第6章-霍尔式传感器.ppt

第六章霍尔式传感器 第一节霍尔效应和工作原理 第二节霍尔元件的主要技术参数 第三节 霍尔元件连接方式和输出电路 第四节霍尔元件的测量误差和补偿方法 第五节霍尔式传感器应用 霍尔式传感器是利用霍尔元件基于霍尔效应原理而将被测量 如电流 磁场 位移 压力等转换成电动势输出的一种传感器 虽然它的转换效率较低 温度影响大 要求转换精度较高时必须进行温度补偿 但霍尔式传感器结构简单 体积小 坚固 频率响应宽 从直流到微波 动态范围 输出电势的变化 大 无触点 使用寿命长 可靠性高 易微型化和集成电路化 因此在测量技术 自动化技术和信息处理等方面得到广泛的应用 霍尔式传感器简介 霍尔传感器是利用霍尔效应实现磁电转换的一种传感器 霍尔效应自1879年被发现自今已有100多年的历史 但直到本世纪50年代 由于微电子学的发展 才被人们所重视和利用 开发了多种霍尔元件 我国从70年代开始研究霍尔器件 经过30余年的研究和开发 目前已经能生产各种性能的霍尔元件 例如普通型 高灵敏度型 低温度系数型 测温测磁型和开关式的霍尔元件 由于霍尔传感器具有灵敏度高 线性度好 稳定性高 体积小和耐高温等特性 它已广泛应用于非电量测量 自动控制 计算机装置和现代军事技术等各个领域 第一节霍尔效应和工作原理 一 霍尔效应 如图1所示的一块半导体薄片 其长度为L 宽度为b 厚度为d 当它被置于磁感应强度为B的磁场中 如果在它相对的两边通以控制电流I 且磁场方向与电流方向正交 则在半导体另外两边将产生一个大小与控制电流I和磁感应强度B乘积成正比的电势 即 其中为霍尔元件的灵敏度 这一现象称为霍尔效应 该电势称为霍尔电势 半导体薄片就是霍尔元件 二 工作原理 霍尔效应是半导体中自由电荷受磁场中洛仑兹力作用而产生的 图1 设霍尔元件为N型半导体 当它通以电流I时 半导体中的自由电荷即载流子 电子 受到磁场中洛仑兹力的作用 其大小为式中 为电子速度 B为垂直于霍尔元件表面的磁感应强度 使电子向垂直于B和自由电子运动方向偏移 其方向符合右手螺旋定律或左手定则 即电子有向某一端积聚的现象 使半导体一端面产生负电荷积聚 另一端面则为正电荷积聚 由于电荷聚积 产生静电场 即为霍尔电场该静电场对电子的作用力与洛仑兹力方向相反 将阻止电子继续偏转 其大小为 静电场作用于运动电子上的与洛仑兹力相等时 电子积累达到动态平衡 即 所以 流过霍尔元件的电流I为 所以 代入中得 n为单位体积内自由电子数 载流子浓度 若霍尔元件为P型半导体 则 P为单位体积内空穴数 载流子浓度 三 霍尔系数和灵敏度 在上式中令 或 则式和式变为 则被定义为霍尔传感器的霍尔系数 很明显 霍尔系数由半导体材料性质决定 它决定霍尔电势的强弱 设 则有 霍尔元件的灵敏度就是指在单位磁感应强度B和单位控制电流I作用时 所能输出的霍尔电势的大小 由于材料电阻率与超流子浓度和其迁移率有关 即则 则有由此可见 要想霍尔电势强 半导体材料的电阻率必须要高 且迁移率也要大 虽然 金属导体的载流子迁移率很大 但其电阻率低 绝缘体电阻率很高 但其载流于迁移率低 因此 只有半导体材料为最佳霍尔传感器的材料 表9 1列出了一些霍尔元件材料特性 霍尔电势除了与材料的载流子迁移率和电阻率有关 同时还与霍尔元件的几何尺寸有关 一般要求霍尔元件灵敏度越大越好 霍尔元件的厚度d与成反比 因此 霍尔元件的厚度越小其灵敏度越高 当霍尔元件的宽度b加大 或减小时 载流子在偏转过程中的损失将加大 下降 通常要对式加以形状效应修正 霍尔元件 直角平行六面体的单晶半导体薄片材料 锗 Ge 硅 Si 砷化铟 InSb 等半导体材料 霍尔元件组成 半导体薄片和两对电极组成 输入引线a b 激励电极输出引线c