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霍尔传感器HallSensor 霍尔式传感器是基于霍尔效应而将被测量转换成电动势输出的一种传感器 霍尔器件是一种磁敏传感器 利用半导体元件对磁场敏感的特性来实现磁电转换 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 耐振动 不怕灰尘 油污 水汽及盐雾等的污染或腐蚀 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 霍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 可达级 采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 55 150 霍尔传感器的工作原理 1 霍尔效应 半导体薄片置于磁感应强度为B的磁场中 磁场方向垂直于薄片 当有电流I流过薄片时 在垂直于电流和磁场的方向上将产生电动势EH 这种现象称为霍尔效应 当有图示方向磁场B作用时 作用在半导体薄片上的磁场强度B越强 霍尔电势也就越高 霍尔电势UH可用下式表示 UH KHIB 霍尔效应演示 当磁场垂直于薄片时 电子受到洛仑兹力的作用 向内侧偏移 在半导体薄片A B方向的端面之间建立起霍尔电势 A B C D 可以推出 霍尔电动势UH的大小为 式中 kH为灵敏度系数 kH RH d 表示在单位磁感应强度和单位控制电流时的霍尔电动势的大小 与材料的物理特性 霍尔系数 和几何尺寸d有关 霍尔系数RH 1 nq 由材料物理性质所决定 q为电子电荷量 n为材料中的电子浓度 为磁场和薄片法线夹角 结论 霍尔电势与输入电流I 磁感应强度B成正比 且当B的方向改变时 霍尔电势的方向也随之改变 如果所施加的磁场为交变磁场 则霍尔电势为同频率的交变电势 金属材料中的自由电子浓度n很高 因此RH很小 不宜作霍尔元件 霍尔元件多用载流子迁移率大的N型半导体材料制作 另外 霍尔元件越薄 d越小 kH就越大 所以通常霍尔元件都较薄 薄膜霍尔元件的厚度只有1左右 2 霍尔元件 霍尔片是一块矩形半导体单晶薄片 一般为4mm 2mm 0 1mm 经研磨抛光 然后用蒸发合金法或其他方法制作欧姆接触电极 最后焊上引线并封装 而薄膜霍尔元件则是在一片极薄的基片上用蒸发或外延的方法做成霍尔片 然后再制作欧姆接触电极 焊上引线最后封装 一般控制端引线采用红色引线 而霍尔输出端引线则采用绿色引线 霍尔元件的壳体用非导磁金属 陶瓷或环氧树脂封装 a 霍尔元件外形 b 电路符号 c 基本应用电路 3 霍尔元件的主要特性及材料 1 霍尔元件的主要特性参数 1 灵敏度kH 表示元件在单位磁感应强度和单位控制电流下所得到的开路 RL 霍尔电动势 单位为V A T 2 霍尔输入电阻Ri 霍尔控制电流电极间的电阻值 3 霍尔输出电阻Ro 霍尔输出电极间的电阻值 4 霍尔电阻的温度系数 表示在一定的磁感应强度和控制电流的条件下 环境温度每变化1 时霍尔元件材料的电阻变化率 单位为 1 霍尔元件的主要特性参数 6 额定控制电流Icm 空气中的霍尔元件产生允许温升 T 10 时的控制电流 一般为几毫安到几百毫安 7 不等位电势U0 外加磁场为0 霍尔元件在额定控制电流下 两霍尔电极之间的开路电动势 U0越小越好 一般地 U0小于1mV 8 不等位电阻r0 r0 U0 Icm 5 霍尔电动势的温度系数 表示在一定的磁感应强度和控制电流的条件下 环境温度每变化1 时霍尔电势的相对变化率单位为 3 霍尔元件的主要特性及材料 1 霍尔元件的主要特性参数 9 霍尔最大允许激励电流Imax 以霍尔元件允许最大温升为限制所对应的激励电流称为最大允许激励电流 10 霍尔寄生直流电势UOD 在外加磁场为零 霍尔元件用交流激励时 霍尔电极输出除了交流不等位电动势外 还有一直流电势 称为寄生直流电势 2 霍尔元件的材料锗 Ge 硅 Si 锑化铟 InSb 砷化铟 InAs 和砷化镓 GaAs 是常见的制作霍尔元件的几种半导体材料 表6 2所列为制作霍尔元件的几种半导体材料主要参数 