磁電式傳感器-霍爾傳感器

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1、霍 爾 傳 感 器 Hall Sensor 霍 爾 式 傳 感 器 是 基 于 霍 爾 效 應(yīng) 而 將 被 測 量 轉(zhuǎn) 換 成 電 動(dòng) 勢 輸 出 的一 種 傳 感 器 。 霍 爾 器 件 是 一 種 磁 敏 傳 感 器 ， 利 用 半 導(dǎo) 體 元 件 對(duì) 磁場 敏 感 的 特 性 來 實(shí) 現(xiàn) 磁 電 轉(zhuǎn) 換 ， 它 們 可 以 檢 測 磁 場 及 其 變 化 ， 可在 各 種 與 磁 場 有 關(guān) 的 場 合 中 使 用 。 霍 爾 器 件 具 有 許 多 優(yōu) 點(diǎn) ， 它 們 的 結(jié) 構(gòu) 牢 固 ， 體 積 小 ， 重 量 輕 ，壽 命 長 ， 安 裝 方 便 ， 功 耗 小 ， 頻 率 高

2、(可 達(dá) 1MHz)， 耐 振 動(dòng) ， 不 怕灰 塵 、 油 污 、 水 汽 及 鹽 霧 等 的 污 染 或 腐 蝕 。 按 照 霍 爾 器 件 的 功 能 可 將 它 們 分 為 ： 霍 爾 線 性 器 件 和 霍 爾 開 關(guān)器 件 ， 前 者 輸 出 模 擬 量 ， 后 者 輸 出 數(shù) 字 量 。 霍 爾 線 性 器 件 的 精 度 高 、 線 性 度 好 ； 霍 爾 開 關(guān) 器 件 無 觸 點(diǎn) 、 無磨 損 、 輸 出 波 形 清 晰 、 無 抖 動(dòng) 、 無 回 跳 、 位 置 重 復(fù) 精 度 高 (可 達(dá) 級(jí) )。 采 用 了 各 種 補(bǔ) 償 和 保 護(hù) 措 施 的 霍 爾 器 件 的

3、 工 作 溫 度 范 圍寬 ， 可 達(dá) -55 +150 。 m 霍 爾 傳 感 器 的 工 作 原 理1 霍 爾 效 應(yīng) 半 導(dǎo) 體 薄 片 置 于 磁 感 應(yīng) 強(qiáng) 度 為 B 的 磁 場 中 ， 磁 場 方 向 垂 直于 薄 片 ， 當(dāng) 有 電 流 I 流 過 薄 片 時(shí) ， 在 垂 直 于 電 流 和 磁 場 的 方 向上 將 產(chǎn) 生 電 動(dòng) 勢 EH， 這 種 現(xiàn) 象 稱 為 霍 爾 效 應(yīng) 。 磁 感 應(yīng) 強(qiáng) 度 B為 零 時(shí) 的 情 況A BC D 當(dāng) 有 圖 示 方 向 磁 場 B作 用 時(shí) 作 用 在 半 導(dǎo) 體 薄 片 上 的 磁 場 強(qiáng) 度 B越 強(qiáng) ， 霍 爾 電 勢 也

4、 就 越 高 ?；?爾 電 勢 UH可 用 下 式 表 示 ： UH=KH IB 霍 爾 效 應(yīng) 演 示 當(dāng) 磁 場 垂 直 于 薄 片 時(shí) ， 電 子 受 到 洛 侖 茲 力 的 作 用 ， 向 內(nèi)側(cè) 偏 移 ， 在 半 導(dǎo) 體 薄 片 A、 B方 向 的 端 面 之 間 建 立 起 霍 爾 電勢 。 A BC D 可 以 推 出 ， 霍 爾 電 動(dòng) 勢 UH 的 大 小 為 ： H H cosU k IB 式 中 ： kH 為 靈 敏 度 系 數(shù) ， kH = RH /d， 表 示 在 單 位 磁 感 應(yīng) 強(qiáng) 度 和 單位 控 制 電 流 時(shí) 的 霍 爾 電 動(dòng) 勢 的 大 小 ,與 材

