膜霍爾元件的厚度比體型霍爾元件小一、二個(gè)數(shù)量級，可以與放大電路一起集成在一塊很小的晶片上，便

9、于微型化。 /2TAdbIcmdTAbBUHm/221 三、溫度特性及補(bǔ)償 1溫度特性 霍爾元件的溫度特性是指元件的內(nèi)阻及輸出與溫度之間的關(guān)系。與一般半導(dǎo)體一樣，由于電阻率、遷移率以及載流子濃度隨溫度變化，所以霍爾元件的內(nèi)阻、輸出電壓等參數(shù)也將隨溫度而變化。不同材料的內(nèi)阻及霍爾電壓與溫度的關(guān)系曲線見圖6-2-2和6-2-3所示。 圖中，內(nèi)阻和霍爾電壓都用相對比率表示。我們把溫度每變化1時(shí)，霍爾元件輸入電阻或輸出電阻的相對變化率稱為內(nèi)阻溫度系數(shù)，用表示。把溫度每變化1時(shí)，霍爾電壓的相對變化率稱為霍爾電壓溫度系數(shù)，用表示。 可以看出：砷化銦的內(nèi)阻溫度系數(shù)最小，其次是鍺和硅，銻化銦最大。除了銻化銦的

10、內(nèi)阻溫度系數(shù)為負(fù)之外，其余均為正溫度系數(shù)。 霍爾電壓的溫度系數(shù)硅最小，且在溫度范圍內(nèi)是正值，其次是砷化銦，它是值在左右溫度下由正變負(fù)；再次是鍺，而銻化銦的值最大且為負(fù)數(shù)，在低溫下其霍爾電壓將是的霍爾電壓的3倍，到了高溫，霍爾電壓降為時(shí)的15%。 2.溫度補(bǔ)償霍爾元件溫度補(bǔ)償?shù)姆椒ê芏?，下面介紹兩種常用的方法. 利用輸入回路的串聯(lián)電阻進(jìn)行補(bǔ)償圖6-2-4a是輸入補(bǔ)償?shù)幕揪€路，圖中的四端元件是霍爾元件的符號。兩個(gè)輸入端串聯(lián)補(bǔ)償電阻R并接恒電源，輸出端開路。根據(jù)溫度特性，元件霍爾系數(shù)和輸入內(nèi)阻與溫度之間的關(guān)系式為 RHt=RH0(1+t) Rit=Ri0(1+t) 式中，RHt為溫度為時(shí)霍爾系數(shù)；

11、RH0為0時(shí)的霍爾系數(shù)；Rit為溫度為時(shí)的輸入電阻；Ri0為0時(shí)的輸入電阻；為霍爾電壓的溫度系數(shù), 為輸入電阻的溫度系數(shù)。當(dāng)溫度變化t時(shí)，其增量為: RH=RH0t Ri=Ri0t根據(jù)式(6-2-6)中 及I=E/(R+Ri)，可得出霍爾電壓隨溫度變化的關(guān)系式為對上式求溫度的導(dǎo)數(shù)，可得增量表達(dá)式 (6-2-13) 要使溫度變化時(shí)霍爾電壓不變，必須使 即 (6-2-14)式(6-2-13)中的第一項(xiàng)表示因溫度升高霍爾系數(shù)引起霍爾電壓的增量，第二項(xiàng)表示輸入電阻因溫度升高引起霍爾電壓減小的量。很明顯，只有當(dāng)?shù)谝豁?xiàng)時(shí)，才能用串聯(lián)電阻的方法減小第二項(xiàng)，實(shí)現(xiàn)自補(bǔ)償。 將元件的、值代入式(6-2-14)，根

12、據(jù)Ri0的值就可確定串聯(lián)黽阻R的值。 dIBRUHHitHtHHRREBdRRUtRRRUUiiHH)(000000RRRii)(0iRR (2)利用輸出回路的負(fù)載進(jìn)行補(bǔ)償，見圖6-2-5，霍爾元件的輸入采用恒流源，使控制電流穩(wěn)定不變。這樣，可以不考慮輸入回路的溫度影響。輸出回路的輸出電阻及霍爾電壓與溫度之間的關(guān)系為UHt=UH0(1+t) Rvt=Rv0(1+t) 式中，UHt為溫度為t時(shí)的霍爾電壓；UH0為0時(shí)的霍爾電壓；Rvt為溫度為t時(shí)的輸出電阻；Rv0為時(shí)的輸出電阻。負(fù)載RL上的電壓UL為 UL=UH0(1+t) RL/Rv0(1+t)+RL (6-2-15) 為使UL不隨溫度變化，

