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第七章霍爾型傳感器

霍爾型傳感器是磁電轉(zhuǎn)換的一種傳感器。1879年霍爾在金屬材料中發(fā)現(xiàn)的,已有一百多年的歷史,由于霍爾效應(yīng)在金屬中非常微弱,只是在大學(xué)的教科書(shū)中作為一種理論而存在,并未付諸實(shí)際應(yīng)用。直到100多年以后,大約到上世紀(jì)四十年代后期,半導(dǎo)體工藝的成熟,科學(xué)家利用半導(dǎo)體工藝重新試驗(yàn)霍爾效應(yīng),結(jié)果發(fā)現(xiàn):半導(dǎo)體工藝(P或N型)都可以再現(xiàn)霍爾效應(yīng)現(xiàn)象,并金屬霍爾元件的公式半導(dǎo)體霍爾元件可得到同樣的結(jié)論,而且N型半導(dǎo)體尤其明顯。使霍爾效應(yīng)得到廣泛的應(yīng)用。我國(guó)大約到上世紀(jì)七十年代開(kāi)始研究霍爾元件,已能生產(chǎn)各種性能霍爾元件,例如:普通型、高靈敏度型、低溫度系數(shù)型、測(cè)溫測(cè)磁性和開(kāi)關(guān)型等。

第一節(jié)霍爾元件的結(jié)構(gòu)及工作原理

第二節(jié)霍爾元件的基本電路及主要參數(shù)

第三節(jié)霍爾集成電路

第四節(jié)

霍爾型傳感器應(yīng)用

第五節(jié)霍爾傳感器綜合訓(xùn)練

第一節(jié)霍爾元件的結(jié)構(gòu)及工作原理

一、霍爾效應(yīng)定義

金屬或半導(dǎo)體薄片置于磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的磁場(chǎng)中,磁場(chǎng)方向垂直于薄片,當(dāng)有電流流過(guò)薄片時(shí),在垂直于電流和磁場(chǎng)的方向上將產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì),這種現(xiàn)象稱(chēng)霍爾效應(yīng)。如圖7-1所示?;魻栃?yīng)所產(chǎn)生的電勢(shì)稱(chēng)霍爾電勢(shì),大小與控制電流I和磁感應(yīng)強(qiáng)度B的乘積成正比例。半導(dǎo)體薄片稱(chēng)霍爾元件。

二、霍爾元件結(jié)構(gòu)

霍爾元件是半導(dǎo)體四端薄片,一般做成正方形,在薄片的相對(duì)兩側(cè)對(duì)稱(chēng)的悍上兩對(duì)電極引出線(一對(duì)稱(chēng)激勵(lì)電流端,另一對(duì)稱(chēng)霍爾電勢(shì)輸出端),如圖7—2所示

其中:其中:另則

(N型半導(dǎo)體的較大,很高。所以,RH大。)另()霍爾元件靈敏度則

可以看出:①霍爾電壓與材料的性質(zhì)有關(guān)。材料的大,就大。金屬雖然很大,但是很小,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,即,所以,霍爾元件一般采用N型半導(dǎo)體材料;②霍爾電壓與元件的尺寸有關(guān)。d愈小,愈大,霍爾元件靈敏度越高,所以霍爾元件的厚度都比較薄,但d太小,會(huì)使元件的輸入、輸出電阻增加。③霍爾電壓與控制電流及磁場(chǎng)強(qiáng)度有關(guān)。正比于I及B。當(dāng)控制電流恒定時(shí),B愈大,愈大。當(dāng)磁場(chǎng)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B恒定時(shí),增加控制電流I,也可以提高霍爾電壓的輸出。

二、元件連接

為得到較大的霍爾輸出,當(dāng)元件的工作電流為直流時(shí),可把幾個(gè)霍爾元件輸出串連起來(lái),但控制電流極應(yīng)并聯(lián)。如圖7—4所示。

三、主要參數(shù)

