霍爾式傳感器

5.5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(cè)量的一種傳感器。它可以直接測(cè)量磁場(chǎng)及微位移量，也可以間接測(cè)量液位、壓力、轉(zhuǎn)速等工業(yè)生產(chǎn)過程參數(shù)。目前霍爾傳感器已從分立元件開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。1.霍爾效應(yīng)

霍爾效應(yīng)：半導(dǎo)體薄片置于磁場(chǎng)中，當(dāng)有電流流過時(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)象稱為霍爾效應(yīng)?；魻栃?yīng)的實(shí)質(zhì)霍爾效應(yīng)是電磁學(xué)一種重要的電磁感應(yīng)現(xiàn)象.產(chǎn)生霍爾效應(yīng)的微觀原因是洛侖茲力的作用，載流子在磁場(chǎng)中作定向運(yùn)動(dòng)，將受到洛侖茲力的作用，分布產(chǎn)生一定的偏離，其結(jié)果在宏觀上感應(yīng)出電動(dòng)勢(shì)。

如下圖，在均勻強(qiáng)磁場(chǎng)B中放一導(dǎo)電板，設(shè)導(dǎo)電板與B的方向垂直，板的寬度為b，厚度為d，在導(dǎo)電板中沿著與磁場(chǎng)B垂直的方向通以電流I．設(shè)載流子的定向速度為v，那么可認(rèn)為載流子線流元在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)，切割了磁感線，在線流元內(nèi)將產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)．

磁場(chǎng)力

Q----電子的電荷量〔1.602X10-19C〕V----半導(dǎo)體的電子運(yùn)動(dòng)速度B----外磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度電場(chǎng)力

為靜電場(chǎng)的電場(chǎng)強(qiáng)度磁場(chǎng)力

平衡時(shí)，

所以

材料中電子在電場(chǎng)作用下運(yùn)動(dòng)速度的大小常用載流子遷移率來表征；載流子遷移率，是指在單位電場(chǎng)強(qiáng)度作用下，載流子的平均速度值。載流子遷移率用符號(hào)μ表示，μ=v/EI。其中EI是A、B兩端面之間的電場(chǎng)強(qiáng)度。它是由外加電壓U產(chǎn)生的，即EI＝U/L。因此我們可以把電子運(yùn)動(dòng)速度表示為v=μU/l。霍爾電勢(shì)

控制電流

——N型半導(dǎo)體載流子濃度所以

霍爾靈敏度

對(duì)N型半導(dǎo)體：對(duì)P型半導(dǎo)體：它的單位是mV/(mA·T)霍爾元件靈敏度KH是在單位磁感應(yīng)強(qiáng)度和單位鼓勵(lì)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通過以上分析，可以看出:1)霍爾電壓UH與材料的性質(zhì)有關(guān)。根據(jù)式，材料的ρ、μ大，RH就大。金屬的μ雖然很大，但ρ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μn>μp，所以霍爾元件一般采用N型半導(dǎo)體材料。載流體的電阻率-----ρ載流子遷移率--------μ2)霍爾電壓UH與元件的尺寸有關(guān)。根據(jù)式，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(huì)使元件的輸入、輸出電阻增加。

從式中可見，元件的長(zhǎng)度比l/b對(duì)UH也有影響。由于控制電極對(duì)內(nèi)部產(chǎn)生的霍爾電壓有局部短路作用，在兩控制電極的中間處測(cè)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?；魻栯妷篣H與控制電流及磁場(chǎng)強(qiáng)度有關(guān)。當(dāng)控制電流恒定時(shí)B愈大UH愈大。當(dāng)磁場(chǎng)改變方向時(shí)，UH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。