5、料 的 物 理 特 性 （ 霍 爾 系數(shù) ） 和 幾 何 尺 寸 d有 關(guān) ； 霍 爾 系 數(shù) RH 1/(nq)， 由 材 料 物 理 性 質(zhì) 所 決 定 ， q為 電 子 電 荷 量 ；n為 材 料 中 的 電 子 濃 度 。 為 磁 場 和 薄 片 法 線 夾 角 。 結(jié) 論 ： 霍 爾 電 勢 與 輸 入 電 流 I、 磁 感 應(yīng) 強(qiáng) 度 B成 正 比 ，且 當(dāng) B的 方 向 改 變 時(shí) ， 霍 爾 電 勢 的 方 向 也 隨 之 改 變 。 如果 所 施 加 的 磁 場 為 交 變 磁 場 ， 則 霍 爾 電 勢 為 同 頻 率 的交 變 電 勢 。 金 屬 材 料 中 的 自 由

6、電 子 濃 度 n很 高 ， 因 此 RH 很 小 ， 不宜 作 霍 爾 元 件 。 霍 爾 元 件 多 用 載 流 子 遷 移 率 大 的 N型半 導(dǎo) 體 材 料 制 作 。 另 外 ， 霍 爾 元 件 越 薄 (d越 小 )， kH就 越 大 ， 所 以 通 常 霍 爾 元 件 都 較 薄 。 薄 膜 霍 爾 元 件 的厚 度 只 有 1 左 右 。m 2 霍 爾 元 件霍 爾 片 是 一 塊 矩 形 半 導(dǎo) 體 單 晶 薄 片 (一 般 為 4mm 2mm 0.1mm)，經(jīng) 研 磨 拋 光 ， 然 后 用 蒸 發(fā) 合 金 法 或 其 他 方 法 制 作 歐 姆 接 觸 電 極 ，最 后

7、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 ， 焊上 引 線 最 后 封 裝 。 一 般 控 制 端 引 線 采 用 紅 色 引 線 ， 而 霍 爾 輸 出 端引 線 則 采 用 綠 色 引 線 。 霍 爾 元 件 的 殼 體 用 非 導(dǎo) 磁 金 屬 、 陶 瓷 或 環(huán)氧 樹 脂 封 裝 。 (a) 霍 爾 元 件 外 形 (b)電 路 符 號(hào) (c) 基 本 應(yīng) 用 電 路 3 霍 爾 元 件 的 主 要 特 性 及 材 料 1)

8、霍 爾 元 件 的 主 要 特 性 參 數(shù)(1) 靈 敏 度 kH： 表 示 元 件 在 單 位 磁 感 應(yīng) 強(qiáng) 度 和 單 位 控 制 電 流 下 所得 到 的 開 路 （ RL= ） 霍 爾 電 動(dòng) 勢 ， 單 位 為 V/(A T)。(2) 霍 爾 輸 入 電 阻 Ri： 霍 爾 控 制 電 流 電 極 間 的 電 阻 值 。(3) 霍 爾 輸 出 電 阻 Ro： 霍 爾 輸 出 電 極 間 的 電 阻 值 。(4) 霍 爾 電 阻 的 溫 度 系 數(shù) ： 表 示 在 一 定 的 磁 感 應(yīng) 強(qiáng) 度 和控 制 電 流 的 條 件 下 ， 環(huán) 境 溫 度 每 變 化 1 時(shí) 霍 爾 元 件

9、 材 料 的電 阻 變 化 率 ， 單 位 為 %/ 。 1) 霍 爾 元 件 的 主 要 特 性 參 數(shù)(6) 額 定 控 制 電 流 Icm： 空 氣 中 的 霍 爾 元 件 產(chǎn) 生 允 許 溫 升 T=10 時(shí) 的 控 制 電 流 ， 一 般 為 幾 毫 安 到 幾 百 毫 安 。(7) 不 等 位 電 勢 U 0： 外 加 磁 場 為 0， 霍 爾 元 件 在 額 定 控 制 電 流 下 ，兩 霍 爾 電 極 之 間 的 開 路 電 動(dòng) 勢 。 U0越 小 越 好 ， 一 般 地 ， U0小 于1mV。（ 8） 不 等 位 電 阻 r0: r0=U0/Icm。cm 2 /sI w d