①輸入電阻與輸出電阻:指控制電流極之間的阻值;指霍爾電極之間的阻值。和可用直流電橋或歐姆表(在無(wú)外磁場(chǎng)和室溫條件下)測(cè)量。②額定激勵(lì)電流(mA):使霍爾元件溫升所施加的控制電流,實(shí)際使用時(shí),控制電流的增加受到霍爾元件的最高溫升限制。③不等位電勢(shì)和不等位電阻:在額定控制電流下,不加外磁場(chǎng)時(shí),霍爾電極間的空載電勢(shì)稱(chēng)為不等位電勢(shì)(mV),可以在不加外磁場(chǎng)的條件下,將元件通以控制電流,用直流電位差計(jì)測(cè)得空載霍爾電勢(shì)值。不等位電勢(shì)與額定控制電流I之比,為元件的不等位電阻()。④寄生直流電勢(shì)U:在無(wú)外磁場(chǎng)情況下,霍爾元件通以交流控制電流,開(kāi)路霍爾電極間輸出交流電勢(shì)稱(chēng)交流不等位電勢(shì),輸出直流電勢(shì)稱(chēng)寄生直流電勢(shì)V()。⑤霍爾溫度系數(shù):在一定磁感應(yīng)強(qiáng)度和激勵(lì)電流下,溫度每變化1度時(shí),霍爾電勢(shì)變化的百分率稱(chēng)霍爾溫度系數(shù)。目前,國(guó)內(nèi)外生產(chǎn)的霍爾元件種類(lèi)很多,表7—1列出了部分國(guó)產(chǎn)霍爾元件的有關(guān)參數(shù),供選用時(shí)參考。四、實(shí)際應(yīng)用

例如:利用霍爾元件測(cè)量機(jī)械加工工件的凹和凸。如圖7—6所示。若工件凸,則霍爾元件向上移動(dòng)Δx位移,磁感應(yīng)強(qiáng)度B發(fā)生變化,將引起霍爾電勢(shì)UH的變化;若工件凹,則霍爾元件向下移動(dòng)Δx位移,磁感應(yīng)強(qiáng)度B發(fā)生變化,將引起霍爾電勢(shì)UH的變化。若測(cè)得輸出量UH為正,則可判斷工件為凸,再利用轉(zhuǎn)換電路和控制電路去控制車(chē)床去車(chē)掉多余的部分。若測(cè)得輸出量UH為負(fù),則可判斷工件為凹,再利用轉(zhuǎn)換電路和控制電路判斷該工件凹的程度,以便決定是報(bào)廢該工件還是留用該工件。

第三節(jié)霍爾集成電路

隨著微電子技術(shù)的發(fā)展,目前,霍爾器件大多已集成化?;魻柤呻娐酚性S多優(yōu)點(diǎn),例如:體積小、靈敏度高、輸出幅度大、溫漂小、對(duì)電源穩(wěn)定性要求低等?;魻柤稍腔魻栐c集成運(yùn)放一體化的結(jié)構(gòu),是一種傳感器模塊??煞譃榫€性輸出型和開(kāi)關(guān)輸出型兩大類(lèi)。線性輸出型是將霍爾元件和恒流源、線性放大器等做在一個(gè)芯片上,輸出電壓較高,使用非常方便,已得到廣泛的應(yīng)用。較典型的線性霍爾器件如UGN3501等。而開(kāi)關(guān)輸出型是將霍爾元件、穩(wěn)壓電路、放大器、施密特觸發(fā)器、OC門(mén)等電路做在同一個(gè)芯片上。當(dāng)外加磁場(chǎng)強(qiáng)度超過(guò)規(guī)定的工作點(diǎn)時(shí),OC門(mén)由高電阻狀態(tài)變?yōu)榈酵顟B(tài),輸出變?yōu)榈碗娖剑?dāng)外加磁場(chǎng)強(qiáng)度低于釋放點(diǎn)時(shí),OC門(mén)重新變?yōu)楦唠娮锠顟B(tài),輸出高電平。較典型的開(kāi)關(guān)型霍爾器件如UGN3020等。開(kāi)關(guān)輸出型霍爾集成元件與微型計(jì)算機(jī)等數(shù)字電路兼容,因此,應(yīng)用相當(dāng)廣泛。

