霍耳传感器

霍尔传感器转换原理：霍尔传感器是利用霍尔效应实现磁电转换的一种传感器分类：有普通型、高灵敏度型、低温度系数型、测温测磁型和开关式的霍尔元件。特性：霍尔传感器具有灵敏度高、线性度好、稳定性高、体积小和耐高温等特件应用：直接测量磁场、微位移量，也可以间接测量液位、压力等工业生产过程参数。霍尔传感器已从分立元件发展到了集成电路的阶段一、霍尔效应二、霍尔元件三、温度特性及补偿四、零位特性及补偿五、集成霍尔传感器六、霍尔传感器的应用1．霍尔效应长为L、宽为b、厚为d的导体（或半导体）薄片，被置于磁感应强度为B的磁场中（平面与磁场垂直），在与磁场方向正交的两边通以控制电流I，则在导体另外两边将产生一个大小与控制电流I和磁感应强度B乘积成正比的电势UH，且UH＝KHIB，其中KH为霍尔元件的灵敏度。这一现象称为霍尔效应,该电势称为霍尔电势,半导体薄片就是霍尔元件。IHUI2．工作原理霍尔效应是导体中自由电荷受洛仑兹力作用而产生的。设霍尔元件为N型半导体，当它通以电流I时，半导体中的电子受到磁场中洛仑兹力FL的作用，其大小为式中υ为电子速度，B为垂直于霍尔元件表面的磁感应强度。在FL的作用下，电子向垂直于B和υ的方向偏移，在器件的某一端积聚负电荷，另一端面则为正电荷积聚。电荷的聚积必将产生静电场，即为霍尔电场，该静电场对电子的作用力为FE与洛仑兹力方向相反，将阻止电子继续偏转，其大小为IHUI式中EH为霍尔电场，e为电子电量，UH为霍尔电势。当FL=FE时，电子的积累达到动平衡，即bUeBeH所以。设流过霍尔元件的电流为I时，BbUH)(enbddtdQI式中bd为与电流方向垂直的截面积，n为单位体积内自由电子数(载流子浓度)。则nedIBUH1）霍耳灵敏度令neRH1dIBRUHHKH为霍尔元件的灵敏度。它表示一个霍尔元件在单位控制电流和单位磁感应强度时产生的霍尔电压的大小，KH=RH/d，它的单位是mV/(mA·T)由式(6-2-6)可见，霍尔元件灵敏度KH是在单位磁感应强度和单位激励电流作用下，霍尔元件输出的霍尔电压值，它不仅决定于载流体材料，而且取决于它的几何尺寸RH则被定义为霍尔传感器的霍尔系数。它反映材料霍尔效应的强弱.由于金属导体内的载流子浓度大于半导体内的载流子浓度，所以，半导体霍尔系数大于导体。3．霍尔系数及灵敏度dRKHHIBKUHH则IBKIBdRnedIBUHHH1霍尔电势则2）霍耳灵敏度令通过以上分析，可以看出:1)霍尔电压UH与材料的性质有关。根据式(6-2-8)，材料的ρ、μ大，RH就大。金属的μ虽然很大，但ρ很小，故不宜做成元件。在半导体材料中，由于电子的迁移率比空穴的大，且μnμp，所以霍尔元件一般采用N型半导体材料。2)霍尔电压UH与元件的尺寸有关。根据式(6-2-7)，d愈小，KH愈大，霍尔灵敏度愈高，所以霍尔元件的厚度都比较薄，但d太小，会使元件的输入、输出电阻增加。从式(6-2-4)中可见，元件的长度比l/b对UH也有影响。前面的公式推导，都是以半导体内各处载流子作平行直线运动为前提的。这种情况只有在l/b很大时，即控制电极对霍尔电极无影响时才成立，但实际上这是做不到的。由于控制电极对内部产生的霍尔电压有局部短路作用在两控制电极的中间处测得的霍尔电压最大，离控制电极很近的地方，霍尔电压下降到接近于零。为了减少短路影响l/b要大一些，一般l/b=2。但如果l/b过大，反而使输入功耗增加降低元件的输出。霍尔电压UH与控制电流及磁场强度有关。根据式正比于及。当控制电流恒定时愈大愈大。当磁场改变方向时，也改变方向。同样，当霍尔灵敏度及磁感应强度恒定时，增加控制电流，也可以提高霍尔电压的输出。在实际应用中，总是希望获得较大的霍尔电压。增加控制电流虽然能提高霍尔电压输出，但控制电流太大，元件的功耗也增加，从而导致元件的温度升高，甚至可能烧毁元件。设霍尔元件的输入电阻为Ri，当输入控制电流I时，元件的功耗Pi为(6-2-9)式中，ρ为霍尔元件的电阻率。