搜索
霍尔传感元器件及其应用1引言..............................................................................................................................................22霍尔效应和霍尔器件..................................................................................................................22.1霍尔效应...........................................................................................................................22.2霍尔器件...........................................................................................................................32.2.1霍尔元件................................................................................................................42.2.2霍尔电路................................................................................................................53霍尔器件的应用...........................................................................................................................83.1应用的一般问题...............................................................................................................83.1.1测量磁场.................................................................................................................83.1.2工作磁体的设置.....................................................................................................93.1.3与外电路的接口..................................................................................................103.2应用实例.........................................................................................................................113.2.1检测磁场................................................................................................................113.2.2检测铁磁物体......................................................................................................123.2.3用在直流无刷电机中..........................................................................................133.2.4无损探伤..............................................................................................................153.2.5磁记录信息读出..................................................................................................153.2.6霍尔接近传感器和接近开关...............................................................................163.2.8霍尔齿轮传感器..................................................................................................183.2.9旋转传感器...........................................................................................................193.2.10霍尔位移传感器................................................................................................213.2.11实现电－磁－电的转换......................................................................................253.2.14霍尔隔离放大器..................................................................................................373.2.15用作电磁隔离耦合器..........................................................................................374.结束语..........................................................................................................................................381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。（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）。(1)或(2)或(3)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昀大功率。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——元件能承受的昀大功耗。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).（a）霍尔效应和霍尔元件（b）InSb霍尔元件的输出特性(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霍尔电路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。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。图2霍尔线性电路的功能框图图3霍尔线性电路UGN3501的磁电转换特性曲线型号Vcc/V线性范围/mT工作温度/℃灵敏度S/mV/mT静态输出电压Vo/VmintypmaxmintypmaxUGN35018～12±100－20～＋853.57.0－2.53.65.0UGN35034.5～6±90－20～＋857.513.530.02.252.52.75Icc/mA引脚排列型号IOUT/mARo/kΩtypmax乘积灵敏度V/A·0.1T输出形式1234外形结构UGN35014.00.11020－射极输出VCC