10、T (5) 霍 爾 電 動(dòng) 勢 的 溫 度 系 數(shù) ： 表 示 在 一 定 的 磁 感 應(yīng) 強(qiáng) 度 和 控制 電 流 的 條 件 下 ， 環(huán) 境 溫 度 每 變 化 1 時(shí) 霍 爾 電 勢 的 相 對(duì) 變 化 率單 位 為 %/ 。 3 霍 爾 元 件 的 主 要 特 性 及 材 料 1) 霍 爾 元 件 的 主 要 特 性 參 數(shù)(9) 霍 爾 最 大 允 許 激 勵(lì) 電 流 Imax： 以 霍 爾 元 件 允 許 最大 溫 升 為 限 制 所 對(duì) 應(yīng) 的 激 勵(lì) 電 流 稱 為 最 大 允 許 激 勵(lì) 電流 。(10) 霍 爾 寄 生 直 流 電 勢 UOD： 在 外 加 磁 場 為 零

11、、 霍 爾 元件 用 交 流 激 勵(lì) 時(shí) ， 霍 爾 電 極 輸 出 除 了 交 流 不 等 位 電 動(dòng) 勢外 ， 還 有 一 直 流 電 勢 ， 稱 為 寄 生 直 流 電 勢 。 2) 霍 爾 元 件 的 材 料鍺 (Ge)、 硅 (Si)、 銻 化 銦 (InSb)、 砷 化 銦 (InAs)和 砷 化 鎵(GaAs)是 常 見 的 制 作 霍 爾 元 件 的 幾 種 半 導(dǎo) 體 材 料 。 表 6-2所 列為 制 作 霍 爾 元 件 的 幾 種 半 導(dǎo) 體 材 料 主 要 參 數(shù) 。 1 2 /電 阻 率 電 子 遷 移 率 材 料 (單 晶 ) 禁 帶 寬 度Eg/(eV) /( c

12、m) /(cm/Vs) 霍 爾 系 數(shù)RH/(cmC-1)N型 鍺 (G e) 0.66 1.0 3500 4250 4000N型 硅 (Si) 1.107 1.5 1500 2250 1840銻 化 銦 (InSb) 0.17 0.005 60000 350 4200砷 化 銦 (InAs) 0.36 0.0035 25000 100 1530磷 砷 銦 (InAsP) 0.63 0.08 10500 850 3000 哪 種 材 料 制 作 的 霍 爾 元 件 靈 敏 度 高 不 等 位 電 動(dòng) 勢 產(chǎn) 生 的 原 因 是 由 于 制 造 工 藝不 可 能 保 證 將 兩 個(gè) 霍 爾 電

13、極 對(duì) 稱 地 焊 在 霍爾 片 的 兩 側(cè) ， 致 使 兩 電 極 點(diǎn) 不 能 完 全 位 于同 一 等 位 面 上 。 4 霍 爾 元 件 的 誤 差 及 補(bǔ) 償 1 霍 爾 元 件 的 零 位 誤 差 與 補(bǔ) 償霍 爾 元 件 的 零 位 誤 差 是 指 在 無 外 加 磁 場 或 無 控 制 電 流 的 情 況 下 ，霍 爾 元 件 產(chǎn) 生 輸 出 電 壓 并 由 此 而 產(chǎn) 生 的 誤 差 。 它 主 要 表 現(xiàn) 為 以下 幾 種 具 體 形 式 。 1) 不 等 位 電 動(dòng) 勢不 等 位 電 動(dòng) 勢 是 零 位 誤 差 中 最 主 要 的 一 種 ，它 是 當(dāng) 霍 爾 元 件 在

