完整版霍尔元件及其应用.docx

1、完整版霍尔元件及其应用霍尔元件及其应用Hall Sensing Components & Devices and Its Application摘 要 : 霍尔元件是一种基于霍尔效应的磁传感器 , 已发展成一个品 种多样的磁传感器产品族，并已得到广泛的应用。本文简要介绍其 工作原理， 产品特性及其典型应用。1 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

2、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 ym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5C150C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

3、态发生 变化的时间等，转变成电量来进行检测和控制。2 霍尔效应和霍尔元件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

4、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)。在上述(1)、( 2)、( 3)式中VH是霍尔电压，p 是用来制作霍尔 元件的材料的电阻率，卩n 是材料的电子迁移率，RH是霍尔系数，I、 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 兀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，p、 RH yn决定于元

5、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最大功率。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，卩n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

6、 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能达到的极限一一元件能承受的最大功 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

7、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。222 霍尔电路222.1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V，cc/V线性范围/mT工作温度/ C灵敏度S/mV/mT静态输出电压Vo/Vmintypmaxmin typ m;axUGN35018 12 100-20 +853.57.02

8、.53.6 50UGN350：4.536 90-20 +857.513.530.02.252.52.75型号IOUT/mARo/k QIcc/mA乘积灵敏度V/A 0.1T输 出 形 式引脚排列外形结构typmax1234UGN3501 4.00.1 1020射 极 输 出VC(地输出CI/PUGN350：3 -0.059.014射 极 输 出VC(地输出CI/P表3线性霍尔电路的特性参数222.2霍尔开关电路霍尔开关电路又称霍尔数字电路，由稳压器、霍尔片、差分放大器，斯密特触发器和输出级组成。 在外磁场的作用下，当磁感应强度超过 导通阈值BOP时，霍尔电路输出管导通，输出低电平。之后， B再

9、增加，仍保持导通态。若外加磁场的 B值降低到BRP时，输出管截止，输出高电平。我们称 BOP为工作点，BRP为释放点，BOP- BRP=Bh称 为回差。 回差的存在使开关电路的抗干扰能力增强。 霍尔开关电路的 功能框见图4。图4(a)表示集电极开路(0C)输出，(b)表示双输出。 它们的输出特性见图 5，图 5(a) 表示普通霍尔开关， (b) 表示锁定型 霍尔开关的输出特性。(a)单0C输出(b)双0C输出图 4 霍尔开关电路的功能框图(a) 开关型输出特性 (b) 锁定型输出特性图 5 霍尔开关电路的输出特性一般规定，当外加磁场的南极 (S 极)接近霍尔电路外壳上打有标志的 一面时，作用到

10、霍尔电路上的磁场方向为正， 北极接近标志面时为负。锁定型霍尔开关电路的特点是：当外加场 B正向增加，达到 BOP时，电路导通，之后无论 B增加或减小，甚至将 B除去，电路都保持导通 态，只有达到负向的 BRP时，才改变为截止态，因而称为锁定型。霍 尔开关电路的性能参数见表 4。表4霍尔开关电路的特性参数型号VCCNBop/mTBRP/mTBH/mTlcc/mAIo/mAVo/satIoff/ 卩 A备注CS10184.81814202014 6 125 0.4 2 925 0.4 6 30300 0.6 6 95 0.4 5 925 0.4 2 925 0.4 2 925 0.4 5 920

11、0.4 2 850 0.410kQ )电压表，通电后，将电路放入被测磁场中，让磁力线垂 直于电路表面，读出电压表的数值，即可从校准曲线上查得相应的磁 感应强度值。使用前，将器件通电一分钟，使之达到稳定。用灵敏度系数计算被测磁场的 B 值时，可用B=Vout(B) - Vout(o)1000/S式中， Vout(B)= 加上被测磁场时的电压读数，单位为 V， Vout(o)= 未 加被测磁场时的电压读数， 单位为V, S=灵敏度系数，单位为mV/G(高 斯),测磁场的磁感应强度，单位为 G3.2.2检测铁磁物体在霍尔线性电路背面偏置一个永磁体，如图 11所示。图11 (a)表示检测铁磁物体的缺口

