霍爾傳感器原理

1、霍爾傳感器原理霍爾傳感器是利用半導體材料的霍爾效應進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，應用日益廣泛.一，霍爾效應在置于磁場的導體或半導體時通入電流，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)一個電熱差,這種現(xiàn)象為霍爾效應.利用霍爾效應制成的元件稱為 霍爾傳感器.見圖6-2-1,半導體材料的長，寬，厚分別為l,b和d.在與x軸相垂直的兩個 端面c和d上做兩個金屬電極,稱為控制電極.在控制電極上外加一電壓u,材料中便形 成一個沿x方向流動的電流I,

2、稱為控制電流.設圖中的材料是N型半導體,導電的載流子是電子.在z軸方向的磁場作用下，電子將 受到一個沿y軸負方向力的作用,這個力就是洛侖茲力洛侖茲力用Fl表示，大小為: FL=qvB (6-2-1)式中,q為載流子電荷;v為載流子的運動速度;B為磁感應強度.上一節(jié)下一節(jié)在洛侖茲力的作用下，電子向一側偏轉，使該側形成負電荷的積累，另一側則形成正電 荷的積累.這樣,A,B兩端面因電荷積累而建立了一個電場Eh,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.當電場力與洛侖茲力 相等時，達到動態(tài)平衡,這時有qEH=qvB霍爾電場的強度為EH=vB (6-2-2)在A與B

3、兩點間建立的電勢差稱為霍爾電壓，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度.它是由外加電壓U產生 的，即EI=U/L.因此我們可以把電子運動速度表示為v=U/1.這時式(6-2-3)可改寫為： (6-2-4)當材料中的電子濃度為n時，有如下關系式:I=nqbdv即(6-2-5)將式(6-2-5

4、)代入式(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的強弱，;KH為霍爾靈敏度，它表示一個霍 爾元件在單位控制電流和單位磁感應強度時產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是在單位磁感應強度和單位 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p與霍爾系數(shù)RH和載流子遷移率 之間的關系：(6-2-8)通過以上分析，可以看出：1)霍爾電壓UH與材料的性質有關.根據(jù)式(6-2-8),材料的

5、p巾大,RH就大.金屬的 雖然很大，但P很小，故不宜做成元件.在半導體材料中，由于電子的遷移率比空穴的大, 且pn呻，所以霍爾元件一般采用N型半導體材料.2)霍爾電壓UH與元件的尺寸有關.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,都是以半導體 內各處載流子作平行直線運動為前提的.這種情況只有在l/b很大時，即控制電極對霍 爾電極無影響時才成立，但實際上這是做不到的.由于控制電極對內部產生的霍爾電 壓有局部短路作用在兩控制電極的中間處測得

6、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度有關.根據(jù)式正比于及.當控制電流恒定時愈大 愈大.當磁場改變方向時，也改變方向.同樣，當霍爾靈敏度及磁感應強度恒定時，增加 控制電流，也可以提高霍爾電壓的輸出.霍爾元件_如前所述，霍爾電壓UH正比于控制電流和磁感應強度.在實際應用中,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,從而導致元件的溫度升高,甚至可能燒毀元件.設霍爾元件的輸入電阻為Ri

7、,當輸入控制電流I時，元件的功耗Pi為(6-2-9)式中,P為霍爾元件的電阻率.設霍爾元件允許的最大溫升為AT,相應的最大允許控制電流為Icm時,在單位時間內 通過霍爾元件表面逸散的熱量應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 了通過側面積逸散的熱量.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霍爾電 壓，即：(6-2-12)_式說明，在同樣磁場強度，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

8、于,即材料本身的性質.根據(jù)式(6-2-12),選擇霍爾元件的材料時，為了提高霍爾靈敏度,要求材料的RH和 1/2盡可能地大.霍爾元件的結構與其制造工藝有關.例如，體型霍爾元件是將半導體單晶材料定向切 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,便于微型化.溫度特性及補償溫度特性霍爾元件的溫度特性是指元件的內阻及輸出與溫度之間的關系.與一般半導體一樣

