常用传感器工作原理(霍尔式)

第3章常用传感器的工作原理23.9霍尔式传感器霍尔传感器是利用半导体材料的霍尔效应进行测量的一种磁敏式传感器，一般由锗、硅、锑化铟、砷化铟等半导体材料制成。它可以直接测量磁场及微位移量，已经广泛应用于电磁、压力、加速度、振动等的测量领域。目前霍尔传感器已从分立元件发展到了集成电路的阶段，正越来越受到人们的重视，应用日益广泛。3§1霍尔效应在与磁场垂直的N型半导体薄片上通以电流I，由于N型半导体的载流子为电子，因此电子将沿与电流相反的方向运动。由于洛仑磁力的作用，电子发生偏转，一侧形成电子累积，另一侧形成正电荷累积，于是元件的横向便形成了电场。该电场阻止电子继续向侧面偏移，当电子所受电场力与洛仑兹力相等时，电子的累积达到动态平衡。这时在两端横面之间建立的电场称为霍尔电场，相应的电势称为霍尔电势EfLfHEHUN型半导体薄片0LfqvB00HEHUfqEqbh4电子所受洛仑磁力为：同时霍尔电场作用于电子的力：当两者达到动态平衡时，(N型)0HUIBnqh0LfqvB00HEHUfqEqbLEff00HUqvBqb设激励电流I在霍尔片（N型半导体片）内均匀分布，根据电流的概念可得：0Inqvbh0vInqbhn—N型半导体中的电子浓度HUbvB5设称为霍尔系数（N型），反映霍尔效应的强弱，则：01HRnqHHIBURh0HUIBnqh对于P型半导体材料，01HRpqp—P型半导体中的空穴浓度设为霍尔片的灵敏度系数（N型），则HHRKhHHUKIB1）由于金属的电子浓度很高，所以它的霍尔系数或灵敏度都很小，因此不适宜制作霍尔元件；对绝缘材料，虽然电阻率很大，但迁移率很小，也不宜作霍尔元件。因此霍尔元件都是由半导体材料制成的。一般电子（N型）迁移率大于空穴迁移率（P型），因而霍尔元件多用N型半导体材料。n2）元件的厚度越小，灵敏度越高，因而制作霍尔片时可采取减小的方法来增加灵敏度，但是不能认为越小越好，因为这会导致元件的输入和输出电阻增加。hhh62）霍尔元件的应用根据霍尔输出与控制电流和磁感应强度的乘积成正比的关系可知，霍尔元件主要用在下述三个方面：1）保持元件的控制电流恒定，则元件的输出正比于磁感应强度。因此，可以测定恒定和交变磁感应强度，如高斯计；同时凡是能转化为磁感应强度变化的量都能进行测量，如位移、角度、转速和加速度等。2）保持元件感受的磁感应强度不变时，则元件的输出正比于控制电流。因此，主要的应用有交、直流的电流表、电压表等；同时凡能转换为电流变化的量，均能进行测量。3）当元件的控制电流和磁感应强度均变化时，元件输出与两者乘积成正比。因此，它可用于乘法、功率等的测量，如乘法计、功率计等。HHUBKI7霍尔元件的组成：由霍尔片、四根引线和壳体组成，如下图示。霍尔元件是一种四端元件3）霍尔元件型号命名方法：8霍尔片是一块矩形半导体薄片。控制电流端引线（激励电极）霍尔电势输出端引线（霍尔电极）基本电路形式HHUKIB91）零位误差及其补偿4）霍尔传感器测量误差补偿常见的产生误差的因素有：半导体本身固有的特性、半导体制造工艺水平、环境温度变化、霍尔传感器的安装是否合理等，测量误差一般表现为零位误差和温度误差。当霍尔元件的激励电流I不为零时，若所处位置的磁感应强度B为零，则霍尔电势仍应为零，但实际中若不为零，则此时空载的霍尔电势称为零位误差。它一般由以下两种电势组成。10不等位电势是产生零位误差的主要因素。a）不等位电势0U霍尔电极安装位置不对称或不在同一电位面半导体材料不均匀引起电阻率的不均匀或霍尔片几何尺寸不均匀激励电极接触不良而造成激励电流I的不均匀分布等等11b）寄生直流电势及其补偿元件的两对电极与半导体片不是完全欧姆接触，而形成整流效应两个霍尔电极的焊点大小不等、热容量不同引起温差效应所产生的当霍尔元件控制电极上通以交流控制电流而不加外磁场时，霍尔输出除了交流不等位电势外，还有一直流分量，称为寄生直流电势。从而导致了控制电流存在直流分量，通过不等位电极反映成霍尔电极上的直流寄生电势。寄生直流电势很容易导致输出漂移。因此在元件制作和安装时，应尽量使电极欧姆接触，并做到均匀散热，有良好的散热条件。