霍爾傳感器(摘自“傳感器技術(shù)”)

2018-08-24 16:12:11 116

引言:

霍爾傳感器是全球排名第三的傳感器產(chǎn)品,它被廣泛應(yīng)用到工業(yè)、汽車業(yè)、電腦、手機(jī)以及新興消費(fèi)電子領(lǐng)域。


未來幾年,隨著越來越多的汽車電子和工業(yè)設(shè)計(jì)企業(yè)轉(zhuǎn)移到中國,霍爾傳感器在中國市場(chǎng)的年銷售額將保持20%到30%的高速增長(zhǎng)。


與此同時(shí),霍爾傳感器的相關(guān)技術(shù)仍在不斷完善中,可編程霍爾傳感器、智能化霍爾傳感器以及微型霍爾傳感器將有更好的市場(chǎng)前景。


什么是霍爾效應(yīng)?


霍爾效應(yīng)是磁電效應(yīng)的一種,這一現(xiàn)象是霍爾(A.H.Hall,1855—1938)于1879年在研究金屬的導(dǎo)電機(jī)構(gòu)時(shí)發(fā)現(xiàn)的。


后來發(fā)現(xiàn)半導(dǎo)體、導(dǎo)電流體等也有這種效應(yīng),而半導(dǎo)體的霍爾效應(yīng)比金屬強(qiáng)得多,當(dāng)電流垂直于外磁場(chǎng)通過導(dǎo)體時(shí),載流子發(fā)生偏轉(zhuǎn),垂直于電流和磁場(chǎng)的方向會(huì)產(chǎn)生一附加電場(chǎng),從而在導(dǎo)體的兩端產(chǎn)生電勢(shì)差,這一現(xiàn)象就是霍爾效應(yīng),這個(gè)電勢(shì)差也被稱為霍爾電勢(shì)差?;魻栃?yīng)應(yīng)使用左手定則判斷。


圖片關(guān)鍵詞
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在式(1)中:若保持控制電流Ic不變,在一定條件下,可通過測(cè)量霍爾電壓推算出磁感應(yīng)強(qiáng)度的大小,由此建立了磁場(chǎng)與電壓信號(hào)的聯(lián)系,根據(jù)這一關(guān)系式,人們研制了用于測(cè)量磁場(chǎng)的半導(dǎo)體器件即霍爾元件。


霍爾效應(yīng)的本質(zhì)是:固體材料中的載流子在外加磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)時(shí),因?yàn)槭艿铰鍋銎澚Φ淖饔枚管壽E發(fā)生偏移,并在材料兩側(cè)產(chǎn)生電荷積累,形成垂直于電流方向的電場(chǎng),最終使載流子受到的洛侖茲力與電場(chǎng)斥力相平衡,從而在兩側(cè)建立起一個(gè)穩(wěn)定的電勢(shì)差即霍爾電壓。


正交電場(chǎng)和電流強(qiáng)度與磁場(chǎng)強(qiáng)度的乘積之比就是霍爾系數(shù)。平行電場(chǎng)和電流強(qiáng)度之比就是電阻率。大量的研究揭示:參加材料導(dǎo)電過程的不僅有帶負(fù)電的電子,還有帶正電的空穴。


什么是霍爾傳感器?


霍爾傳感器是根據(jù)霍爾效應(yīng)制作的一種磁場(chǎng)傳感器,廣泛地應(yīng)用于工業(yè)自動(dòng)化技術(shù)、檢測(cè)技術(shù)及信息處理等方面。


通過霍爾效應(yīng)實(shí)驗(yàn)測(cè)定的霍爾系數(shù),能夠判斷半導(dǎo)體材料的導(dǎo)電類型、載流子濃度及載流子遷移率等重要參數(shù)。


由于霍爾元件產(chǎn)生的電勢(shì)差很小,故通常將霍爾元件與放大器電路、溫度補(bǔ)償電路及穩(wěn)壓電源電路等集成在一個(gè)芯片上,稱之為霍爾傳感器?;魻杺鞲衅饕卜Q為霍爾集成電路,其外形較小,如下圖所示:


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霍爾傳感器其中某型


霍爾傳感器的優(yōu)點(diǎn)及用途


許多人都知道,轎車的自動(dòng)化程度越高,微電子電路越多,就越怕電磁干擾。而在汽車上有許多燈具和電器件,尤其是功率較大的前照燈、空調(diào)電機(jī)和雨刮器電機(jī)在開關(guān)時(shí)會(huì)產(chǎn)生浪涌電流,使機(jī)械式開關(guān)觸點(diǎn)產(chǎn)生電弧,產(chǎn)生較大的電磁干擾信號(hào)。