d 霍尔电极 霍尔元件的基本结构 组成 形状效应系数 其修正值如表 图2 霍尔元件的符号和基本电路 图3 霍尔电势方向判别 P型材料 N型材料 左手定则 四指 指向电流B 穿过手心大拇指 指向的是力的方向 图4 Sensor 新型传感器不断用于汽车 机器人等行业 人们过去的常识是 汽车并不使用最尖端技术 要对生命负责的汽车厂商 采用实用化技术的原则今后恐怕也不会改变 但是为了安全而必须使用最尖端技术的话 那么强烈希望采用最尖端技术的趋势必将越来越强 丰田汽车已经制定了在2020年把日本国内汽车事故减少一半的目标 并将为此采取逐步把汽车设计成 电子茧 的方针 也就是说 利用数百个传感器把车辆包围起来 根据来自这些传感器的信息 利用激励器对刹车和方向盘进行电控 这里所必需的包括 各种传感器 可快速处理来自传感器的大量信息的处理器 驱动激励器的高耐压 LSI 以及能够将LSI的可靠性提高到与飞机相媲美的技术 所有这些元件均为尖端技术的结晶 在机器人的发展过程中 车载元件技术起着关键作用 因为机器人所需的关键技术包含于车载元件中 对于两者来说 传感器 激励器和信号处理等都至关重要 机器人也必须像汽车一样如同电子茧似地配备传感器 并快速判断所接收到的信息 比如躲避运动的障碍物行走的动作 必须识别障碍物 预测其动作 并在不破坏平衡的条件下控制双足等 第二节 霍尔元件的主要技术参数 1 额定功耗P0霍尔元件在环境温度T 25c时 允许通过霍尔元件的电流I和电压E的乘积 分最小 典型 最大三档 单位为mw 当供给霍尔元件的电压确定后 根据额定功耗可以知道额定控制电流I 因此有些产品则提供额定控制电流I 不给出额定功耗P0 2 输入电阻Ri和输出电阻Ro Ri是指控制电流极之间的电阻值 Ro指霍尔元件电极间的电阻 单位为欧姆 Ri和Ro可在无磁场即B 0时 用欧姆表等测量 3 不平衡电势Uo在额定控制电流I之下 不加磁场时 霍尔电极间的空载霍尔电势称为不平衡 不等 电势 单位为mv 不平衡电势和额定控制电流I之比为不平衡电阻ro 有些产品也提供不平衡电阻参数值 4 霍尔电势稳定系数在一定的磁感应强度和控制电流下 温度变化1 时 霍尔电势变化的百分率 称为霍尔电势温度系数 5 内阻温度系数霍尔元件在无磁场及工作温度范围内 温度每变化1 时 输入电阻与输出电阻变化的百分率称为内阻温度系数 一般取不同温度时的平均值 6 灵敏度系数其定义同前述 有时某些产品给出无负载时灵敏度 在某一控制电流和一定强度磁场中 输出极开路时元件的灵敏度 表9 3列出中国科学院半导体研究所生产的砷化镓 GaAs 霍尔元件的主要技术参数 砷化镓霍尔元件的主要技术参数 第三节 霍尔元件连接方式和输出电路 1 基本测量电路 霍尔元件的基本测量电路如图4所示 控制电流I由电源E供给 电位器W调节控制电流I的大小 霍尔元件输出接负载电阻RL RL可以是放大器的输入电阻或测量仪表的内阻 由于霍尔元件必须在磁场与控制电流作用下 才会产生霍尔电势 所以在测量中 可以把I和B的乘积 或者I 或者B作为输人信号 则霍尔元件的输出电势分别正比于I或B 图4基本测量电路 2 连接方式 除了霍尔元件基本电路形式之外 如果为了获得较大的霍尔输出电势 可以采用几片叠加的连接方式 如图5 a 所示 图5 a 为直流供电情况 控制电流端并联 由w1 w2调节两个元件的输出霍尔电势 A B为输出端 则它的输出电势为单块的两倍 图5 b 为交流供电情况 控制电流端串联 各元件输出端接输出变压器B的初级绕组 变压器的次级便有霍尔电势信号叠加值输出 图5霍尔元件输出叠加连接方式 3 霍尔电势的输出电路 霍尔器件是一种四端器件 本身不带放大器 霍尔电势一般在毫伏量级 在实际使用中必须加差分放大器 