第四節(jié)霍爾型傳感器應(yīng)用

霍爾電勢(shì)是關(guān)于I、B、a三個(gè)變量的函數(shù),即E=kIBcosa,人們利用這個(gè)關(guān)系可以使其中兩個(gè)變量不變,將第三個(gè)量作為變量,或者固定其中一個(gè)量、其余兩個(gè)量都作為變量。三個(gè)變量的多種組合使得霍爾傳感器具有非常廣闊的應(yīng)用領(lǐng)域?;魻杺鞲衅饔捎诮Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、尺寸小、無(wú)觸點(diǎn)、動(dòng)態(tài)特性好、壽命長(zhǎng)等特點(diǎn),因而得到了廣泛應(yīng)用。如磁感應(yīng)強(qiáng)度、電流、電功率等參數(shù)的檢測(cè)都可以選用霍爾器件。它特別適合于大電流、微小氣隙中的磁感應(yīng)強(qiáng)度、高梯度磁場(chǎng)參數(shù)的測(cè)量。此外,也可用于位移、加速度、轉(zhuǎn)速等參數(shù)的測(cè)量以及自動(dòng)控制。歸納起來(lái),霍爾傳感器主要有下列三個(gè)方面的用途:

①維持I、a不變,則E=f(B),在這方面的應(yīng)用有:測(cè)量磁場(chǎng)強(qiáng)度的高斯計(jì)、測(cè)量轉(zhuǎn)速的霍爾轉(zhuǎn)速表、磁性產(chǎn)品計(jì)數(shù)器、霍爾式角編碼器以及基于微小位移測(cè)量原理的霍爾式加速度計(jì)、微壓力計(jì)等;②維持I、B不變,則E=f(a),在這方面的應(yīng)用有角位移測(cè)量?jī)x等;③維持a不變,則E=f(IB),即傳感器的輸出E與IB的乘積成正比,在這方面的應(yīng)用有模擬乘法器、霍爾式功率計(jì)等。下面我們介紹幾種霍爾傳感器的應(yīng)用實(shí)例

一、電流的測(cè)量

圖7—12給出了霍爾元件用于測(cè)量電流時(shí)的工作原理圖。標(biāo)準(zhǔn)圓環(huán)鐵心有一個(gè)缺口,用于安裝霍爾元件,圓環(huán)上繞有線圈,當(dāng)檢測(cè)電流通過(guò)線圈時(shí)產(chǎn)生磁場(chǎng),則霍爾傳感器就有信號(hào)輸出。若采用傳感器為UGN—3501M,當(dāng)線圈為9匝,電流為20A時(shí),其電壓輸出約為7.4V。利用這種原理,也可制成電流過(guò)載檢測(cè)器或過(guò)載保護(hù)裝置。

二、位移測(cè)量

如圖7—13(a)所示。在磁場(chǎng)強(qiáng)度相同而極性相反的兩個(gè)磁鐵氣隙中放置一個(gè)霍爾元件。當(dāng)元件的控制電流I恒定不變時(shí),霍爾電勢(shì)與磁感應(yīng)強(qiáng)度B成正比。若磁場(chǎng)在一定范圍內(nèi)沿x方向的變化梯度為一常數(shù)如圖7—13(b)所示。則當(dāng)霍爾元件沿x方向移動(dòng)時(shí),的變化為:

式中K為位移傳感器輸出靈敏度。將上式積分后得:

上式說(shuō)明,霍爾電勢(shì)與位移量成線性關(guān)系,其極性反映了元件位移的方向。磁場(chǎng)梯度越大,靈敏度越高;磁場(chǎng)梯度越均勻,輸出線型度越好。當(dāng)時(shí),即元件位于磁場(chǎng)中間位置上時(shí),,這是由于元件在此位置受到大小相等、方向相反的磁通作用的結(jié)果。一般可用來(lái)測(cè)量1~2mm的小位移,其特點(diǎn)是:慣性小,響應(yīng)速度快,無(wú)接觸測(cè)量。利用這一原理還可以測(cè)量其他非電量,如力、壓力、壓差、液位和加速度等

