霍爾式傳感器

5.5霍爾傳感器

霍爾傳感器是利用半導體材料的霍爾效應進行測量的一種傳感器。它可以直接測量磁場及微位移量，也可以間接測量液位、壓力、轉速等工業(yè)生產過程參數(shù)。目前霍爾傳感器已從分立元件開展到了集成電路的階段，正越來越受到人們的重視，應用日益廣泛。1.霍爾效應

霍爾效應：半導體薄片置于磁場中，當有電流流過時，在垂直于電流和磁場的方向上將產生電動勢，這種現(xiàn)象稱為霍爾效應。霍爾效應的實質霍爾效應是電磁學一種重要的電磁感應現(xiàn)象.產生霍爾效應的微觀原因是洛侖茲力的作用，載流子在磁場中作定向運動，將受到洛侖茲力的作用，分布產生一定的偏離，其結果在宏觀上感應出電動勢。

如下圖，在均勻強磁場B中放一導電板，設導電板與B的方向垂直，板的寬度為b，厚度為d，在導電板中沿著與磁場B垂直的方向通以電流I．設載流子的定向速度為v，那么可認為載流子線流元在磁場中運動，切割了磁感線，在線流元內將產生感應電動勢．

磁場力

Q----電子的電荷量〔1.602X10-19C〕V----半導體的電子運動速度B----外磁場的磁感應強度電場力

為靜電場的電場強度磁場力

平衡時，

所以

材料中電子在電場作用下運動速度的大小常用載流子遷移率來表征；載流子遷移率，是指在單位電場強度作用下，載流子的平均速度值。載流子遷移率用符號μ表示，μ=v/EI。其中EI是A、B兩端面之間的電場強度。它是由外加電壓U產生的，即EI＝U/L。因此我們可以把電子運動速度表示為v=μU/l?；魻栯妱?/p>

控制電流

——N型半導體載流子濃度所以

霍爾靈敏度

對N型半導體：對P型半導體：它的單位是mV/(mA·T)霍爾元件靈敏度KH是在單位磁感應強度和單位鼓勵電流作用下，霍爾元件輸出的霍爾電壓值，它不僅決定于載流體材料，而且取決于它的幾何尺寸通過以上分析，可以看出:1)霍爾電壓UH與材料的性質有關。根據(jù)式，材料的ρ、μ大，RH就大。金屬的μ雖然很大，但ρ很小，故不宜做成元件。在半導體材料中，由于電子的遷移率比空穴的大，且μn>μp，所以霍爾元件一般采用N型半導體材料。載流體的電阻率-----ρ載流子遷移率--------μ2)霍爾電壓UH與元件的尺寸有關。根據(jù)式，d愈小，KH愈大，霍爾靈敏度愈高，所以霍爾元件的厚度都比較薄，但d太小，會使元件的輸入、輸出電阻增加。

從式中可見，元件的長度比l/b對UH也有影響。由于控制電極對內部產生的霍爾電壓有局部短路作用，在兩控制電極的中間處測得的霍爾電壓最大，離控制電極很近的地方，霍爾電壓下降到接近于零。為了減少短路影響l/b要大一些，一般l/b=2。但如果l/b過大，反而使輸入功耗增加降低元件的輸出?；魻栯妷篣H與控制電流及磁場強度有關。當控制電流恒定時B愈大UH愈大。當磁場改變方向時，UH也改變方向。同樣，當霍爾靈敏度及磁感應強度恒定時，增加控制電流，也可以提高霍爾電壓的輸出。

霍爾電勢表達式

2.霍爾傳感器的組成與根本特性一.霍爾元件1〕、材料——多用N型半導體2〕、結構和符號霍爾片——半導體薄片〔因為d小，KH大，l/b=2時KH最大〕引線——鼓勵電極〔短邊端面〕引線11′、霍爾電極〔長邊端面〕引線22′。封裝外殼——陶瓷或環(huán)氧樹脂目前最常用的霍爾元件材料是鍺〔Ge〕、硅〔Si〕、銻化銦〔InSb〕、砷化銦〔InAs〕等半導體材料。其中N型鍺容易加工制造，其霍爾系數(shù)、溫度性能和線性度都較好。N型硅的線性度最好，其霍爾系數(shù)、溫度性能同N型鍺，但其電子遷移率比較低，帶負載能力較差，通常不用作單個霍爾元件。二、電路局部1、根本電路2、霍爾元件的輸出電路線性應用圖5-5-4a)開關應用圖5-5-4b)它由霍爾元件、差分放大器組成。其輸出電壓和加在霍爾元件上的磁感強度B成比例，這類電路有很高的靈敏度和優(yōu)良的線性度，適用于各種磁場檢測?；魻柧€性電路的性能參數(shù)見下表。

