霍尔传感器原理

1、霍尔传感器原理霍尔传感器是利用半导体材料的霍尔效应进行测量的一种传感器.它可以直接测量 磁场及微位移量,也可以间接测量液位，压力等工业生产过程参数.目前霍尔传感器已 从分立元件发展到了集成电路的阶段，正越来越受到人们的重视，应用日益广泛.一，霍尔效应在置于磁场的导体或半导体时通入电流，若电流与磁场垂直，则在与磁场和电流都垂 直的方向上会出现一个电热差,这种现象为霍尔效应.利用霍尔效应制成的元件称为 霍尔传感器.见图6-2-1,半导体材料的长，宽，厚分别为l,b和d.在与x轴相垂直的两个 端面c和d上做两个金属电极,称为控制电极.在控制电极上外加一电压u,材料中便形 成一个沿x方向流动的电流I,

2、称为控制电流.设图中的材料是N型半导体,导电的载流子是电子.在z轴方向的磁场作用下，电子将 受到一个沿y轴负方向力的作用,这个力就是洛仑兹力洛仑兹力用Fl表示，大小为: FL=qvB (6-2-1)式中,q为载流子电荷;v为载流子的运动速度;B为磁感应强度.上一节下一节在洛仑兹力的作用下，电子向一侧偏转，使该侧形成负电荷的积累，另一侧则形成正电 荷的积累.这样,A,B两端面因电荷积累而建立了一个电场Eh,称为霍尔电场.该电场对 电子的作用力与洛仑兹力的方向相反，即阻止电荷的继续积累.当电场力与洛仑兹力 相等时，达到动态平衡,这时有qEH=qvB霍尔电场的强度为EH=vB (6-2-2)在A与B

3、两点间建立的电势差称为霍尔电压，用UH表示UH= EHb= vBb (6-2-3)由式(6-2-3)可见,霍尔电压的大小决定于载流体中电子的运动速度，它随载流体材料 的不同而不同.材料中电子在电场作用下运动速度的大小常用载流子迁移率来表征/ 所谓载流子迁移率,是指在单位电场强度作用下，载流子的平均速度值.载流子迁移率 用符号表示,=v/EI.其中EI是C,D两端面之间的电场强度.它是由外加电压U产生 的，即EI=U/L.因此我们可以把电子运动速度表示为v=U/1.这时式(6-2-3)可改写为： (6-2-4)当材料中的电子浓度为n时，有如下关系式:I=nqbdv即(6-2-5)将式(6-2-5

4、)代入式(6-2-3),得到(6-2-6)式中RH为霍尔系数，它反映材料霍尔效应的强弱，;KH为霍尔灵敏度，它表示一个霍 尔元件在单位控制电流和单位磁感应强度时产生的霍尔电压的大小，KH=RH/d，它的 单位是mV/(mAT)由式(6-2-6)可见，霍尔元件灵敏度KH是在单位磁感应强度和单位 激励电流作用下,霍尔元件输出的霍尔电压值，它不仅决定于载流体材料，而且取决于 它的几何尺寸(6-2-7)由式(6-2-4),(6-2-6)还可以得到载流体的电阻率p与霍尔系数RH和载流子迁移率 之间的关系：(6-2-8)通过以上分析，可以看出：1)霍尔电压UH与材料的性质有关.根据式(6-2-8),材料的

5、p巾大,RH就大.金属的 虽然很大，但P很小，故不宜做成元件.在半导体材料中，由于电子的迁移率比空穴的大, 且pn呻，所以霍尔元件一般采用N型半导体材料.2)霍尔电压UH与元件的尺寸有关.根据式(6-2-7),d愈小,KH愈大，霍尔灵敏度愈高，所以霍尔元件的厚度都比较薄，但d 太小,会使元件的输入，输出电阻增加.从式(6-2-4)中可见，元件的长度比l/b对UH也有影响.前面的公式推导,都是以半导体 内各处载流子作平行直线运动为前提的.这种情况只有在l/b很大时，即控制电极对霍 尔电极无影响时才成立，但实际上这是做不到的.由于控制电极对内部产生的霍尔电 压有局部短路作用在两控制电极的中间处测得