霍爾電勢(shì)表達(dá)式

2.霍爾傳感器的組成與根本特性一.霍爾元件1〕、材料——多用N型半導(dǎo)體2〕、結(jié)構(gòu)和符號(hào)霍爾片——半導(dǎo)體薄片〔因?yàn)閐小，KH大，l/b=2時(shí)KH最大〕引線——鼓勵(lì)電極〔短邊端面〕引線11′、霍爾電極〔長(zhǎng)邊端面〕引線22′。封裝外殼——陶瓷或環(huán)氧樹脂目前最常用的霍爾元件材料是鍺〔Ge〕、硅〔Si〕、銻化銦〔InSb〕、砷化銦〔InAs〕等半導(dǎo)體材料。其中N型鍺容易加工制造，其霍爾系數(shù)、溫度性能和線性度都較好。N型硅的線性度最好，其霍爾系數(shù)、溫度性能同N型鍺，但其電子遷移率比較低，帶負(fù)載能力較差，通常不用作單個(gè)霍爾元件。二、電路局部1、根本電路2、霍爾元件的輸出電路線性應(yīng)用圖5-5-4a)開關(guān)應(yīng)用圖5-5-4b)它由霍爾元件、差分放大器組成。其輸出電壓和加在霍爾元件上的磁感強(qiáng)度B成比例，這類電路有很高的靈敏度和優(yōu)良的線性度，適用于各種磁場(chǎng)檢測(cè)?；魻柧€性電路的性能參數(shù)見下表。

霍爾線性電路霍爾開關(guān)電路又稱霍爾數(shù)字電路，由穩(wěn)壓器、霍爾片、差分放大器，斯密特觸發(fā)器和輸出級(jí)組成。在外磁場(chǎng)的作用下，當(dāng)磁感應(yīng)強(qiáng)度超過導(dǎo)通閾值BOP時(shí)，霍爾電路輸出管導(dǎo)通，輸出低電平。之后，B再增加，仍保持導(dǎo)通態(tài)。假設(shè)外加磁場(chǎng)的B值降低到BRP時(shí)，輸出管截止，輸出高電平。我們稱BOP為工作點(diǎn)，BRP為釋放點(diǎn)，BOP－BRP=BH稱為回差。回差的存在使開關(guān)電路的抗干擾能力增強(qiáng)。圖4(a)表示集電極開路(OC)輸出，(b)表示雙輸出。它們的輸出特性見圖5，圖5(a)表示普通霍爾開關(guān)，(b)表示鎖定型霍爾開關(guān)的輸出特性霍爾開關(guān)電路(a)單OC輸出(b)雙OC輸出(a)開關(guān)型輸出特性(b)鎖定型輸出特性

鎖定型霍爾開關(guān)電路的特點(diǎn)是：當(dāng)外加場(chǎng)B正向增加，到達(dá)BOP時(shí)，電路導(dǎo)通，之后無論B增加或減小，甚至將B除去，電路都保持導(dǎo)通態(tài)，只有到達(dá)負(fù)向的BRP時(shí)，才改變?yōu)榻刂範(fàn)顟B(tài)，因而稱為鎖定型。輸出疊加連接方式直流供電交流供電三.磁路局部圖5-5-6――產(chǎn)生梯度磁場(chǎng)圖5－5－6霍爾式位移傳感器原理示意圖霍爾片沿x方向移動(dòng)時(shí)，假設(shè)控制電流I保持不變，那么霍爾電勢(shì)為：四、根本特性1、霍爾傳感器的靈敏度和線性度主要取決于磁路系統(tǒng)和霍爾元件的特性。2、提高磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度B和增大鼓勵(lì)電流I，也可獲得較大的霍爾電勢(shì)。但I(xiàn)的增大受到元件發(fā)熱的限制。3、霍爾傳感器動(dòng)態(tài)性能好。3霍爾傳感器的應(yīng)用

一、利用與I的關(guān)系可用于直接測(cè)量電流和能轉(zhuǎn)換為電流的其它物理量二、利用與B的關(guān)系可用于測(cè)量磁場(chǎng)及可轉(zhuǎn)換為磁場(chǎng)的其它物理量

實(shí)例――霍爾式鉗形電流表圖５-５-７KB為電磁轉(zhuǎn)換靈敏度K為電流表靈敏度圖５-５-７靈敏度改變方法1．改變控制電流I2．增加環(huán)形鐵心上的周數(shù)——改變KB因?yàn)樗?/p>