14、額 定 控 制 電 流 (元 件 在 空 氣中 溫 升 10 所 對(duì) 應(yīng) 的 電 流 )作 用 下 ， 不 加 外 磁場 時(shí) ， 霍 爾 輸 出 端 之 間 的 空 載 電 動(dòng) 勢 。 此 外 ,霍 爾 片 電 阻 率 不 均 勻 ， 或 片 厚 薄 不均 勻 ， 或 控 制 電 流 極 接 觸 不 良 都 將 使 等 位面 歪 斜 ， 如 圖 所 示 ， 致 使 兩 霍 爾 電 極 不 在同 一 等 位 面 上 而 產(chǎn) 生 不 等 位 電 動(dòng) 勢 。 2) 寄 生 直 流 電 勢在 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

15、以 外 的 直 流 分 量 稱 為 寄 生 直 流 電 勢 。 產(chǎn) 生 寄 生 直 流 電 勢 的原 因 有 兩 個(gè) 方 面 ： (1)由 于 控 制 電 極 焊 接 處 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 電 極 焊 點(diǎn) 熱 容 量 不 相 等 產(chǎn) 生 溫 差 電 動(dòng) 勢 。 對(duì)于 鍺 霍 爾 元 件 ， 當(dāng) 交 流 控 制 電 流 為 20mA時(shí) ， 輸 出 電 極 的 寄 生 直流 電 壓 小 于 100 。 V 3) 感 應(yīng) 零 電 動(dòng) 勢感 應(yīng) 零

16、 電 動(dòng) 勢 是 在 未 通 電 流 的 情 況 下 ， 由 于脈 動(dòng) 或 交 變 磁 場 的 作 用 ， 在 輸 出 端 產(chǎn) 生 的 電動(dòng) 勢 。 根 據(jù) 電 磁 感 應(yīng) 定 律 ， 感 應(yīng) 電 動(dòng) 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 ， 如 圖 所 示 。 4) 自 激 場 零 電 動(dòng) 勢霍 爾 元 件 控 制 電 流 產(chǎn) 生 自 激 場 ， 如 圖 所 示 。由 于 元 件 的 左 右 兩 半 場 相 等 ， 故 產(chǎn) 生 的 電 動(dòng)勢 方 向 相 反 而 抵 消 。 實(shí) 際 應(yīng) 用 時(shí) 由 于 控 制 電流 引 線 也 產(chǎn) 生

17、磁 場 ， 使 元 件 左 右 兩 半 場 強(qiáng) 不等 ， 因 而 有 霍 爾 電 動(dòng) 勢 輸 出 ， 這 一 輸 出 電 動(dòng)勢 即 是 自 激 場 零 電 動(dòng) 勢 。 在 上 述 的 4種 零 位 誤 差 中 ， 寄 生 直 流 電 動(dòng) 勢 、 感 應(yīng) 零 電 動(dòng) 勢 以 及自 激 場 零 電 動(dòng) 勢 ， 是 由 于 制 作 工 藝 上 的 原 因 而 造 成 的 誤 差 ， 可 以通 過 工 藝 水 平 的 提 高 加 以 解 決 。 而 不 等 位 電 動(dòng) 勢 所 造 成 的 零 位 誤差 ， 則 必 須 通 過 補(bǔ) 償 電 路 給 予 克 服 。在 理 想 情 況 下 R 1=R2=R3

18、=R4， 即 可 取 得 零 位 電 動(dòng) 勢 為 零 (或 零 位 電 阻為 零 )， 從 而 消 除 不 等 位 電 動(dòng) 勢 。 實(shí) 際 上 ， 若 存 在 零 位 電 動(dòng) 勢 ， 則說 明 此 4個(gè) 電 阻 不 完 全 相 等 ， 即 電 橋 不 平 衡 。 為 使 其 達(dá) 到 平 衡 ， 可在 阻 值 較 大 的 橋 臂 上 并 聯(lián) 可 調(diào) 電 阻 RP或 在 兩 個(gè) 臂 上 同 時(shí) 并 聯(lián) 電 阻 RP和 R。 霍 爾 元 件 結(jié) 構(gòu) 及 等 效 電 路 如 圖 霍 爾 元 件 零 位 誤 差 補(bǔ) 償 電 路 2 霍 爾 元 件 的 溫 度 誤 差 及 補(bǔ) 償與 一 般 半 導(dǎo) 體 一