霍尔元件大体分为线性测量和开关状态两种使用方式 因此 输出电路如图6所示两种结构 下面以我国科学院半导体研究所生产的GaAs霍尔元件为例 给出两种参考电路 分别如图6 a 和 b 所示 图6霍尔元件的输出电路 当霍尔元件作线性测量时 最好选用灵敏度低一点 不等位电势小 稳定性和线性度优良的霍尔元件 例如 选用 控制电流为5mA的霍尔元件作线性测量元件 若要测量1Gs一10kGs的磁场 则霍尔器件最低输出电势为 故要选择低噪音的放大器作为前级放大 高精度高速运放OP 17 超低噪声 高精度OP 27 OP 37 运放专题 OP 17速度与CF357相当 UIOSIIOS和 UIOS大约只有CF357的十分之一 封装 引线排列和应用线路与CF357的完全相同 工作温度范围为10 70 OP 27UIOS UIOS与OP 07相近 IIOS和 IIOS比OP 07的大 OP 27噪声电压特别小 小于OP 07的十分之一 当霍尔元件作开关使用时 要选择灵敏度高的霍尔器件 例如 如果采用2x3x5 mm 的衫磁钢的器件 控制电流为2mA 施加一个距离器件为5mm的300Gs的磁场 则输出霍尔电势为这时选用一般的放大器即可满足 输入失调电压UIOS和输入失调电流IIOS很小 输入失调电压温漂 UIOS和输入失调电流温漂 IIOS很小 精度比较高 价格不高 很受欢迎 低失调低漂移运放OP 07 第四节霍尔元件的测量误差和补偿方法 霍尔元件在实际应用时 存在多种因素影响其测量精度 造成测量误差的主要因素优两类 一类是半导体固有特性 一类为半导体制造工艺的缺陷 其表现为零位误差和温度引起的误差 1 零位误误差及补偿方法 零位误差是霍尔元件在加控制电流或不加外磁场时 而出现的霍尔电势称为零位误差 由制造霍尔元件的工艺问题造成的不等位电势是主要的零位误差 因为在工艺上难以保证霍尔元件两侧的电级焊接在同一等电位面上 U0产生的原因 1 制造工艺不可能保证将两个霍尔电极对称地焊在霍尔片的两侧 致使两电极点不能完全位于同一等位面上 如图5 8a所示 2 霍尔片电阻率不均匀或片厚薄不均匀或控制电流极接触不良都将使等位面歪斜 见图5 8b 致使两霍尔电极不在同一等位面上而产生不等位电动势 如图7 a 所示 当控制电流I流过时 即使未加外磁场 A B两电极此时仍存在电位差 此电位差被称为不等位电势 图7霍尔元件的不等位电势和等效电路 为了减小或消除不等位电势 可以采用电桥平衡原理补偿 根据霍尔元件的工作原理 可以把霍尔元件等效于一个四臂电桥 如图9 5 b 所示 如果两个霍尔电势极A B处在同一等位面上 桥路处于平衡状态 即 则不等位电势 如果两个霍尔电势极不在同一等位面上 电桥不平衡 不等位电势 此时根据A B两点电位高低判断应在某一桥臂上并联一个电阻 使电桥平衡 从而就消除了不等位电势 图8给出几种常用的补偿方法 为了消除不等位电势 可在阻值较大的桥臂上并联电阻 如图8 a 所示 或在两个桥臀上同时并联如图8 b c 所示的电阻 显然 方案 c 调整比较方便 图8不等位电势补偿电路原理图 Sensor 具有自清洁功能的新型传感器问世 据悉 美国宾夕法尼亚州立大学研发出一种具有自我清洁功能的新型传感器 二氧化钛纳米管氢传感器 研究表明 尽管二氧化钛纳米管氢传感器属气敏传感器 但却有着光敏性较其他形式的二氧化钛材料高100倍的特性 只要将其暴露在紫外线下 吸附在二氧化钛纳米管氢传感器上的污染物质就能轻而易举地被有效清除掉 因此 在实际使用中 这种传感器能够靠自己的能耐使自己清洁如故 性能如初 并保持原有的探测灵敏度 氢传感器广泛应用于化工 石油和半导体工业 也常被用作诊断工具 用来监测某些种类的细菌感染 在日常生活中 