设霍尔元件允许的最大温升为ΔT，相应的最大允许控制电流为Icm时，在单位时间内通过霍尔元件表面逸散的热量应等于霍尔元件的最大功耗，即(6-2-10)式中，A为散热系数W/(m2C)。上式中的2lb表示霍尔片的上、下表面积之和，式中忽略了通过侧面积逸散的热量。二、霍尔元件的主要技术参数1．额定功耗P0霍尔元件在环境温度T＝25℃时，允许通过霍尔元件的控制电流I和工作电压V的乘积即为额定功耗。一般可分为最小、典型、最大三档，单位为mw。当供给霍尔元件的电压确定后，根据额定功耗可以知道额定控制电流I。有些产品提供额定控制电流和电压，不给出额定功耗。如前所述，霍尔电压UH正比于控制电流和磁感应强度。在实际应用中，总是希望获得较大的霍尔电压。增加控制电流虽然能提高霍尔电压输出，但控制电流太大，元件的功耗也增加，从而导致元件的温度升高，甚至可能烧毁元件。设霍尔元件的输入电阻为Ri，当输入控制电流I时，元件的功耗Pi为式中，ρ为霍尔元件的电阻率。设霍尔元件允许的最大温升为ΔT，相应的最大允许控制电流为Icm时，在单位时间内通过霍尔元件表面逸散的热量应等于霍尔元件的最大功耗，即式中，A为散热系数W/(m2C)。上式中的2lb表示霍尔片的上、下表面积之和，式中忽略了通过侧面积逸散的热量。bdlIRIPi22TAlbbdlIPcmm22这样，由上式便可得出通过霍尔元件的最大允许控制电流为将上式及RH=μρ代入式(6-2-6)，得到霍尔元件在最大允许温升下的最大开路霍尔电压，即：式说明，在同样磁场强度、相同尺寸和相等功耗下，不同材料元件输出霍尔电压仅仅取决于，即材料本身的性质。根据式(6-2-12)，选择霍尔元件的材料时，为了提高霍尔灵敏度，要求材料的RH和μρ1/2尽可能地大。/2TAdbIcmdTAbBUHm/2212．输入电阻Ri和输出电阻R0Ri是指流过控制电流的电极（简称控制电极）间的电阻值，R0是指霍尔元件的霍尔电势输出电极（简称霍尔电极）间的电阻，单位为Ω。可以在无磁场即B＝0时，用欧姆表等测量。3．不平衡电势U0在额定控制电流I之下，不加磁场时，霍尔电极间的空载霍尔电势称为不平衡(不等)电势，单位为mV。不平衡电势和额定控制电流I之比为不平衡电阻r0。4．霍尔电势温度系数α在一定的磁感应强度和控制电流下，温度变化1℃时，霍尔电势变化的百分率称为霍尔电势温度系数α，单位为1／℃。霍尔元件的结构与其制造工艺有关。体型霍尔元件是将半导体单晶材料定向切片，经研磨抛光，然后用蒸发合金法或其它方法制作欧姆接触电极，最后焊上引线并封装。薄膜霍尔元件则是在一片极薄的基片上用蒸发或外延的方法做成霍尔片，然后再制作欧姆接触电极，焊引线最后封装。相对来说，薄膜霍尔元件的厚度比体型霍尔元件小一、二个数量级，可以与放大电路一起集成在一块很小的晶片上，便于微型化。5．内阻温度系数β霍尔元件在无磁场及工作温度范围内，温度每变化1℃时，输入电阻只Ri与输出电阻R0变化的百分率称为内阻温度系数β，单位为1／℃。一般取不同温度时的平均值。6．灵敏度KH其定义向前述。有时某些产品给出无负载时灵敏度（在某一控制电流和一定强度磁场中、霍尔电极间开路时元件的灵敏度）。三、霍尔元件连接方式和输出电路1．基本测量电路控制电流I由电源E供给，电位器W调节控制电流I的大小。霍尔元件输出接负载电阻RL，RL可以是放大器的输入电阻或测量仪表的内阻。由于霍尔元件必须在磁场与控制电流作用下，才会产生霍尔电势UH，所以在测量中，可以把I与B的乘积、或者I，或者B作为输入信号，则霍尔元件的输出电势分别正比于IB或I或B。2．连接方式为了获得较大的霍尔输出电势，可以采用几片叠加的连接方式。下图(a)为直流供电，控制电流端并联输出串联。下图(b)为交流供电，控制电流端串联变压器叠加输出。3．霍尔电势的输出电路霍尔器件是一种四端器件，本身不带放大器。霍尔电势一般在毫伏量级，实际使用中必须加差分放大器。