第6章-霍爾式傳感器

第六章霍爾式傳感器第一節(jié)霍爾效應(yīng)和工作原理第二節(jié)霍爾元件的主要技術(shù)參數(shù)第三節(jié)、霍爾元件連接方式和輸出電路第四節(jié)霍爾元件的測量誤差和補償方法第五節(jié)霍爾式傳感器應(yīng)用

霍爾式傳感器是利用霍爾元件基于霍爾效應(yīng)原理而將被測量，如電流、磁場、位移、壓力等轉(zhuǎn)換成電動勢輸出的一種傳感器。雖然它的轉(zhuǎn)換效率較低，溫度影響大，要求轉(zhuǎn)換精度較高時必須進行溫度補償，但霍爾式傳感器結(jié)構(gòu)簡單，體積小，堅固，頻率響應(yīng)寬(從直流到微波)，動態(tài)范圍(輸出電勢的變化)大，無觸點，使用壽命長，可靠性高，易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?；魻柺絺鞲衅骱喗?/p>

霍爾傳感器是利用霍爾效應(yīng)實現(xiàn)磁電轉(zhuǎn)換的一種傳感器?；魻栃?yīng)自1879年被發(fā)現(xiàn)自今已有100多年的歷史，但直到本世紀50年代，由于微電子學(xué)的發(fā)展，才被人們所重視和利用，開發(fā)了多種霍爾元件。我國從70年代開始研究霍爾器件，經(jīng)過30余年的研究和開發(fā)、目前已經(jīng)能生產(chǎn)各種性能的霍爾元件，例如普通型、高靈敏度型、低溫度系數(shù)型、測溫測磁型和開關(guān)式的霍爾元件。由于霍爾傳感器具有靈敏度高、線性度好、穩(wěn)定性高、體積小和耐高溫等特性，它已廣泛應(yīng)用于非電量測量、自動控制、計算機裝置和現(xiàn)代軍事技術(shù)等各個領(lǐng)域。第一節(jié)霍爾效應(yīng)和工作原理一、霍爾效應(yīng)

如圖1所示的一塊半導(dǎo)體薄片，其長度為L，寬度為b，厚度為d，當它被置于磁感應(yīng)強度為B的磁場中，如果在它相對的兩邊通以控制電流I，且磁場方向與電流方向正交，則在半導(dǎo)體另外兩邊將產(chǎn)生一個大小與控制電流I和磁感應(yīng)強度B乘積成正比的電勢，即，其中為霍爾元件的靈敏度。這一現(xiàn)象稱為霍爾效應(yīng)，該電勢稱為霍爾電勢，半導(dǎo)體薄片就是霍爾元件。二、工作原理:

霍爾效應(yīng)是半導(dǎo)體中自由電荷受磁場中洛侖茲力作用而產(chǎn)生的。圖1

設(shè)霍爾元件為N型半導(dǎo)體，當它通以電流I時，半導(dǎo)體中的自由電荷即載流子(電子）受到磁場中洛侖茲力的作用，其大小為式中：為電子速度，B為垂直于霍爾元件表面的磁感應(yīng)強度。使電子向垂直于B和自由電子運動方向偏移，其方向符合右手螺旋定律或左手定則，即電子有向某一端積聚的現(xiàn)象，使半導(dǎo)體一端面產(chǎn)生負電荷積聚，另一端面則為正電荷積聚。由于電荷聚積，產(chǎn)生靜電場，即為霍爾電場該靜電場對電子的作用力與洛侖茲力方向相反，將阻止電子繼續(xù)偏轉(zhuǎn)，其大小為：

靜電場作用于運動電子上的與洛侖茲力相等時，電子積累達到動態(tài)平衡，即

所以：流過霍爾元件的電流I為：所以：代入中得：n為單位體積內(nèi)自由電子數(shù)(載流子濃度)

若霍爾元件為P型半導(dǎo)體、則：P為單位體積內(nèi)空穴數(shù)(載流子濃度)。三、霍爾系數(shù)和靈敏度在上式中令：或則式和式變?yōu)椋?/p>