霍爾線性電路霍爾開關電路又稱霍爾數(shù)字電路，由穩(wěn)壓器、霍爾片、差分放大器，斯密特觸發(fā)器和輸出級組成。在外磁場的作用下，當磁感應強度超過導通閾值BOP時，霍爾電路輸出管導通，輸出低電平。之后，B再增加，仍保持導通態(tài)。假設外加磁場的B值降低到BRP時，輸出管截止，輸出高電平。我們稱BOP為工作點，BRP為釋放點，BOP－BRP=BH稱為回差。回差的存在使開關電路的抗干擾能力增強。圖4(a)表示集電極開路(OC)輸出，(b)表示雙輸出。它們的輸出特性見圖5，圖5(a)表示普通霍爾開關，(b)表示鎖定型霍爾開關的輸出特性霍爾開關電路(a)單OC輸出(b)雙OC輸出(a)開關型輸出特性(b)鎖定型輸出特性

鎖定型霍爾開關電路的特點是：當外加場B正向增加，到達BOP時，電路導通，之后無論B增加或減小，甚至將B除去，電路都保持導通態(tài)，只有到達負向的BRP時，才改變?yōu)榻刂範顟B(tài)，因而稱為鎖定型。輸出疊加連接方式直流供電交流供電三.磁路局部圖5-5-6――產生梯度磁場圖5－5－6霍爾式位移傳感器原理示意圖霍爾片沿x方向移動時，假設控制電流I保持不變，那么霍爾電勢為：四、根本特性1、霍爾傳感器的靈敏度和線性度主要取決于磁路系統(tǒng)和霍爾元件的特性。2、提高磁場的磁感應強度B和增大鼓勵電流I，也可獲得較大的霍爾電勢。但I的增大受到元件發(fā)熱的限制。3、霍爾傳感器動態(tài)性能好。3霍爾傳感器的應用

一、利用與I的關系可用于直接測量電流和能轉換為電流的其它物理量二、利用與B的關系可用于測量磁場及可轉換為磁場的其它物理量

實例――霍爾式鉗形電流表圖５-５-７KB為電磁轉換靈敏度K為電流表靈敏度圖５-５-７靈敏度改變方法1．改變控制電流I2．增加環(huán)形鐵心上的周數(shù)——改變KB因為所以

〔增加周數(shù)可使靈敏度增加n倍〕三、利用與IB的關系可進行乘法運算或功率測量霍爾功率變換器圖5-5-8式中：為負載電流電壓的有效值濾去二次頻交流分量后，4測量誤差及補償方法一．不等位電壓及其補償①不等位電壓U0——B=0時的空載霍爾電勢②產生原因：1°兩個霍爾電極不在同一等位面上2°霍爾元件電阻率不均勻3°霍爾元件厚度不均勻因為不成立，所以③補償方法圖5-5-10其中〔c〕方案最好二．溫度誤差及其補償溫度誤差產生原因:霍爾靈敏度KH、霍爾元件內阻r隨溫度變化，故UH隨溫度改變?；魻栐砂雽w材料制成，一般半導體材料的電阻率、遷移率和載流子濃度等都隨溫度而變化。因此它的性能參數(shù)如輸入和輸出電阻、霍爾常數(shù)等也隨溫度而變化，致使霍爾電勢變化，產生溫度誤差。為了減小溫度誤差，除選用溫度系數(shù)較小的材料如砷化銦外，還可以采用適當?shù)难a償電路?！?〕采用恒流源供電和輸入回路并聯(lián)電阻圖5-5-11恒流源溫度補償電路元件的靈敏度系數(shù)kH是溫度的函數(shù)，因此采用恒流源后仍有溫度誤差。為了進一步提高UH的溫度穩(wěn)定性，對于具有正溫度系數(shù)的霍爾元件，可在其輸入回路中并聯(lián)一電阻R。設：其中α為霍爾元件靈敏度溫度系數(shù)；β為元件的電阻溫度系數(shù)。

