霍爾式壓力傳感器(共6頁)

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上霍爾式傳感器霍爾式傳感器是基于霍爾效應(yīng)原理而將被測量，如電流、磁場、位移、壓力、壓差、轉(zhuǎn)速等轉(zhuǎn)換成電動勢輸出的一種傳感器。雖然它的轉(zhuǎn)換率較低，溫度影響大，要求轉(zhuǎn)換精度較高時(shí)必須進(jìn)行溫度補(bǔ)償，但霍爾式傳感器結(jié)構(gòu)簡單，體積小，堅(jiān)固，頻率響應(yīng)寬（從直流到微波），動態(tài)范圍（輸出電動勢的變化）大，無觸點(diǎn)，使用壽命長，可靠性高，易于微型化和集成電路化，因此在測量技術(shù)、自動化技術(shù)和信息處理等方面得到廣泛的應(yīng)用。一、工作原理與特性（一）霍爾效應(yīng)金屬或半導(dǎo)體薄片置于磁場中，當(dāng)有電流流過時(shí)，在垂直于電流和磁場的方向上將產(chǎn)生電動勢，這種物理現(xiàn)象稱為霍爾效應(yīng)。假設(shè)薄片為N型半導(dǎo)體，磁感應(yīng)強(qiáng)度

2、為B的磁場方向垂直于薄片，如圖6所示，在薄片左右兩端通以電流I (稱為控制電流)，那么半導(dǎo)體中的載流子(電子)將沿著與電流I的相反方向運(yùn)動。由于外磁場B的作用，使電子受到圖6 霍爾效應(yīng)原理圖磁場力FL(洛侖茲力)而發(fā)生偏轉(zhuǎn)，結(jié)果在半導(dǎo)體的后端面上電子有所積累而帶負(fù)電，前端面則因缺少電子而帶正電，在前后端面間形成電場。該電場產(chǎn)生的電場力FE阻止電子繼續(xù)偏轉(zhuǎn)。當(dāng)FE與FL相等時(shí)，電子積累達(dá)到動態(tài)平衡。這時(shí)，在半導(dǎo)體前后兩端面之間(即垂直于電流和磁場的方向)建立電場，稱為霍爾電場EH，相應(yīng)的電勢就稱為霍爾電勢UH。若電子都以均一的速度v按圖示方向運(yùn)動，那么在B的作用下所受的力FLevB，其中e為電子

3、電荷量，e1.602×10-19C。同時(shí)，電場EH作用于電子的力FH-eEH，式中的負(fù)號表示力的方向與電場方向相反。設(shè)薄片長、寬、厚分別為l、b、d，則FH-eUH/b。當(dāng)電子積累達(dá)到動態(tài)平衡時(shí)FLFH0，即vBUH/b。而電流密度j=-nev，n為N型半導(dǎo)體中的電子濃度，即單位體積中的電子數(shù)，負(fù)號表示電子運(yùn)動速度的方向與電流方向相反。所以I=jbd=-nevbd，即v=-I/(nebd) 。將v代入上述力平衡式，則得(5-2)式中 RH��霍爾系數(shù)，RH-1/ne（m3·C-1），由載流材料物理性質(zhì)所決定；kH��靈

4、敏度系數(shù)，kHRH/d（V·A-1·T-1），它與載流材料的物理性質(zhì)和幾何尺寸有關(guān)，表示在單位磁感應(yīng)強(qiáng)度和單位控制電流時(shí)的霍爾電勢的大小。如果磁場和薄片法線有角，那么（5-3）具有上述霍爾效應(yīng)的元件稱為霍爾元件。霍爾式傳感器就是由霍爾元件所組成。金屬材料中自由電子濃度n很高，因此RH很小，使輸出UH極小，不宜作霍爾元件。如果是P型半導(dǎo)體，載流子是空穴，若空穴濃度為p，同理可得UHIB/ped。因RH（其中為材料電阻率；為載流子遷移率，=v/E，即單位電場強(qiáng)度作用下載流子的平均速度），一般電子遷移率大于空穴遷移率，因此霍爾元件多用N型半導(dǎo)體材料。霍爾元件越?。磀越小），kH