氢传感器同样大有用武之地 比如 面包店可以利用氢传感器帮助面包师监测氢浓度和烤箱温度 确定面包出炉的时间 氢传感器更是燃料电池汽车忠实的安全卫士 用于监测这种汽车的燃烧系统的氢泄漏 对于燃料电池汽车来讲 如果氢泄漏达到4 就会引发爆炸 然而 常规氢传感器的保洁问题颇令人头疼 在使用氢传感器的各种场合 比如在石化厂 氢传感器经常变得很脏 监测功能也因此大打折扣 宾夕法尼亚州立大学科研人员的这项研究 其目标就是让氢传感器升级换代 彻底解决这种传感器的保洁问题 2 温度误差及其补偿 由于半导体材料的电阻串 迁移率和载流子浓度等都随温度变化而变化 因此 会导致霍尔元件的内阻 霍尔电势等也随温度变化而变化 这种变化程度随不同半导体材料有所不同 而且温度高到一定程度 产生的变化相当大 温度误差是霍尔元件测量中不可忽视的误差 针对温度变化导致内阻 输入 输出电阻 的变化可以采用对输入或输出电路的电阻进行补偿 1 利用输出回路并联电阻进行补偿在输入控制电流恒定的情况下 如果输出电阻随温度增加而增大 霍尔电势增加 若在输出端并联一个补偿电阻RL 则通过霍尔元件的电流减小 而通过的RL电流却增大 只要适当选择补偿电阻RL 就可达到补偿的目的 如图9所示 下面介绍如何选择适当的补偿电阻 图9输出回路补偿 在温度影响下 元件的输出电阻从变到 输出电阻和电势应为 式中 为温度t时霍尔元件的输出电势和电阻的温度系数 此时的电压则为 补偿电阻RL上电压随温度变化最小的极值条件为 即 因此当知道霍尔元件的 及时 便可以计算出能实现温度补偿的电阻RL的值 2 利用输入回路的串联电阻进行补偿 霍尔元件的控制回路用稳压电源E供电 其输出端处于开路工作状态 如图10所示当输入回路串联适当的电阻R时 霍尔电势随温度的变化可得到补偿 图10 当温度增加时 霍尔电势的增加值为 另一方面 元件的输入电阻随温度的增加值为 用稳压源供电时 控制电流的减小量为 它使霍尔电势的减小量为 要想得到全补偿 应有 则 结出霍尔元件的 值 即可求得R和的关系 除此之外 还可以在霍尔元件的输入端采用恒流源来减小温度的影响 实际的补偿电路如图11所示 调节电位器W1可以消除不等位电势 电桥由温度系数低的电阻构成 在某一桥臂电阻上并联热敏电阻 当温度变化时 热敏电阻将随温度变化而变化 使补偿电桥的输出电压相应变化 只要仔细调节 即可使其输出电压与温度基本无关 图11实际的温度补偿电路 3 采用温度补偿元件 图12温度补偿 第五节霍尔式传感器应用 根据霍尔电势的表达式 其应用可用于下述三个方面 控制电流I不变 传感器处于非均匀磁场中 UH B 可进行磁场 位移 角度 转速 加速度等测量 磁场不变 即B不变 UH I 故凡能转换成电流变化的各量均能测量 I B均变化 UH I B 可用于乘法 功率等方面的计算与测量 一 霍尔位移传感器应用 霍尔位移传感器可制作成如图13所示结构 在极性相反 磁场强度相同的两个磁钢的气隙间放置一个霍尔元件 当控制电流I恒定不变时 霍尔电势与外磁感应强度成正比 图12 a 图12 b 磁场变化 若磁场在一定范围内沿X方向的变化梯度为一常数 如图12 b 所示 则当霍尔元件沿x方向移动时 霍尔电势变化为式中K 位移传感器的输出灵敏度 则有 上式说明霍尔电势与位移量成线性关系 其输出电势的极性反映了元件位移方向 磁场梯度越大 灵敏度越高 磁场梯度越均匀 输出线性度越好 这种位移传感器一般可测量1 2mm的微小住移 其特点是惯性小 响应速度快 无触点测量 利用这一原理可以测量与之有关的非电量 如力 压力 加速度 液位和压力等 1 微位移测量 a 曲线对应 a 图的磁路结构 其线性范围窄 而且在位移z 0时 UH 0 b 曲线对应 b 图 当z 0时 B