霍尔元件大体分为线性测量和开关状态两种使用方式，因此，输出电路有如右图所示两种结构。当霍尔元件作线性测量时，最好选用灵敏度低一点、不平衡电势U0小、稳定性和线性度优良的霍尔元件。例如，选用KH＝5mV/mA·kGs，控制电流为5mA的霍尔元件作线性测量元件测量1Gs～10kGs的磁场，则霍尔器件最低输出电势UH为UH＝5mV/mA·kGs×5mA×10-3kGs＝25μV最大输出电势为UH＝5mV/mA·kGs×5mA×10kGs＝250mV故要选择低噪声、低漂移的放大器作为前级放大。当霍尔元件作开关使用时，要选择灵敏度高的霍尔器件。例如，KH＝20mV/mA·kGs，如果控制电流为2mA，施加一个300Gs的磁场，则输出霍尔电势为UH＝20mV/mA·kGs×2mA×300Gs＝120mV这时选用一般的放大器即可满足。四、霍尔元件的测量误差和补偿方法霍尔元件在实际应用时,存在多种因素影响其测量精度,造成测量误差的主要因素有两类：一类是半导体固有特性；另一类为半导体制造工艺的缺陷。其表现为零位误差和温度引起的误差。1．零位误差及补偿方法零位误差：是霍尔元件在加控制电流或不加外磁场时，而出现的霍尔电势称为零位误差。1）不平衡电势不平衡电势U0是主要的零位误差。因为在工艺上难以保证霍尔元件两侧的电极焊接在同一等电位面上。如下图(a)所示。当控制电流I流过时，即使末加外磁场，A、B两电极此时仍存在电位差，此电位差被称为不等位电势（不平衡电势）U0。通常可以通过桥路平衡的原理加以补偿。下图给出几种常用的补偿方法。为了消除不等位电势，如下图(a)所示：可在阻值较大的桥臂上并联电阻，如下图(b)、(c)所示：在两个桥臂上同时并联的电阻。2.寄生直流电压在无磁场的情况下，元件通入交流电流，输出端除交流不等位电压以外的直流分量称为寄生直流电压。产生寄生直流电压的原因不致上的两个方面：1)由于控制极焊接处欧姆接触不良而造成一种整流效应，使控制电流因正、反向电流大小不等而具有一定的直流分量。2)输出极焊点热容量不相等产生温差电动势。对于锗霍尔元件，当交流控制电流为20mA时，输出极的寄生直流电压小于100μV。制做和封装霍尔元件时，发送电极欧姆接触性能和元件的散热条件，是减少寄生直流电压的有效措施。3.感应电动势在未通电流的情况下，由于脉动或交变磁场的作用，在输出端产生的电动势称为感应电动势。根据电磁感应定律，感应电动势的大小与霍尔元件输出电极引线构成的感应面积成正比。4.自激场零电压在无外加磁场的情况下，由控制电流所建立的磁场在一定条件下使霍尔元件产生的输出电压称为自激场零电压。感应电动势和自激场零电压都可以用改变霍尔元件输出和输入引线的布置方法加以改善。2．温度误差及其补偿由于载流子浓度等随温度变化而变化，因此会导致霍尔元件的内阻、霍尔电势等也随温度变化而变化。这种变化程度随不同半导体材料有所不同。而且温度高到一定程度，产生的变化相当大。温度误差是霍尔元件测量中不可忽视的误差。针对温度变化导致内阻(输入、输出电阻)的变化，可以采用对输入或输出电路的电阻进行补偿。(1)利用输出回路并联电阻进行补偿在输入控制电流恒定的情况下，如果输出电阻随温度增加而增大，霍尔电势增加；若在输出端并联一个补偿电阻RL，则通过霍尔元件输出电阻输出电阻（内阻）R0的电流增大，内阻压降亦增大增大，输出电压将会减小。只要适当选据补偿电阻RL，就可达到补偿的目的。在温度影响下，元件的输出电阻从Rt0变到Rt，输出电阻Rt和电势UHt应为Rt＝Rt0(1+βt)；UHt＝UHt0(1+αt)式中β、α为霍尔元件的输出电势UHt和输出电阻Rt的温度系数。此时RL上的电压则为LtLHtLtRtRtRUU)1()1(00补偿电阻RL上电压随温度变化最小的条件为00tLLtRRdtdU因此当知道霍尔元件的β、α及Rt0时，便可以计算出能实现温度补偿的电阻RL的值。因该指出，这种补偿方法，不能完