电阻率 电子迁移率 不等位电动势产生的原因是由于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 4霍尔元件的误差及补偿 1 霍尔元件的零位误差与补偿霍尔元件的零位误差是指在无外加磁场或无控制电流的情况下 霍尔元件产生输出电压并由此而产生的误差 它主要表现为以下几种具体形式 1 不等位电动势不等位电动势是零位误差中最主要的一种 它是当霍尔元件在额定控制电流 元件在空气中温升10 所对应的电流 作用下 不加外磁场时 霍尔输出端之间的空载电动势 此外 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 如图所示 致使两霍尔电极不在同一等位面上而产生不等位电动势 2 寄生直流电势在无磁场的情况下 元件通入交流电流 输出端除交流不等位电压以外的直流分量称为寄生直流电势 产生寄生直流电势的原因有两个方面 1 由于控制电极焊接处接触不良而造成一种整流效应 使控制电流因正 反向电流大小不等而具有一定的直流分量 2 输出电极焊点热容量不相等产生温差电动势 对于锗霍尔元件 当交流控制电流为20mA时 输出电极的寄生直流电压小于100 3 感应零电动势感应零电动势是在未通电流的情况下 由于脉动或交变磁场的作用 在输出端产生的电动势 根据电磁感应定律 感应电动势的大小与霍尔元件输出电极引线构成的感应面积成正比 如图所示 4 自激场零电动势霍尔元件控制电流产生自激场 如图所示 由于元件的左右两半场相等 故产生的电动势方向相反而抵消 实际应用时由于控制电流引线也产生磁场 使元件左右两半场强不等 因而有霍尔电动势输出 这一输出电动势即是自激场零电动势 在上述的4种零位误差中 寄生直流电动势 感应零电动势以及自激场零电动势 是由于制作工艺上的原因而造成的误差 可以通过工艺水平的提高加以解决 而不等位电动势所造成的零位误差 则必须通过补偿电路给予克服 在理想情况下R1 R2 R3 R4 即可取得零位电动势为零 或零位电阻为零 从而消除不等位电动势 实际上 若存在零位电动势 则说明此4个电阻不完全相等 即电桥不平衡 为使其达到平衡 可在阻值较大的桥臂上并联可调电阻RP或在两个臂上同时并联电阻RP和R 霍尔元件结构及等效电路如图 霍尔元件零位误差补偿电路 2 霍尔元件的温度误差及补偿与一般半导体一样 由于电阻率 迁移率以及载流子浓度随温度变化 所以霍尔元件的性能参数如输入 输出电阻 霍尔常数等也随温度而变化 致使霍尔电动势变化 产生温度误差 将温度每变化1 时 霍尔元件输入电阻或输出电阻的相对变化率Ri Ro称为内阻温度系数 用表示 将温度每变化1 时 霍尔电压的相对变化率UHt UH0称为霍尔电压温度系数 用表示 几种温度误差的补偿方法1 采用恒压源和输入回路串联电阻 补偿基本电路及等效电路如图 霍尔电压随温度变化的关系式为 对上式求温度的导数得 要使温度变化时霍尔电压不变 必须使外接电阻 2 合理选择负载电阻RL的阻值霍尔元件的输出电阻Ro和霍尔电动势UH都是温度的函数 设为正温度系数 当霍尔元件接有负载RL时 在RL上的电压为 3 采用温度补偿元件 如热敏电阻 电阻丝 这是一种常用的温度误差补偿方法 由于热敏电阻具有负温度系数 电阻丝具有正温度系数 可采用输入回路串接热敏电阻 输入回路并接电阻丝 或输出端串接热敏电阻对具有负温度系数的锑化铟材料霍尔元件进行温度补偿 可采用输入端并接热敏电阻方式对输出具有正温度系数的霍尔元件进行温度补偿 一般来说 温度补偿电路 霍尔元件和放大电路应集成在一起制成集成霍尔传感器 5霍尔传感器的应用 1霍尔转速传感器 在被测转速的转轴上安装一个齿盘 也可选取机械系统中的一个齿轮 将线性型霍尔器件及磁路系统靠近齿盘 齿盘的转动使磁路的磁阻随气隙的改变而周期性地变化 霍尔器件输出的微小脉冲信号经隔直 放大 整形后可以确定被测物的转速 S N 霍尔器件 磁铁 霍尔转速表原理 当齿对准霍尔元件时 磁力线集中穿过霍尔元件 可产生较大的霍尔电动势 放大 整形后输出高电平 反之 当齿轮的空挡对准霍尔元件时 输出为低电平 霍尔转速表的其他安装方法 只要金属旋转体的表面存在缺口