19、 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 性 能 參 數(shù) 如 輸 入 、 輸 出 電 阻 ,霍 爾 常數(shù) 等 也 隨 溫 度 而 變 化 ， 致 使 霍 爾 電 動(dòng) 勢 變 化 ， 產(chǎn) 生 溫 度 誤 差 。 將 溫 度 每 變 化 1 時(shí) ， 霍 爾 元件 輸 入 電 阻 或 輸 出 電 阻 的 相 對(duì)變 化 率 Ri/Ro稱 為 內(nèi) 阻 溫 度 系數(shù) ， 用 表 示 。 將 溫 度 每 變 化 1 時(shí) ， 霍 爾 電壓 的 相 對(duì) 變 化 率 UHt/UH0稱 為 霍爾 電 壓 溫 度 系 數(shù) ， 用 表 示

20、 。 哪 種 材 料 制 作 的 霍 爾 元 件 溫 度 誤 差 小 幾 種 溫 度 誤 差 的 補(bǔ) 償 方 法1) 采 用 恒 壓 源 和 輸 入 回 路 串 聯(lián) 電 阻 補(bǔ) 償 基 本 電 路 及 等 效 電 路 如 圖霍 爾 電 壓 隨 溫 度 變 化 的 關(guān) 系 式 為 ： HtH itR EBU R R d 對(duì) 上 式 求 溫 度 的 導(dǎo) 數(shù) 得 ， 要 使 溫 度 變 化 時(shí) 霍 爾 電 壓 不 變 ， 必須 使 外 接 電 阻 ： i0( )RR 2) 合 理 選 擇 負(fù) 載 電 阻 RL的 阻 值霍 爾 元 件 的 輸 出 電 阻 Ro和 霍 爾 電 動(dòng) 勢 UH都 是 溫 度

21、 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時(shí) ， 在 RL上 的 電 壓 為 ：L H0 0L L o0 01 ( )1 ( )R U t tU R R t t 為 了 負(fù) 載 上 的 電 壓 不 隨 溫 度 變 化 ， 應(yīng) 使 dUL/d(t-t0)=0， 即 L o0( 1)R R 式 中 ： Ro0為 溫 度 t0時(shí) 的 霍 爾 元 件 輸 出 電 阻 。可 采 用 串 、 并 連 電 阻 的 方 法 使 上 式 成 立 來 補(bǔ) 償 溫 度 誤 差 ， 但霍 爾 元 件 的 靈 敏 度 將 會(huì) 降 低 。 3) 采 用 溫 度 補(bǔ) 償 元 件

22、 (如 熱 敏 電 阻 、 電 阻 絲 )這 是 一 種 常 用 的 溫 度 誤 差 補(bǔ) 償 方 法 。 由 于 熱 敏 電 阻 具 有 負(fù) 溫 度系 數(shù) ， 電 阻 絲 具 有 正 溫 度 系 數(shù) ， 可 采 用 輸 入 回 路 串 接 熱 敏 電 阻 ，輸 入 回 路 并 接 電 阻 絲 ， 或 輸 出 端 串 接 熱 敏 電 阻 對(duì) 具 有 負(fù) 溫 度 系 數(shù)的 銻 化 銦 材 料 霍 爾 元 件 進(jìn) 行 溫 度 補(bǔ) 償 。 可 采 用 輸 入 端 并 接 熱 敏 電阻 方 式 對(duì) 輸 出 具 有 正 溫 度 系 數(shù) 的 霍 爾 元 件 進(jìn) 行 溫 度 補(bǔ) 償 。 一 般 來說 ， 溫