9、, 由于電阻率，遷移率以及載流子濃度隨溫度變化，所以霍爾元件的內阻,輸出電壓等參 數(shù)也將隨溫度而變化.不同材料的內阻及霍爾電壓與溫度的關系曲線見圖6-2-2和6-2-3所示.圖中,內阻和霍爾電壓都用相對比率表示.我們把溫度每變化1 C時，霍爾元件輸入電 阻或輸出電阻的相對變化率稱為內阻溫度系數(shù)，用P表示.把溫度每變化1C時，霍爾 電壓的相對變化率稱為霍爾電壓溫度系數(shù)，用a表示.可以看出:砷化銦的內阻溫度系數(shù)最小,其次是錯和硅，銻化銦最大.除了銻化銦的內阻 溫度系數(shù)為負之外，其余均為正溫度系數(shù).霍爾電壓的溫度系數(shù)硅最小，且在溫度范圍內是正值,其次是砷化銦，它是值在左右溫 度下由正變負;再次是錯,

10、而銻化銦的值最大且為負數(shù)，在低溫下其霍爾電壓將是的霍 爾電壓的3倍，到了高溫，霍爾電壓降為時的15%.溫度補償霍爾元件溫度補償?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)電阻進行補償圖6-2-4a是輸入補償?shù)幕揪€路，圖中的四端元件 是霍爾元件的符號.兩個輸入端串聯(lián)補償電阻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)和輸入內阻與溫度之間的關系式為RHt=RH0(1+at) Rit=Ri0(1+pt) 式中,RHt為溫度為t時霍爾系數(shù);RH0為0C時的霍爾系數(shù);Rit為溫度為t時的輸入 電阻;Ri0為0C時的輸入電阻;a為霍爾電壓的溫度系數(shù)，P為輸入電阻的溫度系數(shù). 當溫度變

11、化 攵 時，其增量為:ARH=RH0aAt ARi=Ri0pAt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系式為對上式求溫度的導數(shù)，可得增量表達式(6-2-13)要使溫度變化時霍爾電壓不變,必須使即(6-2-14)式(6-2-13)中的第一項表示因溫度升高霍爾系數(shù)引起霍爾電壓的增量，第二項表示輸 入電阻因溫度升高引起霍爾電壓減小的量很明顯，只有當?shù)谝豁棔r，才能用串聯(lián)電阻 的方法減小第二項，實現(xiàn)自補償.將元件的耶值代入式(6-2-14),根據(jù)Ri0的值就可確定串聯(lián)黽阻R的值.(2)利用輸出回路的負載進行補償，見圖6-2-5,霍爾元件的輸入采用恒流源，使控制電 流I

12、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 壓與溫度之間的關系為UHt=UH0(1+at) Rvt=Rv0(1+pt)式中,UHt為溫度為t時的霍爾電壓;UH0為0時的霍爾電壓;Rvt為溫度為t時的輸出 電阻;Rv0為0時的輸出電阻.負載RL上的電壓UL為UL=UH0(1+at) RL/Rv0(1+pt)+RL (6-2-15)為使UL不隨溫度變化，可對式(6-2-15)求導數(shù)并使其等于零，可得RL/Rv0邛/a-1邛/a (6-2-16)最后，將實際使用的霍爾元件的耶值代入，便可得出溫度補償時的RL值.當RL= Rv0 時，補償最好.四，零位特性及補償在無外加磁

13、場或無控制電流的情況下，元件產生輸出電壓的特性稱為零位特性由此 而產生的誤差稱為零位誤差.主要表現(xiàn)在以下幾個方面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輸出極接觸不良等 原因千萬的，可以通過橋路平衡的原理加以補償.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.產生寄生直流電壓的原因不致上的兩個方面：1）由于控制極焊接處歐姆接觸不良而