12、，图 11 (b)表示检测齿轮的齿。它们的电路接 法见图 12， (a) 为检测齿轮， (b) 为检测缺口。 用这种方法可以检测齿 轮的转速。图 11 用霍尔线性电路检测铁磁物体图 12 用霍尔线性电路检测齿口的线路3.2.3用在直流无刷电机中直流无刷电机使用永磁转子， 在定子的适当位置放置所需数量的霍尔 器件，它们的输出和相应的定子绕组的供电电路相连。当转子经过霍 尔器件附近时， 永磁转子的磁场令已通电的霍尔器件输出一个电压使 定子绕组供电电路导通，给相应的定子绕组供电，产生和转子磁场极 性相同的磁场，推斥转子继续转动。到下一位置，前一位置的霍尔器 件停止工作，下位的霍尔器件导通，使下一绕组

13、通电，产生推斥场使 转子继续转动。如此循环，维持电机的工作。其工作原理示于图 13在这里，霍尔器件起位置传感器的作用，检测转子磁极的位置，它的输出使定子绕组供电电路通断，又起开关作用，当转子磁极离去时，令上一个霍尔器件停止工作，下一个器件开始工作，使转子磁极总是 面对推斥磁场，霍尔器件又起定子电流的换向作用。无刷电机中的霍尔器件， 既可使用霍尔元件， 也可使用霍尔开关电路。 使用霍尔元件时，一般要外接放大电路，如图 14 所示，使用霍尔开 关电路，可直接驱动电机绕组，使线路大为简化，如图 15 所示。图13霍尔元件在无刷电机中的工作 （其中的HG为霍尔元件）图14采用霍尔元件的电机驱动电路 （

14、图中的H为霍尔元件）图 15 用 CS2018 霍尔开关锁定电路直接驱动电机的线路示意图 （图 中的线圈为电机定子绕组）铁磁材料受到磁场激励时，因其导磁率高，磁阻小，磁力线都集中在材料内部。若材料均匀，磁力线分布也均匀。如果材料中有缺陷，如小孔、裂纹等，在缺陷处，磁力线会发生弯曲，使局部磁场发生畸变。用霍尔探头检出这种畸变，经过数据处理，可辨别出缺陷的位置，性质（孔或裂纹） 和大小（如深度、宽度等） ，图 16 示出两种用于无损探伤的探头结构。 （b） 检测线材用(a) 检测板材用图 16 用于无损探伤的两种霍尔探头3.2.4 无损探伤霍尔无损探伤已在炮膛探伤、管道探伤，海用缆绳探伤，船体探伤

15、以及材 料检验等方面得到广泛应用。3.2.5 磁记录信息读出用霍尔元件制成的磁读头，如图 17 所示，将写头和读头装在同一外壳里， 采用长1mm宽0.2mm,厚1.4 m的InSb霍尔元件，其信噪比比普通磁头 高3db5db,由于写头和读头间的间距很小，仅 2.6mm故可用一读头去监视几分之一秒之前录头录下的信息。图 17 霍尔磁头霍尔读头的输出仅由记录信息的磁感应强度来决定，即使频率到零，输出 仍然恒定，且因读头无电感，故可获得优异的瞬态响应。它的灵敏度随温 度的变化也很小，约为0.01db/ C。采用适当的前置放大电路， 可在0C 50C范围内保持土 0.5db。由于霍尔磁读头具备这些优点