采用功率霍爾開關(guān)電路可以減小這些現(xiàn)象?;魻柶骷ㄟ^檢測(cè)磁場(chǎng)變化,轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)輸出,可用于監(jiān)視和測(cè)量汽車各部件運(yùn)行參數(shù)的變化。


例如位置、位移、角度、角速度、轉(zhuǎn)速等等,并可將這些變量進(jìn)行二次變換;可測(cè)量壓力、質(zhì)量、液位、流速、流量等?;魻柶骷敵隽恐苯优c電控單元接口,可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)檢測(cè)。


目前的霍爾器件都可承受一定的振動(dòng),可在零下40℃到零上150℃范圍內(nèi)工作,全部密封不受水油污染,完全能夠適應(yīng)汽車的惡劣工作環(huán)境。



霍爾傳感器可以測(cè)量任意波形的電流和電壓,如:直流、交流、脈沖波形等,甚至對(duì)瞬態(tài)峰值的測(cè)量。副邊電流忠實(shí)地反應(yīng)原邊電流的波形。而普通互感器則是無法與其比擬的,它一般只適用于測(cè)量50Hz正弦波


原邊電路與副邊電路之間有良好的電氣隔離,隔離電壓可達(dá)9600Vrms;


精度高:在工作溫度區(qū)內(nèi)精度優(yōu)于1%,該精度適合于任何波形的測(cè)量;霍爾開關(guān)器件無觸點(diǎn)、無磨損、輸出波形清晰、無抖動(dòng)、無回跳、位置重復(fù)精度高(可達(dá)μm級(jí))。


寬帶寬:高帶寬的電流傳感器上升時(shí)間可小于1μs;但是,電壓傳感器帶寬較窄,一般在15kHz以內(nèi),6400Vrms的高壓電壓傳感器上升時(shí)間約500uS,帶寬約700Hz。


測(cè)量范圍廣泛:電流測(cè)量可達(dá)50KA,電壓測(cè)量可達(dá)6400V。


結(jié)構(gòu)牢固,體積小,重量輕,壽命長(zhǎng),安裝方便,功耗小,頻率高(可達(dá)1MHZ),耐震動(dòng),不怕灰塵、油污、水汽及鹽霧等的污染或腐蝕。



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上圖即是一種典型的霍爾傳感器實(shí)現(xiàn)定位應(yīng)用---一個(gè)輪上的兩個(gè)磁鐵經(jīng)過霍爾效應(yīng)傳感器。圖示中的輪子,帶有兩個(gè)等距的磁鐵,傳感器上的電壓在一個(gè)周期內(nèi)將兩次達(dá)到峰值。


通常被用于計(jì)量車輪和軸的速度,例如在內(nèi)燃機(jī)點(diǎn)火定時(shí)(正時(shí))或轉(zhuǎn)速表上。其在無刷直流電動(dòng)機(jī)的使用,用來檢測(cè)永磁鐵的位置。


霍爾傳感器廣泛應(yīng)用在變頻調(diào)速裝置、逆變裝置、UPS電源、通信 電源、電焊機(jī)、電力機(jī)車、變電站、數(shù)控機(jī)床、電解電鍍、微機(jī)監(jiān)測(cè)、電網(wǎng)監(jiān)測(cè)等需要隔離檢測(cè)電流的設(shè)施中以及新興的太陽能、風(fēng)能和地鐵軌道信號(hào)、汽車電子等領(lǐng)域。 


霍爾傳感器的主要特性參數(shù)


前面介紹過了霍爾傳感器是一種根據(jù)霍爾效應(yīng)制作的磁場(chǎng)傳感器,它的主要特性參數(shù)有以下幾類。

  

(1)輸入電阻R

霍爾傳感器元件兩激勵(lì)電流端的直流電阻稱為輸入電阻。它的數(shù)值從幾歐到兒百歐,視不同型號(hào)的元件而定。


溫度升高,輸入電阻變小,從而使輸入電流變大,最終引起霍爾傳感器電勢(shì)變化。為了減少這種影響,最好采用恒流源作為激勵(lì)源。

  

(2)輸出電阻R

兩個(gè)霍爾傳感器電勢(shì)輸出端之間的電阻稱為輸出電阻,它的數(shù)位與輸入電阻同一數(shù)量級(jí)。它也隨溫度改變順改變。選擇適當(dāng)?shù)呢?fù)載電阻易與之匹配,可以使由溫度引起的程水電勢(shì)的漂移減至最小。