則被定義為霍爾傳感器的霍爾系數(shù)。很明顯，霍爾系數(shù)由半導(dǎo)體材料性質(zhì)決定。它決定霍爾電勢的強弱。設(shè)：則有：

霍爾元件的靈敏度就是指在單位磁感應(yīng)強度B和單位控制電流I作用時，所能輸出的霍爾電勢的大小。由于材料電阻率與超流子濃度和其遷移率有關(guān)，即則：則有由此可見，要想霍爾電勢強，半導(dǎo)體材料的電阻率必須要高，且遷移率也要大。雖然，金屬導(dǎo)體的載流子遷移率很大，但其電阻率低；絕緣體電阻率很高，但其載流于遷移率低。因此，只有半導(dǎo)體材料為最佳霍爾傳感器的材料。表9—1列出了一些霍爾元件材料特性?；魻栯妱莩伺c材料的載流子遷移率和電阻率有關(guān)，同時還與霍爾元件的幾何尺寸有關(guān)。

一般要求霍爾元件靈敏度越大越好．霍爾元件的厚度d與成反比．因此，霍爾元件的厚度越小其靈敏度越高。當霍爾元件的寬度b加大，或減小時，載流子在偏轉(zhuǎn)過程中的損失將加大、下降。通常要對式加以形狀效應(yīng)修正：霍爾元件：直角平行六面體的單晶半導(dǎo)體薄片材料：鍺(Ge)、硅(Si)、砷化銦(InSb)等半導(dǎo)體材料。霍爾元件組成：半導(dǎo)體薄片和兩對電極組成輸入引線a、b：激勵電極輸出引線c、d：霍爾電極霍爾元件的基本結(jié)構(gòu)、組成形狀效應(yīng)系數(shù)，其修正值如表:圖2霍爾元件的符號和基本電路圖3霍爾電勢方向判別：P型材料：N型材料：左手定則：四指——指向電流

B——穿過手心大拇指——指向的是力的方向圖4Sensor新型傳感器不斷用于汽車、機器人等行業(yè)

人們過去的常識是“汽車并不使用最尖端技術(shù)”。要對生命負責的汽車廠商，采用實用化技術(shù)的原則今后恐怕也不會改變。但是為了安全而必須使用最尖端技術(shù)的話，那么強烈希望采用最尖端技術(shù)的趨勢必將越來越強。豐田汽車已經(jīng)制定了在2020年把日本國內(nèi)汽車事故減少一半的目標，并將為此采取逐步把汽車設(shè)計成“電子繭”的方針。也就是說，利用數(shù)百個傳感器把車輛包圍起來，根據(jù)來自這些傳感器的信息，利用激勵器對剎車和方向盤進行電控。這里所必需的包括：各種傳感器、可快速處理來自傳感器的大量信息的處理器、驅(qū)動激勵器的高耐壓（LSI），以及能夠?qū)SI的可靠性提高到與飛機相媲美的技術(shù)。所有這些元件均為尖端技術(shù)的結(jié)晶。在機器人的發(fā)展過程中，車載元件技術(shù)起著關(guān)鍵作用。因為機器人所需的關(guān)鍵技術(shù)包含于車載元件中。對于兩者來說，傳感器、激勵器和信號處理等都至關(guān)重要。機器人也必須像汽車一樣如同電子繭似地配備傳感器，并快速判斷所接收到的信息。比如躲避運動的障礙物行走的動作，必須識別障礙物、預(yù)測其動作，并在不破壞平衡的條件下控制雙足等。第二節(jié)、霍爾元件的主要技術(shù)參數(shù)

1．額定功耗P0

霍爾元件在環(huán)境溫度T＝25c時，允許通過霍爾元件的電流I和電壓E的乘積，分最小、典型、最大三檔，單位為mw。當供給霍爾元件的電壓確定后，根據(jù)額定功耗可以知道額定控制電流I，因此有些產(chǎn)品則提供額定控制電流I，不給出額定功耗P0。