13、可對式(6-2-15)求導(dǎo)數(shù)并使其等于零，可得 RL/Rv0/-1/ (6-2-16)最后，將實(shí)際使用的霍爾元件的、值代入，便可得出溫度補(bǔ)償時(shí)的RL值。當(dāng)RL= Rv0時(shí)，補(bǔ)償最好。 四、零位特性及補(bǔ)償四、零位特性及補(bǔ)償 在無外加磁場或無控制電流的情況下，元件產(chǎn)生輸出電壓的特性稱為零位特性由此而產(chǎn)生的誤差稱為零位誤差。主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面 1.不等位電壓 在無磁場的情況下，霍爾元件通以一定的控制電流I，兩輸出端產(chǎn)生的電壓稱為不等腰三角形位電壓，用U0表示。U0與I的比值稱為不等位電阻，用R0表示，即 R0= U0/I (6-2-17)不等位電壓是由于元件輸出極焊接不對稱、厚薄不均勻以及兩個(gè)輸

14、出極接觸不良等原因千萬的，可以通過橋路平衡的原理加以補(bǔ)償。 2.寄生直流電壓 在無磁場的情況下，元件通入交流電流，輸出端除交流不等位電壓以外的直流分量稱為寄生直流電壓。產(chǎn)生寄生直流電壓的原因不致上的兩個(gè)方面： 1) 由于控制極焊接處歐姆接觸不良而造成一種整流效應(yīng)，使控制電流因正、反向電流大小不等而具有一定的直流分量。 2) 輸出極焊點(diǎn)熱容量不相等產(chǎn)生溫差電動勢。 對于鍺霍爾元件，當(dāng)交流控制電流為20mA時(shí)，輸出極的寄生直流電壓小于100V。制做和封裝霍爾元件時(shí)，發(fā)送電極歐姆接觸性能和元件的散熱條件，是減少寄生直流電壓的有效措施。 3. 感應(yīng)電動勢 在未通電流的情況下，由于脈動或交變磁場的作用，

15、在輸出端產(chǎn)生的電動勢稱為感應(yīng)電動勢。根據(jù)電磁感應(yīng)定律，感應(yīng)電動勢的大小與霍爾元件輸出電極引線構(gòu)成的感應(yīng)面積成正比。 4. 自激場零電壓 在無外加磁場的情況下，由控制電流所建立的磁場在一定條件下使霍爾元件產(chǎn)生的輸出電壓稱為自激場零電壓。 感應(yīng)電動勢和自激場零電壓都可以用改變霍爾元件輸出和輸入引線的布置方法加以改善。 五、集成霍爾傳感器五、集成霍爾傳感器 集成霍爾傳感器是利用硅集成電路工藝將霍爾元件和測量線路集成在一起的一種傳感器。它取消了傳感器和測量電路之間的界限，實(shí)現(xiàn)了材料、元件、電路三位一體。集成霍爾傳感器與分立相比，由于減少了焊點(diǎn)，因此顯著地提高了可靠性。此外，它具有體積小、重量輕、功耗低

16、等優(yōu)點(diǎn)，正越來越愛到眾的重視。 集成霍爾傳感器的輸出是經(jīng)過處理的霍爾輸出信號。按照輸出信號的形式，可以分為開關(guān)型集成霍爾傳感器和線性集成霍爾傳感器兩種類型。(一) 開關(guān)型集成霍爾傳感器 開關(guān)型集成霍爾傳感器是把霍爾元件的輸出經(jīng)過處理后輸出一個(gè)高電平或低電平的數(shù)字信號。其典型電路見圖6-2-6，下面我們分析電路的工作原理。 圖中的霍爾元件是在N型硅外延層上制作的。由于N型硅外延層的電阻率一般為1.01.5cm電子遷移率約為1200cm2(Vs)，厚度d約為10m，故很適合做霍爾元件。集成塊中霍爾元件的長600m，寬為400m。由于在制造工藝中采用了光刻技術(shù)，電極的對稱性好，零位誤差大大減小。另外

17、，由于厚度d很小，霍爾靈敏度也相對提高了，在0.1T磁場作用下，元件開路時(shí)可輸出20mV左右的霍爾電壓?；魻栞敵鼋?jīng)前置放大的后送到斯密特觸發(fā)器，通過整形成為矩形脈沖輸出。當(dāng)磁感應(yīng)強(qiáng)度B為0時(shí)，霍爾元件無輸出，即UH=0。線路中，由于流過V2集電極電阻的電流大于流過V1集電極電阻的電流，輸出電壓U b3Ub4，則V3優(yōu)先導(dǎo)通，經(jīng)過下面的正反饋過程： 最終使得V3飽和V4截止。此時(shí)，V4的集電極處于高電位，Uc4E，V5截止，V6、V7均截止，輸出為高電平。當(dāng)磁感應(yīng)強(qiáng)度B不為0時(shí)，霍爾元件有UH輸出。若集成霍爾傳感器處于正向磁場，則UH1升高，UH2下降，使V1的基極電位升高，V2的基極電位下降。