  

(3)最大激勵(lì)電流I---霍爾傳感器參數(shù)

由于霍爾傳感器電勢(shì)隨激勵(lì)電流的增大而增大,故在應(yīng)用中總希望選用較大的激勵(lì)電流1M但激勵(lì)電流增大,程爾元件的功耗增大,元件的溫皮升高,從而引起霍爾傳感器屯勢(shì)的溫漂增大,因此每種型號(hào)的幾件均規(guī)定了相應(yīng)的最大激勵(lì)電流,它的數(shù)值從幾毫安至幾百毫安。


(4)靈敏度K

靈敏度KH=EH/IB,它的數(shù)值約為10MV(MA.T)左右。


(5)最大磁感應(yīng)強(qiáng)度BM---霍爾傳感器參數(shù)

磁感應(yīng)強(qiáng)度超過BM時(shí),霍爾傳感器電勢(shì)的非線性誤差將明顯增大,特斯撿(T)成幾千高斯(Gs)(1Gs=104T)。

  

(6)個(gè)等位電勢(shì)

在額定激勵(lì)電流F,當(dāng)外加磁場(chǎng)為零時(shí)它是由于4個(gè)屯極的幾何尺寸不對(duì)稱引起的誤差。

  

(7)霍爾傳感器屯勢(shì)溫度系數(shù)

6M的數(shù)值一般為零點(diǎn)刀霍爾傳感器輸出端之間的開路電壓稱為不等位電勢(shì),使用時(shí)多采用電橋法來補(bǔ)償不等位電勢(shì)引起日在一定磁感應(yīng)強(qiáng)度和激勵(lì)電流的作用下,溫度每變化1攝氏度時(shí),霍爾傳感器電勢(shì)變化的百分?jǐn)?shù)弱為霍爾傳感器電勢(shì)溫度系數(shù),它與霍爾傳感器元件的材料有關(guān)。


霍爾傳感器的分類


霍爾傳感器分為線性型霍爾傳感器和開關(guān)型霍爾傳感器兩種。


1)線性型霍爾傳感器由霍爾元件、線性放大器和射極跟隨器組成,它輸出模擬量。


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2)開關(guān)型霍爾傳感器由穩(wěn)壓器、霍爾元件、差分放大器,斯密特觸發(fā)器和輸出級(jí)組成,它輸出數(shù)字量。


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按被檢測(cè)的對(duì)象的性質(zhì)可將它們的應(yīng)用分為:直接應(yīng)用和間接應(yīng)用。前者是直接檢測(cè)出受檢測(cè)對(duì)象本身的磁場(chǎng)或磁特性,后者是檢測(cè)受檢對(duì)象上人為設(shè)置的磁場(chǎng)。 


霍爾傳感器在各大領(lǐng)域的應(yīng)用


按被檢測(cè)的對(duì)象的性質(zhì)可將它們的應(yīng)用分為:直接應(yīng)用和間接應(yīng)用。前者是直接檢測(cè)出受檢測(cè)對(duì)象本身的磁場(chǎng)或磁特性,后者是檢測(cè)受檢對(duì)象上人為設(shè)置的磁場(chǎng),用這個(gè)磁場(chǎng)來作被檢測(cè)的信息的載體,通過它,將許多非電、非磁的物理量。


例如力、力矩、壓力、應(yīng)力、位置、位移、速度、加速度、角度、角速度、轉(zhuǎn)數(shù)、轉(zhuǎn)速以及工作狀態(tài)發(fā)生變化的時(shí)間等,轉(zhuǎn)變成電量來進(jìn)行檢測(cè)和控制。


(一)線性型霍爾傳感器主要用于一些物理量的測(cè)量。


1.電流傳感器:  


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由于通電螺線管內(nèi)部存在磁場(chǎng),其大小與導(dǎo)線中的電流成正比,故可以利用霍爾傳感器測(cè)量出磁場(chǎng),從而確定導(dǎo)線中電流的大小。


利用這一原理可以設(shè)計(jì)制成霍爾電流傳感器。其優(yōu)點(diǎn)是不與被測(cè)電路發(fā)生電接觸,不影響被測(cè)電路,不消耗被測(cè)電源的功率,特別適合于大電流傳感。


霍爾電流傳感器工作原理如圖所示:


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標(biāo)準(zhǔn)圓環(huán)鐵芯有一個(gè)缺口,將霍爾傳感器插入缺口中,圓環(huán)上繞有線圈,當(dāng)電流通過線圈時(shí)產(chǎn)生磁場(chǎng),則霍爾傳感器有信號(hào)輸出。