2．輸入電阻Ri和輸出電阻Ro。

Ri是指控制電流極之間的電阻值，Ro指霍爾元件電極間的電阻，單位為歐姆。Ri和Ro可在無磁場即B=0時，用歐姆表等測量。3．不平衡電勢Uo

在額定控制電流I之下，不加磁場時，霍爾電極間的空載霍爾電勢稱為不平衡(不等)電勢，單位為mv。不平衡電勢和額定控制電流I之比為不平衡電阻ro。有些產(chǎn)品也提供不平衡電阻參數(shù)值。4．霍爾電勢穩(wěn)定系數(shù)在一定的磁感應(yīng)強度和控制電流下，溫度變化1℃時，霍爾電勢變化的百分率，稱為霍爾電勢溫度系數(shù).5．內(nèi)阻溫度系數(shù)霍爾元件在無磁場及工作溫度范圍內(nèi)，溫度每變化1℃時，輸入電阻與輸出電阻變化的百分率稱為內(nèi)阻溫度系數(shù)，一般取不同溫度時的平均值。6．靈敏度系數(shù)其定義同前述，有時某些產(chǎn)品給出無負載時靈敏度，在某一控制電流和一定強度磁場中，輸出極開路時元件的靈敏度。表9—3列出中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所生產(chǎn)的砷化鎵(GaAs)霍爾元件的主要技術(shù)參數(shù)。砷化鎵霍爾元件的主要技術(shù)參數(shù)第三節(jié)、霍爾元件連接方式和輸出電路1．基本測量電路

霍爾元件的基本測量電路如圖4所示,控制電流I由電源E供給、電位器W調(diào)節(jié)控制電流I的大小?；魻栐敵鼋迂撦d電阻RL．RL可以是放大器的輸入電阻或測量儀表的內(nèi)阻。由于霍爾元件必須在磁場與控制電流作用下，才會產(chǎn)生霍爾電勢，所以在測量中．可以把I和B的乘積、或者I，或者B作為輸人信號，則霍爾元件的輸出電勢分別正比于I或B。圖4基本測量電路2．連接方式

除了霍爾元件基本電路形式之外，如果為了獲得較大的霍爾輸出電勢，可以采用幾片疊加的連接方式、如圖5(a)所示。圖5（a）為直流供電情況?？刂齐娏鞫瞬⒙?lián)，由w1、w2調(diào)節(jié)兩個元件的輸出霍爾電勢，A、B為輸出端，則它的輸出電勢為單塊的兩倍。圖5(b)為交流供電情況。控制電流端串聯(lián)，各元件輸出端接輸出變壓器B的初級繞組，變壓器的次級便有霍爾電勢信號疊加值輸出。圖5霍爾元件輸出疊加連接方式3．霍爾電勢的輸出電路

霍爾器件是一種四端器件．本身不帶放大器?；魻栯妱菀话阍诤练考?，在實際使用中必須加差分放大器?；魻栐篌w分為線性測量和開關(guān)狀態(tài)兩種使用方式。

因此，輸出電路如圖6所示兩種結(jié)構(gòu)。下面以我國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所生產(chǎn)的GaAs霍爾元件為例，給出兩種參考電路，分別如圖6(a)和(b)所示。圖6霍爾元件的輸出電路

當霍爾元件作線性測量時．最好選用靈敏度低一點、不等位電勢小、穩(wěn)定性和線性度優(yōu)良的霍爾元件。例如，選用，控制電流為5mA的霍爾元件作線性測量元件，若要測量1Gs一10kGs的磁場，則霍爾器件最低輸出電勢為：故要選擇低噪音的放大器作為前級放大。

高精度高速運放OP-17,

超低噪聲、高精度OP-27(OP-37)運放專題：OP-17速度與CF357相當,UIOSIIOS

和αUIOS

大約只有CF357的十分之一;封裝、引線排列和應(yīng)用線路與CF357的完全相同;工作溫度范圍為10℃~70℃。OP-27UIOS,αUIOS

與OP-07相近;IIOS

和αIIOS

比

OP-07的大;OP-27噪聲電壓特別小,小于OP-07的十分之一;當霍爾元件作開關(guān)使用時，要選擇靈敏度高的霍爾器件。例如，如果采用2x3x5(mm)的衫磁鋼的器件，控制電流為2mA，施加一個距離器件為5mm的300Gs的磁場，則輸出霍爾電勢為