14、造成一種整流效應，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）輸出極焊點熱容量不相等產生溫差電動勢.對于錯霍爾元件，當交流控制電流為20mA時,輸出極的寄生直流電壓小于100V.制 做和封裝霍爾元件時，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.感應電動勢在未通電流的情況下，由于脈動或交變磁場的作用，在輸出端產生的電動勢稱為感應 電動勢.根據(jù)電磁感應定律，感應電動勢的大小與霍爾元件輸出電極引線構成的感應 面積成正比.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生的 輸出電壓稱為自激場零電壓.感應電動勢和自激場零電壓都

15、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,因此顯著地提高了可靠性.此外，它具有體積 小，重量輕,功耗低等優(yōu)點，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）開關型集成霍爾傳感器開關型集成霍爾傳感器是把霍爾元件的輸出經(jīng)過處理后輸出一個高電平或低電平的 數(shù)字信號.其典型電

16、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p 一般為 1.01.5Qcm電子遷移率約為1200cm2（Vs）,厚度d約為10pm，故很適合做霍爾元件. 集成塊中霍爾元件的長600pm，寬為400pm.由于在制造工藝中采用了光刻技術，電極 的對稱性好，零位誤差大大減小.另外，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，元件開路時可輸出20mV左右的霍爾電壓.霍爾輸出經(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.當磁感應強度B為0時，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

17、流大于流過V1集電極電阻的 電流，輸出電壓U b3Ub4，則V3優(yōu)先導通，經(jīng)過下面的正反饋過程：最終使得V3飽和V4截止.此時,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.當磁感應強度B不為0時，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.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Ub3=Ue3+0.6V時,V3由飽和進 入放大狀態(tài)，經(jīng)過下面的正反饋過程：Ub3lTlc3lUb4fTlc4fTUe3f最終使得V3截止V4飽和.此時,V4的集電極處于低電位

18、.于是,V5導通，由V5和V6 組成的P-N-P和N-P-N型三極管的復合管,足以使V7,V8進入飽和狀態(tài).輸出由原來 的高電平UoH轉換成低電平U0L.當正向磁場退出時,隨著作用于霍爾元件上磁感應強度B的減少,UH相應減小.Ub3 升高,Ub4下降.當Ub3= Ue4+0.5V,V3由截止進入放大狀態(tài)，經(jīng)過下面正反饋過程： Ub3f Ic3tUb4；Ic4；Ue3；最終又使得V3飽和,V4截止.V4的集電極處于高電位，恢復初始狀態(tài),V7,V8截止，輸 出又轉換成高電平UoH.集成霍爾傳感器的輸出電平與磁場B之間的關系見圖6-2-7，可以看出,集成霍爾傳感 器的導通磁感應強度和截止磁感應強度之

19、間存在滯后效應，這是由于V3,V4共用射 極電阻的正反饋作用使它們的飽和電流不相等引起的.其回差寬度AB為 B=B(HL)-B(JH)開關型集成霍爾傳感器的這一特性，正是我們所需要的，它大大增強了開關電路的抗 干擾能力，保證開關動作穩(wěn)定，不產生振蕩現(xiàn)象.國產CS型集成霍爾傳感器的磁電特 性如下:回差寬度典型值6X10-3T.電源電壓CS837,CS6837 10V(CS839,CS6839 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

20、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 磁感應強度成比例.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 大采用達林頓對管，射極電阻R8外接，適當選取R8的阻值，可以調整該極的工作點, 從而改

21、變電路增益.在電源電壓為9V,R8取2K時，全電路的增益可達1000倍左右，與 分立元件霍爾傳感器相比，靈敏度大為提高.六，霍爾傳感器的應用(一)HNV025A型霍爾電壓傳感器工作原理它是利用磁補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生的磁場補償 初級電流所產生的磁場的程度，使之在零磁通狀態(tài)下工作.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)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 RMmax100 300 Q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%FSType Max失調電流0.1 0.15 mA失調電流溫漂070C 0.2 0.3 mA-4085 C 0.3 0.6 mA響應時間40 uS工作溫度C檔-1070C E檔-4085C儲存溫度C檔-4085C E檔-55125C原邊線圈電阻Ta=25C 140 Q副邊線圈電阻Ta=25C 4