6、的霍尔电压最大，离控制电极很近的 地方，霍尔电压下降到接近于零为了减少短路影响l/b要大一些，一般l/b=2.但如果l/b 过大,反而使输入功耗增加降低元件的输出.霍尔电压UH与控制电流及磁场强度有关.根据式正比于及.当控制电流恒定时愈大 愈大.当磁场改变方向时，也改变方向.同样，当霍尔灵敏度及磁感应强度恒定时，增加 控制电流，也可以提高霍尔电压的输出.霍尔元件_如前所述，霍尔电压UH正比于控制电流和磁感应强度.在实际应用中,总是希望获得 较大的霍尔电压.增加控制电流虽然能提高霍尔电压输出，但控制电流太大，元件的功 耗也增加,从而导致元件的温度升高,甚至可能烧毁元件.设霍尔元件的输入电阻为Ri

7、,当输入控制电流I时，元件的功耗Pi为(6-2-9)式中,P为霍尔元件的电阻率.设霍尔元件允许的最大温升为AT,相应的最大允许控制电流为Icm时,在单位时间内 通过霍尔元件表面逸散的热量应等于霍尔元件的最大功耗，即(6-2-10)式中,A为散热系数W/(m2C).上式中的2lb表示霍尔片的上,下表面积之和，式中忽略 了通过侧面积逸散的热量.这样，由上式便可得出通过霍尔元件的最大允许控制电流为(6-2-11)_将上式及RH=代入式(6-2-6)，得到霍尔元件在最大允许温升下的最大开路霍尔电 压，即：(6-2-12)_式说明，在同样磁场强度，相同尺寸和相等功耗下,不同材料元件输出霍尔电压仅仅取 决

8、于,即材料本身的性质.根据式(6-2-12),选择霍尔元件的材料时，为了提高霍尔灵敏度,要求材料的RH和 1/2尽可能地大.霍尔元件的结构与其制造工艺有关.例如，体型霍尔元件是将半导体单晶材料定向切 片,经研磨抛光,然后用蒸发合金法或其它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，焊引线最后封装.相对来说,薄膜霍尔元件的厚度比体型霍尔元 件小一,二个数量级,可以与放大电路一起集成在一块很小的晶片上,便于微型化.温度特性及补偿温度特性霍尔元件的温度特性是指元件的内阻及输出与温度之间的关系.与一般半导体一样

9、, 由于电阻率，迁移率以及载流子浓度随温度变化，所以霍尔元件的内阻,输出电压等参 数也将随温度而变化.不同材料的内阻及霍尔电压与温度的关系曲线见图6-2-2和6-2-3所示.图中,内阻和霍尔电压都用相对比率表示.我们把温度每变化1 C时，霍尔元件输入电 阻或输出电阻的相对变化率称为内阻温度系数，用P表示.把温度每变化1C时，霍尔 电压的相对变化率称为霍尔电压温度系数，用a表示.可以看出:砷化铟的内阻温度系数最小,其次是错和硅，锑化铟最大.除了锑化铟的内阻 温度系数为负之外，其余均为正温度系数.霍尔电压的温度系数硅最小，且在温度范围内是正值,其次是砷化铟，它是值在左右温 度下由正变负;再次是错,

10、而锑化铟的值最大且为负数，在低温下其霍尔电压将是的霍 尔电压的3倍，到了高温，霍尔电压降为时的15%.温度补偿霍尔元件温度补偿的方法很多,下面介绍两种常用的方法.利用输入回路的串联电阻进行补偿图6-2-4a是输入补偿的基本线路，图中的四端元件 是霍尔元件的符号.两个输入端串联补偿电阻R并接恒电源，输出端开路.根据温度特 性，元件霍尔系数和输入内阻与温度之间的关系式为RHt=RH0(1+at) Rit=Ri0(1+pt) 式中,RHt为温度为t时霍尔系数;RH0为0C时的霍尔系数;Rit为温度为t时的输入 电阻;Ri0为0C时的输入电阻;a为霍尔电压的温度系数，P为输入电阻的温度系数. 当温度变

11、化 攵 时，其增量为:ARH=RH0aAt ARi=Ri0pAt根据式(6-2-6)中及I=E/(R+Ri),可得出霍尔电压随温度变化的关系式为对上式求温度的导数，可得增量表达式(6-2-13)要使温度变化时霍尔电压不变,必须使即(6-2-14)式(6-2-13)中的第一项表示因温度升高霍尔系数引起霍尔电压的增量，第二项表示输 入电阻因温度升高引起霍尔电压减小的量很明显，只有当第一项时，才能用串联电阻 的方法减小第二项，实现自补偿.将元件的耶值代入式(6-2-14),根据Ri0的值就可确定串联黾阻R的值.(2)利用输出回路的负载进行补偿，见图6-2-5,霍尔元件的输入采用恒流源，使控制电 流I