這時選用一般的放大器即可滿足。輸入失調(diào)電壓UIOS

和輸入失調(diào)電流IIOS

很?。惠斎胧д{(diào)電壓溫漂αUIOS

和輸入失調(diào)電流溫漂αIIOS

很??；精度比較高；價格不高,很受歡迎。低失調(diào)低漂移運放OP–07第四節(jié)霍爾元件的測量誤差和補償方法

霍爾元件在實際應(yīng)用時，存在多種因素影響其測量精度，造成測量誤差的主要因素優(yōu)兩類:

一類是半導(dǎo)體固有特性；一類為半導(dǎo)體制造工藝的缺陷。其表現(xiàn)為零位誤差和溫度引起的誤差。

1、零位誤誤差及補償方法：零位誤差是霍爾元件在加控制電流或不加外磁場時，而出現(xiàn)的霍爾電勢稱為零位誤差。由制造霍爾元件的工藝問題造成的不等位電勢是主要的零位誤差。因為在工藝上難以保證霍爾元件兩側(cè)的電級焊接在同一等電位面上．U0產(chǎn)生的原因：(1)制造工藝不可能保證將兩個霍爾電極對稱地焊在霍爾片的兩側(cè)，致使兩電極點不能完全位于同一等位面上，如圖5-8a所示。

(2)霍爾片電阻率不均勻或片厚薄不均勻或控制電流極接觸不良都將使等位面歪斜(見圖5-8b)，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。

如圖7(a)所示。當控制電流I流過時，即使未加外磁場。A、B兩電極此時仍存在電位差，此電位差被稱為不等位電勢。圖7霍爾元件的不等位電勢和等效電路

為了減小或消除不等位電勢，可以采用電橋平衡原理補償。根據(jù)霍爾元件的工作原理，可以把霍爾元件等效于一個四臂電橋，如圖9—5(b)所示。如果兩個霍爾電勢極A、B處在同一等位面上。橋路處于平衡狀態(tài)，即，則不等位電勢。如果兩個霍爾電勢極不在同一等位面上．電橋不平衡，不等位電勢。此時根據(jù)A、B兩點電位高低判斷應(yīng)在某一橋臂上并聯(lián)一個電阻．使電橋平衡．從而就消除了不等位電勢。圖8給出幾種常用的補償方法。為了消除不等位電勢，可在阻值較大的橋臂上并聯(lián)電阻．如圖8(a)所示，或在兩個橋臀上同時并聯(lián)如圖8(b)(c)所示的電阻。顯然，方案(c)調(diào)整比較方便。圖8不等位電勢補償電路原理圖Sensor具有自清潔功能的新型傳感器問世

據(jù)悉，美國賓夕法尼亞州立大學(xué)研發(fā)出一種具有自我清潔功能的新型傳感器—二氧化鈦納米管氫傳感器。研究表明，盡管二氧化鈦納米管氫傳感器屬氣敏傳感器，但卻有著光敏性較其他形式的二氧化鈦材料高100倍的特性。只要將其暴露在紫外線下，吸附在二氧化鈦納米管氫傳感器上的污染物質(zhì)就能輕而易舉地被有效清除掉。因此，在實際使用中，這種傳感器能夠靠自己的能耐使自己清潔如故、性能如初，并保持原有的探測靈敏度。

氫傳感器廣泛應(yīng)用于化工、石油和半導(dǎo)體工業(yè)，也常被用作診斷工具，用來監(jiān)測某些種類的細菌感染。在日常生活中，氫傳感器同樣大有用武之地。比如，面包店可以利用氫傳感器幫助面包師監(jiān)測氫濃度和烤箱溫度，確定面包出爐的時間；氫傳感器更是燃料電池汽車忠實的安全衛(wèi)士，用于監(jiān)測這種汽車的燃燒系統(tǒng)的氫泄漏。對于燃料電池汽車來講，如果氫泄漏達到4％，就會引發(fā)爆炸。然而，常規(guī)氫傳感器的保潔問題頗令人頭疼。在使用氫傳感器的各種場合，比如在石化廠，氫傳感器經(jīng)常變得很臟，監(jiān)測功能也因此大打折扣。賓夕法尼亞州立大學(xué)科研人員的這項研究，其目標就是讓氫傳感器升級換代，徹底解決這種傳感器的保潔問題。2．溫度誤差及其補償