2.位移測(cè)量: 

如圖所示:


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兩塊永久磁鐵同極性相對(duì)放置,將線性型霍爾傳感器置于中間,其磁感應(yīng)強(qiáng)度為零,這個(gè)點(diǎn)可作為位移的零點(diǎn),當(dāng)霍爾傳感器在Z軸上作△Z位移時(shí),傳感器有一個(gè)電壓輸出,電壓大小與位移距離大小成正比。


如果把拉力、壓力等參數(shù)變成位移距離,便可測(cè)出拉力及壓力的大小,如下圖所示,是按這一原理制成的力矩傳感器。

  

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(二)開關(guān)型霍爾傳感器主要用于測(cè)轉(zhuǎn)數(shù)、轉(zhuǎn)速、風(fēng)速、流速、接近開關(guān)、關(guān)門告知器、報(bào)警器、自動(dòng)控制電路等。


1.測(cè)轉(zhuǎn)速或轉(zhuǎn)數(shù):

如下圖所示:


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在非磁性材料的圓盤邊上粘一塊磁鋼,霍爾傳感器放在靠近圓盤邊緣處,圓盤旋轉(zhuǎn)一周,霍爾傳感器就輸出一個(gè)脈沖,從而可測(cè)出轉(zhuǎn)數(shù)(計(jì)數(shù)器),若接入頻率計(jì),便可測(cè)出轉(zhuǎn)速。   


如果把開關(guān)型霍爾傳感器按預(yù)定位置有規(guī)律地布置在軌道上,當(dāng)裝在運(yùn)動(dòng)車輛上的永磁體經(jīng)過它時(shí),可以從測(cè)量電路上測(cè)得脈沖信號(hào)。根據(jù)脈沖信號(hào)的分布可以測(cè)出車輛的運(yùn)動(dòng)速度。


2.各種實(shí)用電路:

開關(guān)型霍爾傳感器尺寸小、工作電壓范圍寬,工作可靠,價(jià)格便宜,因此獲得極為廣泛的應(yīng)用。


下面列舉一個(gè)實(shí)例說明:


汽車車門狀態(tài)顯示:


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現(xiàn)在汽車一般都有該功能了。這里使用了霍爾傳感器,只要再配置一塊小永久磁鐵就很容易做成車門是否關(guān)好的指示器,配置電路示意如下:


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三片開關(guān)型霍爾傳感器分別裝在汽車的四個(gè)門框上,在車門適當(dāng)位置各固定一塊磁鋼,當(dāng)車門開著時(shí),磁鋼遠(yuǎn)離霍爾開關(guān),輸出端為高電平。若四個(gè)門中有一個(gè)未關(guān)好,則或非門輸出為低電平,紅燈亮,表示還有門未關(guān)好,若三個(gè)門都關(guān)好,則或非門輸出為高電平,綠燈亮,表示車門關(guān)好,司機(jī)可放心開車。


霍爾傳感器展望


霍爾傳感器在中國市場(chǎng)增長(zhǎng)率為兩位數(shù),在我們的日常生活中,霍爾傳感器被廣泛應(yīng)用。例如,在翻蓋或是滑蓋的手機(jī)中,用來檢測(cè)手機(jī)蓋翻開或是滑動(dòng)的器件就是霍爾傳感器;再如,在電腦鍵盤上,實(shí)現(xiàn)光標(biāo)移動(dòng)的滾動(dòng)鍵就是由霍爾傳感器組成的;還有,在汽車變速箱、電動(dòng)門窗等需要電機(jī)的部件中也有霍爾傳感器應(yīng)用。我們?cè)诿刻斓纳钪卸荚谂c霍爾傳感器打交道。


霍爾傳感器應(yīng)用的領(lǐng)域不同,因此各個(gè)市場(chǎng)對(duì)它的要求也不盡相同。手機(jī)市場(chǎng)對(duì)霍爾傳感器的主要要求包括尺寸、功耗和可調(diào)節(jié)的閾值。在工業(yè)和汽車應(yīng)用方面,霍爾傳感器首先要滿足工業(yè)或汽車認(rèn)證對(duì)器件的要求,例如安全性、穩(wěn)定性和溫度范圍要達(dá)到相應(yīng)的級(jí)別。


隨著這些終端應(yīng)用產(chǎn)品的不斷發(fā)展,霍爾傳感器也呈現(xiàn)微型化、高集成化、高靈敏度、耐溫性發(fā)展。