12c）零位电势补偿电路同时，除了工艺上采取措施，尽量使霍尔电极对称来降低零位电势，还需采用补偿电路加以补偿。霍尔元件可等效为一个四臂电桥，如图。因此可在某一桥臂上并联上一定电阻而将降到最小，甚至为0。0U寄生直流电势很容易导致输出漂移。因此在元件制作和安装时，应尽量使电极欧姆接触，并做到均匀散热，有良好的散热条件。13下面给出了几种常用的不等位电势的补偿电路，其中，不对称补偿简单，对称补偿温度稳定性好。142）温度误差及补偿由于半导体材料的电阻率、迁移率和载流子浓度都随温度而变化，用此材料制成的霍尔元件的性能参数（如内阻、霍尔电势等）必然随温度变化，致使霍尔电势变化，产生温度误差。为了减小温度误差，除选用温度系数较小的材料如砷化铟外，还可以采取一些恒温措施，或采用恒流源或恒压源配合补偿电阻供电，这样可以减小元件内阻随温度变化而引起的控制电流的变化。15RRIHIra）恒流源供电和输入回路并联电阻00HRIII0000HRIrIR0T0000HRIIRr当温度上升为时，TBIKUHHH0000(1)HTHHTHHTUKIBKTIB000(1)(1)(1)THTTTRTRIIIRrrTRT设在某基准温度时，有设补偿后，输出电势不随温度变化，则应满足条件0HHTUU将等式整理化简后，得到在时，有Cto10000()rR值很小00Rr16b）恒压源供电和输入回路串联联电阻000HEIRr00(1)(1)HTTTEEIRrRTrT000(1)(1)(1)HTHTHTHEBUKIBKTRTrT0HTdUdT令00Rr有175）霍尔元件测量电路为了获得较大的霍尔输出，可采用输出叠加的连接方式图(a)为直流供电情况，图(b)为交流供电情况。基本测量电路18实用测量电路霍尔元件的输出霍尔电势较小，一般在毫伏级，因此在利用霍尔元件制作霍尔传感器时，必须在霍尔元件的输出端接入放大测量电路。目前霍尔传感器都已集成化，即把霍尔元件、放大器、温度补偿电路及稳压电源或恒流电源等集成在一个芯片上，由于其外形与集成电路相同，故又称霍尔集成电路。此时，根据输出信号的形式，可以分为开关型霍尔传感器和线性霍尔传感器两种类型。19（1）线性型霍尔集成传感器线性型霍尔集成传感器是将霍尔元件和恒流源，线性放大器等做在同一芯片上，输出电压较高，使用非常方便。例如：UGN3501M是具有双端差动输出特性的线性霍尔器件，UGN3501M的外形、内部电路框图20（2）开关型霍尔集成传感器开关型霍尔集成传感器是将霍尔元件、稳压电路、放大器、施密特触发器、OC门等电路做在同一芯片上。例：开关型霍尔集成电路UGN3019，其外型与内部电路框图如图216）霍尔传感器的应用霍尔元件及霍尔传感器的应用十分广泛。在测量领域，可用于测量磁场、电流、位移、压力、振动、转速等；在通信领域，可用于放大器、振荡器、相敏检波、混频、分频以及微波功率测量等；在自动化技术领域，可用于无刷直流电机、速度传感、位置传感、自动记数、接近开关、霍尔自整角机构成的伺服系统和自动电力拖动系统等。22（1）简易高斯计霍尔元件及传感器广泛用于磁场测量。图为一个简易高斯计电路，它直接采用线性型霍尔传感器UGN-3501M。23（2）计数装置下图是一个应用霍尔传感器对钢球进行计数的装置及电路。24（3）霍尔接近开关利用开关型霍尔集成电路制作的接近开关具有结构简单、抗干扰能力强的特点，如图所示。25（4）霍尔转速表霍尔转速表如图所示。26（5）角位移测量仪角位移测量仪其结构如图所示。27（6）汽车霍尔点火器图是霍尔电子点火器结构示意图。28（7）纱线定长和自停装置图1所示为利用霍尔开关的纱线定长和自停装置的电路图。图中霍尔元件H1和H2分别作为断线和定长的检测元件。它们的实际安装位置如图2中所示。该装置同样适用于毛线、制线、化纤、丝线等线状生产机械的定长或断头自停装置。29作业有一霍尔元件，其灵敏度为KH＝1.2mV/mA.kGs把它放在一个梯度（dB/dx）为5kGs/mm的磁场中，如果额定控制电流是20mA，设霍尔元件在平衡点附近作摆动，问输出电压可达多少毫伏？0.01mm