〔增加周數(shù)可使靈敏度增加n倍〕三、利用與IB的關(guān)系可進(jìn)行乘法運(yùn)算或功率測(cè)量霍爾功率變換器圖5-5-8式中：為負(fù)載電流電壓的有效值濾去二次頻交流分量后，4測(cè)量誤差及補(bǔ)償方法一．不等位電壓及其補(bǔ)償①不等位電壓U0——B=0時(shí)的空載霍爾電勢(shì)②產(chǎn)生原因：1°兩個(gè)霍爾電極不在同一等位面上2°霍爾元件電阻率不均勻3°霍爾元件厚度不均勻因?yàn)椴怀闪ⅲ寓垩a(bǔ)償方法圖5-5-10其中〔c〕方案最好二．溫度誤差及其補(bǔ)償溫度誤差產(chǎn)生原因:霍爾靈敏度KH、霍爾元件內(nèi)阻r隨溫度變化，故UH隨溫度改變。霍爾元件由半導(dǎo)體材料制成，一般半導(dǎo)體材料的電阻率、遷移率和載流子濃度等都隨溫度而變化。因此它的性能參數(shù)如輸入和輸出電阻、霍爾常數(shù)等也隨溫度而變化，致使霍爾電勢(shì)變化，產(chǎn)生溫度誤差。為了減小溫度誤差，除選用溫度系數(shù)較小的材料如砷化銦外，還可以采用適當(dāng)?shù)难a(bǔ)償電路?！?〕采用恒流源供電和輸入回路并聯(lián)電阻圖5-5-11恒流源溫度補(bǔ)償電路元件的靈敏度系數(shù)kH是溫度的函數(shù)，因此采用恒流源后仍有溫度誤差。為了進(jìn)一步提高UH的溫度穩(wěn)定性，對(duì)于具有正溫度系數(shù)的霍爾元件，可在其輸入回路中并聯(lián)一電阻R。設(shè)：其中α為霍爾元件靈敏度溫度系數(shù)；β為元件的電阻溫度系數(shù)。

一般α＜＜β，故有〔2〕采用恒壓源和輸入回路串聯(lián)電阻當(dāng)霍爾元件采用穩(wěn)壓電源供電，且霍爾輸出開路狀態(tài)下工作時(shí)，可在輸入回路中串入適當(dāng)?shù)碾娮鑱硌a(bǔ)償溫度誤差。其分析過程與結(jié)果同式〔3〕合理選取負(fù)載電阻RL的阻值霍爾元件的輸出電阻Ro和霍爾電勢(shì)UH都是溫度的函數(shù)〔設(shè)為正溫度系數(shù)〕，當(dāng)霍爾元件接有負(fù)載RL〔如放大器的輸入電阻〕時(shí)，在RL上的電壓為為使UL不隨溫度變化，應(yīng)使UL對(duì)的導(dǎo)數(shù)為0，令求解上式可得(4)采用溫度補(bǔ)償元件

