霍尔传感元器件及其应用

2011-03-24 11:39:09来源: 互联网
1、 引言

霍尔器件是一种磁传感器。用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。霍尔器件以霍尔效应为其工作基础。

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),耐震动,不怕灰尘、油污、水汽及盐雾等的污染或腐蚀。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μm级)。取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℃。

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。

按被检测的对象的性质可将它们的应用分为:直接应用和间接应用。前者是直接检测出受检测对象本身的磁场或磁特性,后者是检测受检对象上人为设置的磁场,用这个磁场来作被检测的信息的载体,通过它,将许多非电、非磁的物理量例如力、力矩、压力、应力、位置、位移、速度、加速度、角度、角速度、转数、转速以及工作状态发生变化的时间等,转变成电量来进行检测和控制。

2、 霍尔效应和霍尔器件

2.1 霍尔效应

如图1所示,在一块通电的半导体薄片上,加上和片子表面垂直的磁场B,在薄片的横向两侧会出现一个电压,如图1中的VH,这种现象就是霍尔效应,是由科学家爱德文?霍尔在1879年发现的。VH称为霍尔电压。

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(a)霍尔效应和霍尔元件

这种现象的产生,是因为通电半导体片中的载流子在磁场产生的洛仑兹力的作用下,分别向片子横向两侧偏转和积聚,因而形成一个电场,称作霍尔电场。霍尔电场产生的电场力和洛仑兹力相反,它阻碍载流子继续堆积,直到霍尔电场力和洛仑兹力相等。这时,片子两侧建立起一个稳定的电压,这就是霍尔电压。

在片子上作四个电极,其中C1、C2间通以工作电流I,C1、C2称为电流电极,C3、C4间取出霍尔电压VH,C3、C4称为敏感电极。将各个电极焊上引线,并将片子用塑料封装起来,就形成了一个完整的霍尔元件(又称霍尔片)。

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在上述(1)、(2)、(3)式中VH是霍尔电压,ρ是用来制作霍尔元件的材料的电阻率,μn是材料的电子迁移率,RH是霍尔系数,l、W、t分别是霍尔元件的长、宽和厚度,f(I/W)是几何修正因子,是由元件的几何形状和尺寸决定的,I是工作电流,V是两电流电极间的电压,P是元件耗散的功率。由(1)~(3)式可见,在霍尔元件中,ρ、RH、μn决定于元件所用的材料,I、W、t和f(I/W)决定于元件的设计和工艺,霍尔元件一旦制成,这些参数均为常数。因此,式(1)~(3)就代表了霍尔元件的三种工作方式所得的结果。(1)式表示电流驱动,(2)式表示电压驱动,(3)式可用来评估霍尔片能承受的最大功率。

为了精确地测量磁场,常用恒流源供电,令工作电流恒定,因而,被测磁场的磁感应强度B可用霍尔电压来量度。

在一些精密的测量仪表中,还采用恒温箱,将霍尔元件置于其中,令RH保持恒定。

若使用环境的温度变化,常采用恒压驱动,因和RH比较起来,μn随温度的变化比较平缓,因而VH受温度变化的影响较小。

为获得尽可能高的输出霍尔电压VH,可加大工作电流,同时元件的功耗也将增加。(3)式表达了VH能达到的极限——元件能承受的最大功耗。

2.2 霍尔器件

霍尔器件分为:霍尔元件和霍尔集成电路两大类,前者是一个简单的霍尔片,使用时常常需要将获得的霍尔电压进行放大。后者将霍尔片和它的信号处理电路集成在同一个芯片上。

2.2.1 霍尔元件

霍尔元件可用多种半导体材料制作,如Ge、Si、InSb、GaAs、InAs、InAsP以及多层半导体异质结构量子阱材料等等。

InSb和GaAs霍尔元件输出特性见图1(a)、图1(b).

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(a)霍尔效应和霍尔元件

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(b)InSb霍尔元件的输出特性

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(c)GaAs霍尔元件的输出特性
图1 霍尔元件的结构和输出特性

这些霍尔元件大量用于直流无刷电机和测磁仪表。

2.2.2.1 霍尔线性电路

它由霍尔元件、差分放大器和射极跟随器组成。其输出电压和加在霍尔元件上的磁感强度B成比例,它的功能框图和输出特性示于图2和图3。

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图2 霍尔线性电路的功能框图

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图3 霍尔线性电路UGN3501的磁电转换特性曲线

这类电路有很高的灵敏度和优良的线性度,适用于各种磁场检测。霍尔线性电路的性能参数见表3。

2.2.2.2 霍尔开关电路

霍尔开关电路又称霍尔数字电路,由稳压器、霍尔片、差分放大器,斯密特触发器和输出级组成。在外磁场的作用下,当磁感应强度超过导通阈值BOP时,霍尔电路输出管导通,输出低电平。之后,B再增加,仍保持导通态。若外加磁场的B值降低到BRP时,输出管截止,输出高电平。我们称BOP为工作点,BRP为释放点,BOP-BRP=BH称为回差。回差的存在使开关电路的抗干扰能力增强。霍尔开关电路的功能框见图4。图4(a)表示集电极开路(OC)输出,(b)表示双输出。它们的输出特性见图5,图5(a)表示普通霍尔开关,(b)表示锁定型霍尔开关的输出特性。