圖7—13霍爾電勢(shì)UH與磁感應(yīng)強(qiáng)度B關(guān)系曲線

三、角位移測(cè)量?jī)x

角位移測(cè)量?jī)x的結(jié)構(gòu)如圖7—14所示?;魻柶骷c被測(cè)物連動(dòng),而霍爾器件又在一個(gè)恒定的磁場(chǎng)中轉(zhuǎn)動(dòng),于是霍爾電勢(shì)就反應(yīng)了轉(zhuǎn)角變化。不過(guò),這個(gè)變化是非線性的(正比于),若要求與成線性關(guān)系,必須采用特定形狀的磁極。

四、霍爾轉(zhuǎn)速表

圖7—15是霍爾轉(zhuǎn)速表示意圖。在被測(cè)轉(zhuǎn)速的轉(zhuǎn)軸上安裝一個(gè)齒盤(pán),也可選取機(jī)械系統(tǒng)中的一個(gè)齒輪,將線性形霍爾器件及磁路系統(tǒng)靠近齒盤(pán),隨著齒盤(pán)的轉(zhuǎn)動(dòng),磁路的磁阻也周期性地變化,測(cè)量霍爾元件輸出的脈沖頻率經(jīng)隔直、放大、整形后就可以確定被測(cè)物的轉(zhuǎn)速。

五、霍爾式微壓力傳感器

霍爾式微壓力傳感器的原理如圖7—16所示。被測(cè)壓力使彈性波紋膜盒膨脹,帶動(dòng)杠桿向上移動(dòng),從而,使霍爾器件在磁路系統(tǒng)中運(yùn)動(dòng),改變了霍爾器件感受的磁場(chǎng)大小及方向,引起霍爾電勢(shì)的大小和極性的改變。由于波紋膜盒及霍爾器件的靈敏度很高,所以可用于測(cè)量微小壓力的變化。

第五節(jié)電霍爾傳感器綜合訓(xùn)練

習(xí)題1.

霍爾效應(yīng)是導(dǎo)體中的載流子在磁場(chǎng)中受

作用產(chǎn)生

的結(jié)果。2.半導(dǎo)體材料中的

比金屬的小得多,因而霍爾常數(shù)大,加上半導(dǎo)體中電子的

比空穴大,故霍爾元件多采用

材料制成。3.減少霍爾元件溫度誤差的措施有:(1)采用

提供控制電流;(2)合理選擇

。(3)

。4.霍爾式傳感器基本包括兩部分:一部分是彈性元件,將感受的非電量轉(zhuǎn)換成

,另一部分是霍爾元件和

。5.制造霍爾元件的半導(dǎo)體材料中,目前用的較多的是鍺、銻化銦、砷化銦,其原因是()A.

半導(dǎo)體材料的乘積靈敏度比金屬的大B.

半導(dǎo)體中電子遷移率比空穴高C.

半導(dǎo)體材料的電子遷移率比較大D.

半導(dǎo)體較適宜制造靈敏度較高的霍爾元件

6.霍爾效應(yīng)中,霍爾電動(dòng)勢(shì)與()A.乘積靈敏度成反比B.乘積靈敏度成正比C.霍爾元件的厚度成反比D.霍爾元件的厚度成正比7.霍爾效應(yīng)中,霍爾電動(dòng)勢(shì)與()A.激磁電流成正比B.激磁電流成反比C.磁感應(yīng)強(qiáng)度成正比D.磁感應(yīng)強(qiáng)度成反比8.為什么霍爾元件不用金屬制作,而用半導(dǎo)體,且用N型半導(dǎo)體制作?9.簡(jiǎn)述霍爾元件靈敏系數(shù)的定義。10.試述霍爾元件的簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)。11.試述霍爾電勢(shì)建立的過(guò)程?;魻栯妱?shì)的大小和方向與哪些因素有關(guān)?12.為測(cè)量某霍爾元件的乘積靈敏度KH,構(gòu)成如圖所示實(shí)驗(yàn)線路?,F(xiàn)施加的外磁場(chǎng),方向如圖所示。調(diào)節(jié)R使,測(cè)得輸出電

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