1°補(bǔ)償負(fù)溫度系數(shù)霍爾輸出，即

圖〔a〕，補(bǔ)償了圖〔b〕圖〔c〕，補(bǔ)償了

2°補(bǔ)償正溫度系數(shù)霍爾輸出，即圖〔d〕

補(bǔ)償了霍爾元件因通入控制電流I而有溫升，且I變動(dòng)，溫升改變，都會(huì)影響元件的內(nèi)阻和霍爾輸出。為使溫升不超過所需值，必須對(duì)霍爾元件的額定控制電流加以限制，尤其在安裝元件時(shí)要盡量做到散熱情況良好，只要有可能應(yīng)選用面積大些的元件，以降低其溫升。假設(shè)將硅霍爾元件與放大電路、溫度補(bǔ)償電路等集成在一起制成集成霍爾傳感器，那么具有性能優(yōu)良、使用方便、體積小、本錢低、輸出功率大和輸出電壓高等優(yōu)點(diǎn)，是應(yīng)用最為廣泛的集成傳感器之一。汽車上的霍爾器件在現(xiàn)實(shí)生活中霍爾效應(yīng)有很多的應(yīng)用，與我們?nèi)粘Ｉ铌P(guān)系越來越密切的汽車上就應(yīng)用了很多霍爾器件霍爾器件是根據(jù)霍爾效應(yīng)做成的，就是以磁場(chǎng)為工作媒體，將物體的運(yùn)動(dòng)參量轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字電壓的形式輸出，使之具備傳感和開關(guān)的功能。汽車上廣泛應(yīng)用的霍爾器件有：ABS系統(tǒng)中的速度傳感器汽車速度表和里程表液體物理量檢測(cè)器各種用電負(fù)載的電流檢測(cè)及工作狀態(tài)診斷發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速及曲軸角度傳感器各種開關(guān)等等“ABS〞中文譯為“防鎖死剎車系統(tǒng)〞.它是一種具有防滑、防鎖死等優(yōu)點(diǎn)的汽車平安控制系統(tǒng)。ABS是常規(guī)剎車裝置根底上的改進(jìn)型技術(shù)，可分機(jī)械式和電子式兩種。

現(xiàn)代汽車上大量安裝防抱死制動(dòng)系統(tǒng)，ABS既有普通制動(dòng)系統(tǒng)的制動(dòng)功能，又能防止車輪鎖死，使汽車在制動(dòng)狀態(tài)下仍能轉(zhuǎn)向，保證汽車的制動(dòng)方向穩(wěn)定性，防止產(chǎn)生側(cè)滑和跑偏，是目前汽車上最先進(jìn)、制動(dòng)效果最正確的制動(dòng)裝置。用于ABS系統(tǒng)的速度傳感器主要有電磁式和霍爾式兩種

轉(zhuǎn)速傳感器的功用是檢測(cè)車輪的速度，并將速度信號(hào)輸入ABS的電控單元。以下圖所示為轉(zhuǎn)速傳感器在車輪上的安裝位置?！?〕電磁式轉(zhuǎn)速傳感器結(jié)構(gòu)

它由永磁體2、極軸5和感應(yīng)線圈4等組成,極軸頭部結(jié)構(gòu)有鑿式和柱式兩種。齒圈6旋轉(zhuǎn)時(shí)，齒頂和齒隙交替對(duì)向極軸。在齒圈旋轉(zhuǎn)過程中，感應(yīng)線圈內(nèi)部的磁通量交替變化從而產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，此信號(hào)通過感應(yīng)線圈末端的電纜1輸入ABS的電控單元。當(dāng)齒圈的轉(zhuǎn)速發(fā)生變化時(shí)，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的頻率也變化。ABS電控單元通過檢測(cè)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的頻率來檢測(cè)車輪轉(zhuǎn)速。

電磁式輪速傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、本錢低，但存在下述缺點(diǎn)：一是其輸出信號(hào)的幅值隨轉(zhuǎn)速的變化而變化。假設(shè)車速過慢，其輸出信號(hào)低于1V，電控單元就無法檢測(cè)；二是響應(yīng)頻率不高。當(dāng)轉(zhuǎn)速過高時(shí)，傳感器的頻率響應(yīng)跟不上；三是抗電磁波干擾能力差。目前，國(guó)內(nèi)外ABS系統(tǒng)的控制速度范圍一般為15～160km/h，今后要求控制速度范圍擴(kuò)大到8～260km/h以至更大，顯然電磁感應(yīng)式輪速傳感器很難適應(yīng)。

〔2〕霍爾輪速傳感器霍爾輪速傳感器也是由傳感頭和齒圈組成。傳感頭由永磁體，霍爾元件和電子電路等組成，永磁體的磁力線穿過霍爾元件通向齒輪，如以下圖所示。

當(dāng)齒輪位于圖中(a)所示位置時(shí)，穿過霍爾元件的磁力線分散，磁場(chǎng)相對(duì)較弱；而當(dāng)齒輪位于圖中(b)所示位置時(shí)，穿過