5、就越大，所以通常霍爾元件都較薄。薄膜霍爾元件厚度只有1m左右。（二）霍爾元件霍爾元件的外形如圖7a所示，它是由霍爾片、4根引線和殼體組成，如圖7b所示?；魻柶且粔K矩形半導(dǎo)體單晶薄片（一般為4×2×0.1mm3）， 在它的長度方向兩端面上焊有a、b兩根引線，稱為控制電流端引線，通常用紅色導(dǎo)線。其焊接處稱為控制電流極（或稱激勵電極），要求焊接處接觸電阻很小，并呈純電阻，即歐姆接觸（無PN結(jié)特性）。在薄片的另兩側(cè)端面的中間以點(diǎn)的形式對稱地焊有c、d兩根霍爾輸出引線，通常用綠色導(dǎo)線。其焊接處稱為霍爾電極，要求歐姆接觸，且電極寬度與基片長度之比要小于0.1，否則影響輸出。霍爾元件的

6、殼體是用非導(dǎo)磁金屬，陶瓷或環(huán)氧樹脂封裝。 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）和不同比例亞砷酸銦和磷酸銦組成的In（AsyP1-y）型固熔體（其中y表示百分比）等半導(dǎo)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(fù)載能力較差，通常不用作單個(gè)霍爾元件。銻化銦對溫度最敏感，尤其在低溫范圍內(nèi)溫度系數(shù)大，但在室溫時(shí)其霍爾系數(shù)較大。砷化銦的霍爾系數(shù)較小，溫度系數(shù)也較小，輸出特性線性度好。In（AsyP1-y）型固熔體的熱穩(wěn)定性最好。圖7c為霍爾元件符號，圖d

7、是它的基本電路。二、霍爾元件的誤差及其補(bǔ)償由于制造工藝問題以及實(shí)際使用時(shí)所存在的各種影響霍爾元件性能的因素，如元件安裝不合理、環(huán)境溫度變化等，都會影響霍爾元件的轉(zhuǎn)換精度，帶來誤差。（一）霍爾元件的零位誤差及其補(bǔ)償霍爾元件的零位誤差包括不等位電動勢、寄生直流電動勢等。1. 不等位電動勢U0及其補(bǔ)償 不等位電動勢是零位誤差中最主要的一種。當(dāng)霍爾元件在額定控制電流(元件在空氣中溫升10所對應(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勢，稱為不等位電動勢U0。U0產(chǎn)生的原因是由于制造工藝不可能保證將兩個(gè)霍爾電極對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，如圖8a所示。此外霍

8、爾片電阻率不均勻或片厚薄不均勻或控制a) 兩電極點(diǎn)不在同一等位面上 b) 等位面歪斜 電流極接觸不良都將使等位面歪斜（見圖8 b），致使兩霍爾電極不在同一等位面上而產(chǎn)生不等位電動勢。一般要求U0lmV。除了工藝上采取措施降低U0外, 還需采用補(bǔ)償電路加以補(bǔ)償。由于霍爾元件可等效為一個(gè)四臂電橋，如圖9a所示，因此可在某一橋臂上并上一定電阻而將U0降到最小，甚至為零。圖9b中給出了幾種常用的不等位電動勢的補(bǔ)償電路，其中不對稱補(bǔ)償圖9 霍爾元件等效電路和不等位電動勢補(bǔ)償電路a) 霍爾元件等效電路 b) 幾種不等位電動勢的補(bǔ)償電路簡單，而對稱補(bǔ)償溫度穩(wěn)定性好。 2寄生直流電動勢 當(dāng)霍爾元件通以交流控制

9、電流而不加外磁場時(shí)，霍爾輸出除了交流不等位電動勢外，還有直流電動勢分量，稱為寄生直流電動勢。該電動勢是由于元件的兩對電極不是完全歐姆接觸而形成整流效應(yīng)，以及兩個(gè)霍爾電極的焊點(diǎn)大小不等、熱容量不同引起溫差所產(chǎn)生的。它隨時(shí)間而變化，導(dǎo)致輸出漂移。因此在元件制作和安裝時(shí)，應(yīng)盡量使電極歐姆接觸，并做到散熱均勻，有良好的散熱條件。另外，霍爾電極和激勵電極的引線布置不合理，也會產(chǎn)生零位誤差，也需予以注意。（二）霍爾元件的溫度誤差及其補(bǔ)償一般半導(dǎo)體材料的電阻率、遷移率和載流子濃度等都隨溫度而變化?；魻栐砂雽?dǎo)體材料制成，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(chǎn)生溫度

10、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(dāng)?shù)难a(bǔ)償電路。下面簡單介紹幾種溫度誤差的補(bǔ)償方法。1. 采用恒流源供電和輸入回路并聯(lián)電阻 溫度變化引起霍爾元件輸入電阻變化，在穩(wěn)壓源供電時(shí)，使控制電流變化，帶來誤差。為了減小這種誤差，最好采用恒流源（穩(wěn)定度±0.1）提供控制電流。但元件的靈敏度系數(shù)kH也是溫度的函數(shù)，因此采用恒流源后仍有溫度誤差。為了進(jìn)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)電阻RP，如圖10所示。設(shè)溫度t0時(shí)，元件的靈敏度系數(shù)為kH0，輸入電阻為Ri0，而溫度上升到t時(shí)，它們分別為kHt、Rit。kHt=kH