18、于是，V1的集電極輸出電壓Ub3下降，V2的集電極輸出電壓Vb4升高。當(dāng)Ub3=Ue3+0.6V時(shí)，V3由飽和進(jìn)入放大狀態(tài)，經(jīng)過下面的正反饋過程： Ub3Ic3Ub4Ic4Ue3 最終使得V3截止V4飽和。此時(shí)，V4的集電極處于低電位。于是，V5導(dǎo)通，由V5和V6組成的P-N-P和N-P-N型三極管的復(fù)合管，足以使V7、V8進(jìn)入飽和狀態(tài)。輸出由原來的高電平UoH轉(zhuǎn)換成低電平U0L。 當(dāng)正向磁場退出時(shí)，隨著作用于霍爾元件上磁感應(yīng)強(qiáng)度B的減少，UH相應(yīng)減小。Ub3升高，Ub4下降。當(dāng)Ub3= Ue4+0.5V，V3由截止進(jìn)入放大狀態(tài)，經(jīng)過下面正反饋過程：Ub3 Ic3Ub4Ic4Ue3 最終又使得

19、V3飽和，V4截止。V4的集電極處于高電位，恢復(fù)初始狀態(tài)，V7、V8截止，輸出又轉(zhuǎn)換成高電平UoH。 集成霍爾傳感器的輸出電平與磁場B之間的關(guān)系見圖6-2-7，可以看出，集成霍爾傳感器的導(dǎo)通磁感應(yīng)強(qiáng)度和截止磁感應(yīng)強(qiáng)度之間存在滯后效應(yīng)，這是由于V3、V4共用射極電阻的正反饋?zhàn)饔檬顾鼈兊娘柡碗娏鞑幌嗟纫鸬?。其回差寬度B為 B=B(HL)-B(LH) 開關(guān)型集成霍爾傳感器的這一特性，正是我們所需要的，它大大增強(qiáng)了開關(guān)電路的抗干擾能力，保證開關(guān)動作穩(wěn)定，不產(chǎn)生振蕩現(xiàn)象。國產(chǎn)CS型集成霍爾傳感器的磁電特性如下：回差寬度典型值610-3T。電源電壓CS837、CS6837 10V(CS839、CS683

20、9 18V)。低電平輸出電壓U0L均為0.4V，高電平輸出最大漏電流為10A，高電平電源電流ICCH CS837、CS6837為 6mA(CS839、CS6839為 7mA)，低電平電源電流ICCL CS837、CS6837為 9mA(CS839、CS6839 為7mA)。 (二) 線性集成霍爾傳感器 線性集成霍爾傳感器是把霍爾元件與放大線路集成在一丐的傳感器。其輸出信號與磁感應(yīng)強(qiáng)度成比例。通常由霍爾元件、差分放大、射極跟隨輸出及穩(wěn)壓四部分組成，其典型線路見圖6-2-8。這是HL1-1型線性集成霍爾傳感器，它的電路比較簡單，用于精度要求不高的一些場合。圖中，霍爾元件的輸出經(jīng)由V1、V2、R1至

21、R5組成的第一級差分放大器放大，放大后的信號再由V3、V6、R6、R7組成的第二級差分放大器放大。第二級放大采用達(dá)林頓對管，射極電阻R8外接，適當(dāng)選取R8的阻值，可以調(diào)整該極的工作點(diǎn)，從而改變電路增益。在電源電壓為9V，R8取2K時(shí)，全電路的增益可達(dá)1000倍左右，與分立元件霍爾傳感器相比，靈敏度大為提高。 六、六、霍爾傳感器的應(yīng)用霍爾傳感器的應(yīng)用 (一) HNV025A型霍爾電壓傳感器 1工作原理 它是利用磁補(bǔ)償原理的一種霍爾電壓傳感器，能夠測量直流，交流以及各種波形電壓，同時(shí)在電氣上是高度絕緣的。它用磁檢測器檢測磁芯中次級電流所產(chǎn)生的磁場補(bǔ)償初級電流所產(chǎn)生的磁場的程度，使之在零磁通狀態(tài)下工

22、作。因此有等式：NpIp=NsIs ；式中Ip為初級電流；Np為初級匝數(shù)；Is為次級電流；Ns為次級匝數(shù) 2.主要參數(shù)：初級額定電流In 10 mA 測量范圍Ip 014 mA測量電阻Rm 10mA RMmin RMmax 100 300 次級額定電流Is 25 mA 電源電壓Vc 15(5%) V 匝數(shù)比 2500:1000 功耗電流10+Is mA 絕緣電壓2.5KV/50Hz/1min 總精度 0.6%FS 線性度 0.2%FS Type Max失調(diào)電流 0.1 0.15 mA 失調(diào)電流溫漂070 0.2 0.3 mA-40850.3 0.6 mA 響應(yīng)時(shí)間 40 uS 工作溫度C檔-1070 E檔-4085 儲存溫度C檔-4085 E檔-55125 原邊線圈電阻 Ta=25