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(a) 单OC输出 (b)双OC输出
图4 霍尔开关电路的功能框图

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(a)开关型输出特性 (b)锁定型输出特性
图5 霍尔开关电路的输出特性

一般规定,当外加磁场的南极(S极)接近霍尔电路外壳上打有标志的一面时,作用到霍
尔电路上的磁场方向为正,北极接近标志面时为负。

锁定型霍尔开关电路的特点是:当外加场B正向增加,达到BOP时,电路导通,之后无论B增加或减小,甚至将B除去,电路都保持导通态,只有达到负向的BRP时,才改变为截止态,因而称为锁定型。

2.2.2.3 差动霍尔电路(双霍尔电路)

它的霍尔电压发生器由一对相距2.5mm的霍尔元件组成,其功能框图见图6。

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图6 差动霍尔电路的工作原理图

使用时在电路背面放置一块永久磁体,当用铁磁材料制成的齿轮从电路附近转过时,一对霍尔片上产生的霍尔电压相位相反,经差分放大后,使器件灵敏度大为提高。用这种电路制成的汽车齿轮传感器具有极优的性能。

2.2.2.4 其它霍尔电路

除上述各种霍尔器件外,目前还出现了许多特殊功能的霍尔电路,如功率霍尔电路,多重双线霍尔传感器。

3 霍尔器件的应用

3.1 应用的一般问题

3.1.1 测量磁场

使用霍尔器件检测磁场的方法极为简单,将霍尔器件作成各种形式的探头,放在被测磁场中,因霍尔器件只对垂直于霍尔片的表面的磁感应强度敏感,因而必须令磁力线和器件表面垂直,通电后即可由输出电压得到被测磁场的磁感应强度。若不垂直,则应求出其垂直分量来计算被测磁场的磁感应强度值。而且,因霍尔元件的尺寸极小,可以进行多点检测,由计算机进行数据处理,可以得到场的分布状态,并可对狭缝,小孔中的磁场进行检测

3.1.2 工作磁体的设置

用磁场作为被传感物体的运动和位置信息载体时,一般采用永久磁钢来产生工作磁场。

例如,用一个5×4×2.5(mm3)的钕铁硼Ⅱ号磁钢,就可在它的磁极表面上得到约2300高斯的磁感应强度。在空气隙中,磁感应强度会随距离增加而迅速下降。为保证霍尔器件,尤其是霍尔开关器件的可靠工作,在应用中要考虑有效工作气隙的长度。在计算总有效工作气隙时,应从霍尔片表面算起。在封装好的霍尔电路中,霍尔片的深度在产品手册中会给出。

因为霍尔器件需要工作电源,在作运动或位置传感时,一般令磁体随被检测物体运动,将霍尔器件固定在工作系统的适当位置,用它去检测工作磁场,再从检测结果中提取被检信息。

工作磁体和霍尔器件间的运动方式有:(a)对移;(b)侧移;(c)旋转;(d)遮断。如图7所示,图中的TEAG即为总有效工作气隙。

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图7 霍尔器件和工作磁体间的运动方式

在遮断方式中,工作磁体和霍尔器件以适当的间隙相对固定,用一软磁(例如软铁)翼片作为运动工作部件,当翼片进入间隙时,作用到霍尔器件上的磁力线被部分或全部遮断,以此来调节工作磁场。被传感的运动信息加在翼片上。这种方法的检测精度很高,在125℃的温度范围内,翼片的位置重复精度可达50μm。

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图8 在霍尔器件背面放置磁体

也可将工作磁体固定在霍尔器件背面(外壳上没打标志的一面),让被检的铁磁物体(例如钢齿轮)从它们近旁通过,检测出物体上的特殊标志(如齿、凸缘、缺口等),得出物体的运动参数

3.1.3 与外电路的接口

霍尔开关电路的输出级一般是一个集电极开路的NPN晶体管,其使用规则和任何一种相似的NPN开关管相同。输出管截止时,输漏电流很小,一般只有几nA,可以忽略,输出电压和其电源电压相近,但电源电压最高不得超过输出管的击穿电压(即规范表中规定的极限电压)。输出管导通时,它的输出端和线路的公共端短路。因此,必须外接一个电阻器(即负载电阻器)来限制流过管子的电流,使它不超过最大允许值(一般为20mA),以免损坏输出管。输出电流较大时,管子的饱和压降也会随之增大,使用者应当特别注意,仅这个电压和你要控制的电路的截止电压(或逻辑“零”)是兼容的。

以与发光二极管的接口为例,对负载电阻器的选择作一估计。若在Io为20mA(霍尔电路输出管允许吸入的最大电流),发光二极管的正向压降VLED=1.4V,当电源电压VCC=12V时,所需的负载电阻器的阻值(4) 和这个阻值最接近的标准电阻为560Ω,因此,可取560Ω的电阻器作为负载电阻器。

用图9表示简化了的霍尔开关电路,图10表示与各种电路的接口:(a)与TTL电路;(b)与CMOS电路;(c)与LED;(d)与晶闸管。

[1] [2]

关键字:传感  应用

编辑:神话 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/MEMS/2011/0324/article_941.html
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