11、01+(t- t0)，Rit= Ri01+(t- t0)，其中為霍爾元件靈敏度溫度系數(shù)；為元件的電阻溫度系數(shù)。由圖可知，I = IP +IH，IP RP =IH Ri，所以IH =RP I/(Ri + RP)。t0時(shí)IH0 =RP I/(Ri0 + RP)，t時(shí)IH t= RPI/(Rit+ RP)，因此IH t= RPI/Ri01+(t- t0)+ RP。為了使霍爾電勢不隨溫度而變化，必須保證t0和t時(shí)的霍爾電勢相等，即kH0IH0BkHtIHtB。將有關(guān)式代入，則可得 所以 (5-4)霍爾元件的Ri0、和值均可在產(chǎn)品說明書中查到。通常>>，所以式（5-4）可簡化為(5-5)根據(jù)

12、式（5-5）選擇輸入回路并聯(lián)電阻RP，可使溫度誤差減到極小而不影響霍爾元件的其它性能。實(shí)際上RP也隨溫度而變化，但因其溫度系數(shù)遠(yuǎn)比值小，故可以忽略不計(jì)。2合理選取負(fù)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(shè)為正溫度系數(shù)），當(dāng)霍爾元件接有負(fù)載RL（如放大器的輸入電阻）時(shí)，在RL上的電壓為式中 Ro0��溫度為t0時(shí)的霍爾元件輸出電阻。其它符號含義同上。為使負(fù)載上的電壓不隨溫度而變化，應(yīng)使dUL/d(t-t0)=0，即得(5-6)可采用串、并聯(lián)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降低。3采用恒壓源和輸入回路串聯(lián)電阻 當(dāng)

13、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(shí)，可在輸入回路中串入適當(dāng)?shù)碾娮鑱硌a(bǔ)償溫度誤差。其分析過程與結(jié)果同式（5-5）。4采用溫度補(bǔ)償元件（如熱敏電阻、電阻絲等） 這是一種常用的溫度誤差的補(bǔ)償方法，尤其適用于銻化銦材料的霍爾元件，圖11示出了幾種不同連接方式的例子。熱敏電阻Rt具有負(fù)溫度系數(shù)， 電阻絲具有正溫度系數(shù)。圖a、b、c中霍爾元件材料為銻化銦，其霍爾輸出具有負(fù)溫度系數(shù)。圖d為用Rt補(bǔ)償霍爾輸出具有正溫度系數(shù)的溫度誤差。使用時(shí)要求這些熱敏元件盡量靠近霍爾元件，使它們具有相同的溫度變化。 5霍爾元件不等位電動勢U0的溫度補(bǔ)償 U0受溫度的影響，可采用如圖12所示的橋路補(bǔ)償法。圖中

14、RP用來補(bǔ)償U(kuò)0。在霍爾輸出端串入溫度補(bǔ)償電橋，Rt是熱敏電阻。橋路輸出隨溫度變化的 補(bǔ)償電壓與霍爾輸出的電壓相加作為傳感器輸出。細(xì)心調(diào)節(jié)，在±40范圍內(nèi)補(bǔ)償效果很好。應(yīng)該指出，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(nèi)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(shí)要盡量做到散熱情況良好，只要有可能應(yīng)選用面積大些的元件，以降低其溫升。若將硅霍爾元件與放大電路、溫度補(bǔ)償電路等集成在一起制成集成霍爾傳感器，則具有性能優(yōu)良、使用方便、體積小、成本低、輸出功率大和輸出電壓高等優(yōu)點(diǎn)，是應(yīng)用最為廣泛的集成傳感器之一。三、應(yīng)用（一）霍爾式位侈傳感器保持霍爾元件的控制電流恒定，而使霍爾元件在一個(gè)均勻梯度的磁場中沿x方向移動如圖13所示。則輸出的霍爾電勢為式中 k��位移傳感器的靈敏度?；魻栯妱莸臉O性表示了元件位移的方向。磁場梯度越大，靈敏度越高；磁圖13 霍爾式位移傳感器原理示意圖場梯度越均勻，輸出線性度就越好。為了得到均勻的磁場梯度，往往將磁鋼的磁極片設(shè)計(jì)成特殊形狀，如圖14b所示。這種位移傳感器可用來測量±0.5mm的小位移，特別適用于