一般α＜＜β，故有〔2〕采用恒壓源和輸入回路串聯(lián)電阻當霍爾元件采用穩(wěn)壓電源供電，且霍爾輸出開路狀態(tài)下工作時，可在輸入回路中串入適當?shù)碾娮鑱硌a償溫度誤差。其分析過程與結果同式〔3〕合理選取負載電阻RL的阻值霍爾元件的輸出電阻Ro和霍爾電勢UH都是溫度的函數(shù)〔設為正溫度系數(shù)〕，當霍爾元件接有負載RL〔如放大器的輸入電阻〕時，在RL上的電壓為為使UL不隨溫度變化，應使UL對的導數(shù)為0，令求解上式可得(4)采用溫度補償元件

1°補償負溫度系數(shù)霍爾輸出，即

圖〔a〕，補償了圖〔b〕圖〔c〕，補償了

2°補償正溫度系數(shù)霍爾輸出，即圖〔d〕

補償了霍爾元件因通入控制電流I而有溫升，且I變動，溫升改變，都會影響元件的內阻和霍爾輸出。為使溫升不超過所需值，必須對霍爾元件的額定控制電流加以限制，尤其在安裝元件時要盡量做到散熱情況良好，只要有可能應選用面積大些的元件，以降低其溫升。假設將硅霍爾元件與放大電路、溫度補償電路等集成在一起制成集成霍爾傳感器，那么具有性能優(yōu)良、使用方便、體積小、本錢低、輸出功率大和輸出電壓高等優(yōu)點，是應用最為廣泛的集成傳感器之一。汽車上的霍爾器件在現(xiàn)實生活中霍爾效應有很多的應用，與我們日常生活關系越來越密切的汽車上就應用了很多霍爾器件霍爾器件是根據(jù)霍爾效應做成的，就是以磁場為工作媒體，將物體的運動參量轉變?yōu)閿?shù)字電壓的形式輸出，使之具備傳感和開關的功能。汽車上廣泛應用的霍爾器件有：ABS系統(tǒng)中的速度傳感器汽車速度表和里程表液體物理量檢測器各種用電負載的電流檢測及工作狀態(tài)診斷發(fā)動機轉速及曲軸角度傳感器各種開關等等“ABS〞中文譯為“防鎖死剎車系統(tǒng)〞.它是一種具有防滑、防鎖死等優(yōu)點的汽車平安控制系統(tǒng)。ABS是常規(guī)剎車裝置根底上的改進型技術，可分機械式和電子式兩種。

現(xiàn)代汽車上大量安裝防抱死制動系統(tǒng)，ABS既有普通制動系統(tǒng)的制動功能，又能防止車輪鎖死，使汽車在制動狀態(tài)下仍能轉向，保證汽車的制動方向穩(wěn)定性，防止產生側滑和跑偏，是目前汽車上最先進、制動效果最正確的制動裝置。用于ABS系統(tǒng)的速度傳感器主要有電磁式和霍爾式兩種

轉速傳感器的功用是檢測車輪的速度，并將速度信號輸入ABS的電控單元。以下圖所示為轉速傳感器在車輪上的安裝位置?！?〕電磁式轉速傳感器結構

它由永磁體2、極軸5和感應線圈4等組成,極軸頭部結構有鑿式和柱式兩種。齒圈6旋轉時，齒頂和齒隙交替對向極軸。在齒圈旋轉過程中，感應線圈內部的磁通量交替變化從而產生感應電動勢，此信號通過感應線圈末端的電纜1輸入ABS的電控單元。當齒圈的轉速發(fā)生變化時，感應電動勢的頻率也變化。ABS電控單元通過檢測感應電動勢的頻率來檢測車輪轉速。

電磁式輪速傳感器結構簡單、本錢低，但存在下述缺點：一是其輸出信號的幅值隨轉速的變化而變化。假設車速過慢，其輸出信號低于1V，電控單元就無法檢測；二是響應頻率不高。當轉速過高時，傳感器的頻率響應跟不上；三是抗電磁波干擾能力差。目前，國內外ABS系統(tǒng)的控制速度范圍一般為15～160km/h，今后要求控制速度范圍擴大到8～260km/h以至更大，顯然電磁感應式輪速傳感器很難適應。

〔2〕霍爾輪速傳感器霍爾輪速傳感器也是由傳感頭和齒圈組成。傳感頭由永磁體，霍爾元件和電子電路等組成，永磁體的磁力線穿過霍爾元件通向齒輪，如以下圖所示。

當齒輪位于圖中(a)所示位置時，穿過霍爾元件的磁力線分散，磁場相對較弱；而當齒輪位于圖中(b)所示位置時，穿過