12、稳定不变.这样，可以不考虑输入回路的温度影响.输出回路的输出电阻及霍尔电 压与温度之间的关系为UHt=UH0(1+at) Rvt=Rv0(1+pt)式中,UHt为温度为t时的霍尔电压;UH0为0时的霍尔电压;Rvt为温度为t时的输出 电阻;Rv0为0时的输出电阻.负载RL上的电压UL为UL=UH0(1+at) RL/Rv0(1+pt)+RL (6-2-15)为使UL不随温度变化，可对式(6-2-15)求导数并使其等于零，可得RL/Rv0邛/a-1邛/a (6-2-16)最后，将实际使用的霍尔元件的耶值代入，便可得出温度补偿时的RL值.当RL= Rv0 时，补偿最好.四，零位特性及补偿在无外加磁

13、场或无控制电流的情况下，元件产生输出电压的特性称为零位特性由此 而产生的误差称为零位误差.主要表现在以下几个方面不等位电压在无磁场的情况下，霍尔元件通以一定的控制电流I,两输出端产生的电压称为不等腰 三角形位电压，用U0表示.U0与I的比值称为不等位电阻，用R0表示，即R0= U0/I (6-2-17)不等位电压是由于元件输出极焊接不对称，厚薄不均匀以及两个输出极接触不良等 原因千万的，可以通过桥路平衡的原理加以补偿.寄生直流电压在无磁场的情况下,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 为寄生直流电压.产生寄生直流电压的原因不致上的两个方面：1）由于控制极焊接处欧姆接触不良而

14、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）输出极焊点热容量不相等产生温差电动势.对于错霍尔元件，当交流控制电流为20mA时,输出极的寄生直流电压小于100V.制 做和封装霍尔元件时，发送电极欧姆接触性能和元件的散热条件，是减少寄生直流电 压的有效措施.感应电动势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称为感应 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.自激场零电压在无外加磁场的情况下，由控制电流所建立的磁场在一定条件下使霍尔元件产生的 输出电压称为自激场零电压.感应电动势和自激场零电压都

15、可以用改变霍尔元件输出和输入引线的布置方法加以 改善._五，集成霍尔传感器集成霍尔传感器是利用硅集成电路工艺将霍尔元件和测量线路集成在一起的一种传 感器.它取消了传感器和测量电路之间的界限，实现了材料，元件，电路三位一体.集成 霍尔传感器与分立相比，由于减少了焊点,因此显著地提高了可靠性.此外，它具有体积 小，重量轻,功耗低等优点，正越来越爱到众的重视.集成霍尔传感器的输出是经过处理的霍尔输出信号.按照输出信号的形式，可以分为 开关型集成霍尔传感器和线性集成霍尔传感器两种类型.（一）开关型集成霍尔传感器开关型集成霍尔传感器是把霍尔元件的输出经过处理后输出一个高电平或低电平的 数字信号.其典型电

16、路见图6-2-6,下面我们分析电路的工作原理.图中的霍尔元件是在N型硅外延层上制作的.由于N型硅外延层的电阻率p 一般为 1.01.5Qcm电子迁移率约为1200cm2（Vs）,厚度d约为10pm，故很适合做霍尔元件. 集成块中霍尔元件的长600pm，宽为400pm.由于在制造工艺中采用了光刻技术，电极 的对称性好，零位误差大大减小.另外，由于厚度d很小,霍尔灵敏度也相对提高了，在 0.1T磁场作用下，元件开路时可输出20mV左右的霍尔电压.霍尔输出经前置放大的 后送到斯密特触发器，通过整形成为矩形脉冲输出.当磁感应强度B为0时，霍尔元件 无输出，即UH=0.线路中，由于流过V2集电极电阻的电