23、度 補(bǔ) 償 電 路 、 霍 爾 元 件 和 放 大 電 路 應(yīng) 集 成 在 一 起 制 成 集 成霍 爾 傳 感 器 。5 霍 爾 傳 感 器 的 應(yīng) 用霍 爾 元 件 具 有 結(jié) 構(gòu) 牢 固 、 工 藝 成 熟 、 體 積 小 、 壽 命 長 、 線 性 度好 、 頻 率 高 、 耐 振 動(dòng) 、 不 怕 灰 塵 、 油 污 、 水 汽 及 鹽 霧 等 的 污 染或 腐 蝕 的 優(yōu) 點(diǎn) ， 目 前 ， 霍 爾 傳 感 器 是 全 球 使 用 量 排 名 第 三 的 傳感 器 產(chǎn) 品 ， 它 被 廣 泛 應(yīng) 用 到 工 業(yè) 、 汽 車 業(yè) 、 計(jì) 算 機(jī) 、 手 機(jī) 以 及新 興 消 費(fèi) 電 子

24、 領(lǐng) 域 中 。 5 霍 爾 傳 感 器 的 應(yīng) 用1 霍 爾 轉(zhuǎn) 速 傳 感 器 在 被 測 轉(zhuǎn) 速 的 轉(zhuǎn) 軸 上 安 裝 一 個(gè) 齒 盤 ， 也 可 選 取 機(jī) 械 系 統(tǒng) 中 的一 個(gè) 齒 輪 ， 將 線 性 型 霍 爾 器 件 及 磁 路 系 統(tǒng) 靠 近 齒 盤 。 齒 盤 的 轉(zhuǎn) 動(dòng)使 磁 路 的 磁 阻 隨 氣 隙 的 改 變 而 周 期 性 地 變 化 ， 霍 爾 器 件 輸 出 的 微小 脈 沖 信 號(hào) 經(jīng) 隔 直 、 放 大 、 整 形 后 可 以 確 定 被 測 物 的 轉(zhuǎn) 速 。SN霍 爾 器 件磁 鐵 霍 爾 轉(zhuǎn) 速 表 原 理 當(dāng) 齒 對(duì) 準(zhǔn) 霍 爾 元 件 時(shí) ，

25、 磁 力 線 集 中 穿 過 霍 爾 元 件 ， 可 產(chǎn)生 較 大 的 霍 爾 電 動(dòng) 勢 ， 放 大 、 整 形 后 輸 出 高 電 平 ； 反 之 ，當(dāng) 齒 輪 的 空 擋 對(duì) 準(zhǔn) 霍 爾 元 件 時(shí) ， 輸 出 為 低 電 平 。 霍 爾 轉(zhuǎn) 速 表 的 其 他 安 裝 方 法 只 要 金 屬 旋 轉(zhuǎn) 體 的 表 面 存 在 缺 口 或 突 起 ， 就 可 產(chǎn) 生 磁 場 強(qiáng)度 的 脈 動(dòng) ， 從 而 引 起 霍 爾 電 勢 的 變 化 ， 產(chǎn) 生 轉(zhuǎn) 速 信 號(hào) 。 霍 爾 元 件磁 鐵 2 位 移 測 量 B 2 位 移 測 量 3 霍 爾 機(jī) 械 振 動(dòng) 傳 感 器 1 霍 爾 元 件 ； 2 平 板 （ 非 磁 性 材 料 ） ；3 頂 桿 ； 4 觸 點(diǎn) ； 5 外 殼 ； 6 磁 系統(tǒng) 觸 點(diǎn) 4與 被 測 對(duì) 象 接 觸 ， 整 個(gè) 組 件 隨 被 測體 做 機(jī) 械 振 動(dòng) 。 霍 爾 元 件 輸 出 的 霍 爾 電 動(dòng)勢 可 反 映 出 被 測 振 動(dòng) 的 頻 率 和 幅 度 。 3 電 流 測 量霍 爾 鉗 形 電 流 表 測 量 原 理