16、，因而在计算机中得到很重要的应用。特别在高密度垂直记录的磁盘的信息读出中，更能显示其优越性。专家预言， 今后十年，霍尔读头很可能会占去磁阻头的部分市场。3.2.6 霍尔接近传感器和接近开关在霍尔器件背后偏置一块永久磁体， 并将它们和相应的处理电路装在一个 壳体内，做成一个探头，将霍尔器件的输入引线和处理电路的输出引线用 电缆连接起来，构成如图18所示的接近传感器。它们的功能框见图19(a) 为霍尔线性接近传感器， (b) 为霍尔接近开关。图 18 霍尔接近传感器的外形图a) 霍尔线性接近传感器(b) 霍尔接近开关图 19 霍尔接近传感器的功能框图霍尔线性接近传感器主要用于黑色金属的自控计数，黑

17、色金属的厚度检 测、距离检测、齿轮数齿、转速检测、测速调速、缺口传感、张力检测、 棉条均匀检测、电磁量检测、角度检测等。霍尔接近开关主要用于各种自动控制装置，完成所需的位置控制，加工尺 寸控制、自动计数、各种计数、各种流程的自动衔接、液位控制、转速检 测等等。 3.2.7 霍尔翼片开关霍尔翼片开关就是利用遮断工作方式的一种产品， 它的外形如图 20 所示， 其内部结构及工作原理示于图 21。图 20 霍尔翼片开关的外形图图 21 霍尔翼片开关的内部结构和工作原理示意图翼片未进入工作气隙时，霍尔开关电路处于导通态。翼片进入后，遮断磁力线，使开关变成截止态，它的状态转变的位置非常精确，在 125C

18、的温度范围内位置重复精度可达 50nm将齿轮形翼片和轴相连，用在汽车点火 器中作为点火开关，可得到准确的点火时间，使汽缸中的汽油充分燃烧， 既可节约燃料，又能降低车辆排放的尾气的污染，已在桑塔那，克莱斯勒 等许多名车中使用。 将它们用在工业自动控制系统中， 可作为转速传感器、 位置开关、限位开关、轴编码器、码盘扫描器等。3.2.8 霍尔齿轮传感器 用 2.2.2.3 中介绍的差动霍尔电路制成的霍尔齿轮传感器， 如图 22 所示 , 新一代的霍尔齿轮转速传感器，广泛用于新一代的汽车智能发动机，作为 点火定时用的速度传感器，用于 ABS(汽车防抱死制动系统)作为车速传 感器等。在ABS中，速度传感

19、器是十分重要的部件。 ABS的工作原理示意图如图23 所示。图中， 1 是车速齿轮传感器； 2是压力调节器； 3 是控制器。在制动 过程中， 控制器 3 不断接收来自车速齿轮传感器 1 和车轮转速相对应的脉 冲信号并进行处理，得到车辆的滑移率和减速信号，按其控制逻辑及时准 确地向制动压力调节器 2 发出指令，调节器及时准确地作出响应，使制动 气室执行充气、保持或放气指令，调节制动器的制动压力，以防止车轮抱 死，达到抗侧滑、甩尾，提高制动安全及制动过程中的可驾驭性。在这个 系统中，霍尔传感器作为车轮转速传感器，是制动过程中的实时速度采集 器，是ABS中的关键部件之一。在汽车的新一代智能发动机中，

20、 用霍尔齿轮传感器来检测曲轴位置和活塞 在汽缸中的运动速度，以提供更准确的点火时间，其作用是别的速度传感 器难以代替的，它具有如下许多新的优点。(1)相位精度高，可满足 0.4 曲轴角的要求，不需采用相位补偿。(2)可满足 0.05 度曲轴角的熄火检测要求。(3)输出为矩形波，幅度与车辆转速无关。在电子控制单元中作进一步 的传感器信号调整时，会降低成本。用齿轮传感器，除可检测转速外，还可测出角度、角速度、流量、流速、 旋转方向等等。图 22 霍尔速度传感器的内部结构1.车轮速度传感器 2. 压力调节器 3.电子控制器图 23 ABS 气制动系统的工作原理示意图3.2.9 旋转传感器按图 24 所示的各种方法设置磁体，将它们和霍尔开关