17、流大于流过V1集电极电阻的 电流，输出电压U b3Ub4，则V3优先导通，经过下面的正反馈过程：最终使得V3饱和V4截止.此时,V4的集电极处于高电位,Uc4E,V5截止,V6,V7均截 止，输出为高电平.当磁感应强度B不为0时，霍尔元件有UH输出.若集成霍尔传感器处于正向磁场，则 UH1升高,UH2下降，使V1的基极电位升高,V2的基极电位下降.于是,V1的集电极输 出电压Ub3下降,V2的集电极输出电压Vb4升高.当Ub3=Ue3+0.6V时,V3由饱和进 入放大状态，经过下面的正反馈过程：Ub3lTlc3lUb4fTlc4fTUe3f最终使得V3截止V4饱和.此时,V4的集电极处于低电位

18、.于是,V5导通，由V5和V6 组成的P-N-P和N-P-N型三极管的复合管,足以使V7,V8进入饱和状态.输出由原来 的高电平UoH转换成低电平U0L.当正向磁场退出时,随着作用于霍尔元件上磁感应强度B的减少,UH相应减小.Ub3 升高,Ub4下降.当Ub3= Ue4+0.5V,V3由截止进入放大状态，经过下面正反馈过程： Ub3f Ic3tUb4；Ic4；Ue3；最终又使得V3饱和,V4截止.V4的集电极处于高电位，恢复初始状态,V7,V8截止，输 出又转换成高电平UoH.集成霍尔传感器的输出电平与磁场B之间的关系见图6-2-7，可以看出,集成霍尔传感 器的导通磁感应强度和截止磁感应强度之

19、间存在滞后效应，这是由于V3,V4共用射 极电阻的正反馈作用使它们的饱和电流不相等引起的.其回差宽度AB为 B=B(HL)-B(JH)开关型集成霍尔传感器的这一特性，正是我们所需要的，它大大增强了开关电路的抗 干扰能力，保证开关动作稳定，不产生振荡现象.国产CS型集成霍尔传感器的磁电特 性如下:回差宽度典型值6X10-3T.电源电压CS837,CS6837 10V(CS839,CS6839 18V). 低电平输出电压U0L均为0.4V,高电平输出最大漏电流为10A,高电平电源电流 ICCH CS837,CS6837 为 6mA(CS839,CS6839 为 7mA),低电平电源电流 ICCL

20、CS837,CS6837 为 9mA(CS839,CS6839 为 7mA).(二)线性集成霍尔传感器线性集成霍尔传感器是把霍尔元件与放大线路集成在一丐的传感器.其输出信号与 磁感应强度成比例.通常由霍尔元件，差分放大，射极跟随输出及稳压四部分组成，其典 型线路见图6-2-8.这是HL1-1型线性集成霍尔传感器，它的电路比较简单，用于精度要 求不高的一些场合.图中，霍尔元件的输出经由V1,V2,R1至R5组成的第一级差分放 大器放大，放大后的信号再由V3,V6,R6,R7组成的第二级差分放大器放大.第二级放 大采用达林顿对管，射极电阻R8外接，适当选取R8的阻值，可以调整该极的工作点, 从而改

21、变电路增益.在电源电压为9V,R8取2K时，全电路的增益可达1000倍左右，与 分立元件霍尔传感器相比，灵敏度大为提高.六，霍尔传感器的应用(一)HNV025A型霍尔电压传感器工作原理它是利用磁补偿原理的一种霍尔电压传感器,能够测量直流，交流以及各种波形电压, 同时在电气上是高度绝缘的.它用磁检测器检测磁芯中次级电流所产生的磁场补偿 初级电流所产生的磁场的程度，使之在零磁通状态下工作.因此有等式:NpIp=NsIs ; 式中Ip为初级电流;Np为初级匝数;Is为次级电流;Ns为次级匝数主要参数：初级额定电流In 10 mA测量范围Ip 014 mA测量电阻 Rm 10mA RMmin RMmax100 300 Q次级额定电流Is 25 mA电源电压Vc 15(5%) V匝数比 2500:1000功耗电流10+Is mA绝缘电压 2.5KV/50Hz/1min总精度0.6%FS线性度0.2%FSType Max失调电流0.1 0.15 mA失调电流温漂070C 0.2 0.3 mA-4085 C 0.3 0.6 mA响应时间40 uS工作温度C档-1070C E档-4085C储存温度C档-4085C E档-55125C原边线圈电阻Ta=25C 140 Q副边线圈电阻Ta=25C 4