由于半導(dǎo)體材料的電阻串、遷移率和載流子濃度等都隨溫度變化而變化，因此．會導(dǎo)致霍爾元件的內(nèi)阻、霍爾電勢等也隨溫度變化而變化。這種變化程度隨不同半導(dǎo)體材料有所不同。而且溫度高到一定程度，產(chǎn)生的變化相當大。溫度誤差是霍爾元件測量中不可忽視的誤差。針對溫度變化導(dǎo)致內(nèi)阻(輸入、輸出電阻)的變化可以采用對輸入或輸出電路的電阻進行補償。

(1)利用輸出回路并聯(lián)電阻進行補償在輸入控制電流恒定的情況下，如果輸出電阻隨溫度增加而增大．霍爾電勢增加；

若在輸出端并聯(lián)一個補償電阻RL，則通過霍爾元件的電流減小，而通過的RL電流卻增大。只要適當選擇補償電阻RL，就可達到補償?shù)哪康?，如圖9所示。下面介紹如何選擇適當?shù)难a償電阻。圖9輸出回路補償

在溫度影響下，元件的輸出電阻從變到。輸出電阻和電勢應(yīng)為:式中:、為溫度t時霍爾元件的輸出電勢和電阻的溫度系數(shù)。此時的電壓則為：補償電阻RL上電壓隨溫度變化最小的極值條件為：即：

因此當知道霍爾元件的、及時，便可以計算出能實現(xiàn)溫度補償?shù)碾娮鑂L的值。

(2)利用輸入回路的串聯(lián)電阻進行補償

霍爾元件的控制回路用穩(wěn)壓電源E供電，其輸出端處于開路工作狀態(tài)，如圖10所示當輸入回路串聯(lián)適當?shù)碾娮鑂時，霍爾電勢隨溫度的變化可得到補償。圖10

當溫度增加時，霍爾電勢的增加值為：另一方面，元件的輸入電阻隨溫度的增加值為：用穩(wěn)壓源供電時．控制電流的減小量為它使霍爾電勢的減小量為要想得到全補償，應(yīng)有，則結(jié)出霍爾元件的、值，即可求得R和的關(guān)系。

除此之外，還可以在霍爾元件的輸入端采用恒流源來減小溫度的影響。實際的補償電路如圖11所示。調(diào)節(jié)電位器W1可以消除不等位電勢。電橋由溫度系數(shù)低的電阻構(gòu)成，在某一橋臂電阻上并聯(lián)熱敏電阻。當溫度變化時，熱敏電阻將隨溫度變化而變化．使補償電橋的輸出電壓相應(yīng)變化，只要仔細調(diào)節(jié)，即可使其輸出電壓與溫度基本無關(guān)。圖11實際的溫度補償電路3、采用溫度補償元件

圖12溫度補償?shù)谖骞?jié)霍爾式傳感器應(yīng)用

根據(jù)霍爾電勢的表達式，其應(yīng)用可用于下述三個方面：

控制電流I不變，傳感器處于非均勻磁場中，UHB

。可進行磁場、位移、角度、轉(zhuǎn)速、加速度等測量。

磁場不變，即B不變，UHI。故凡能轉(zhuǎn)換成電流變化的各量均能測量。

I、B均變化，UHI·B?？捎糜诔朔?、功率等方面的計算與測量。

一、霍爾位移傳感器應(yīng)用

霍爾位移傳感器可制作成如圖13所示結(jié)構(gòu)。在極性相反、磁場強度相同的兩個磁鋼的氣隙間放置一個霍爾元件。當控制電流I恒定不變時，霍爾電勢與外磁感應(yīng)強度成正比圖12(a)圖12(b)磁場變化

若磁場在一定范圍內(nèi)沿X方向的變化梯度為一常數(shù)，如圖12(b)所示，則當霍爾元件沿x方向移動時，霍爾電勢變化為式中K——位移傳感器的輸出靈敏度.則有:

上式說明霍爾電勢與位移量成線性關(guān)系。其輸出電勢的極性反映了元件位移方向。磁場梯度越大，靈敏度越高；磁場梯度越均勻，輸出線性度越