霍尔传感元器件及其应用分析.pdf

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1、霍尔传感元器件及其应用 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 m 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 55 150。 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

2、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、 霍尔效应和霍尔器件 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 1

3、879 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）。 或 在上述

4、（ 1）、（ 2）、（ 3）式中 VH 是霍尔电压， 是用来制作霍尔元件的材料的电阻率， n 是材料的电子迁移率，RH 是霍尔系数， l、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，是由元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， 、RH、n 决定于元件所 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

5、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， 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 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

6、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。 2.2.2.1 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

7、图和输出特性示于图2 和图 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 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。 2.2.2.2 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， BOPBRP=BH 称为回差。回差 的

8、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(OC) 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 OC 输出(b)双 OC 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，

9、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。 2.2.2.3 差动霍尔电路 (双霍尔电路 ) 它的霍尔电压发生器由一对相距2.5mm 的霍尔元件组成，其功能框图见图6。 图 6 差动霍尔电路的工作原理图 使用时在电路背面放置一块永久磁体，当用铁磁材料制成的齿轮从电路附近转过时，一对霍 尔片上产生的霍尔电压相位相反，经差分放大后， 使器件灵敏度大为提高。用这种电路制成 的汽车齿轮传感器具有极优的性能。 2.2.2.4 其它霍尔电路 除上述各种霍尔器件外，目前还出现了许多特殊功能的霍尔电路，如功率霍尔电路，多重双 线霍尔传感器。 3 霍尔器件的应用

10、 3.1 应用的一般问题 3.1.1 测量磁场 使用霍尔器件检测磁场的方法极为简单，将霍尔器件作成各种形式的探头，放在被测磁场中， 因霍尔器件只对垂直于霍尔片的表面的磁感应强度敏感，因而必须令磁力线和器件表面垂 直，通电后即可由输出电压得到被测磁场的磁感应强度。若不垂直， 则应求出其垂直分量来 计算被测磁场的磁感应强度值。而且，因霍尔元件的尺寸极小，可以进行多点检测，由计算 机进行数据处理，可以得到场的分布状态，并可对狭缝，小孔中的磁场进行检测 3.1.2 工作磁体的设置 用磁场作为被传感物体的运动和位置信息载体时，一般采用永久磁钢来产生工作磁场。 例如，用一个5 4 2.5（mm3）的钕铁硼

11、号磁钢，就可在它的磁极表面上得到约2300 高 斯的磁感应强度。在空气隙中，磁感应强度会随距离增加而迅速下降。为保证霍尔器件，尤 其是霍尔开关器件的可靠工作，在应用中要考虑有效工作气隙的长度。在计算总有效工作气 隙时，应从霍尔片表面算起。在封装好的霍尔电路中，霍尔片的深度在产品手册中会给出。 因为霍尔器件需要工作电源，在作运动或位置传感时，一般令磁体随被检测物体运动，将霍 尔器件固定在工作系统的适当位置，用它去检测工作磁场，再从检测结果中提取被检信息。 工作磁体和霍尔器件间的运动方式有：(a)对移； (b)侧移； (c)旋转； (d)遮断。如图7 所示， 图中的 TEAG 即为总有效工作气隙。

12、 图 7 霍尔器件和工作磁体间的运动方式 在遮断方式中， 工作磁体和霍尔器件以适当的间隙相对固定，用一软磁 （例如软铁）翼片作 为运动工作部件，当翼片进入间隙时，作用到霍尔器件上的磁力线被部分或全部遮断，以此 来调节工作磁场。被传感的运动信息加在翼片上。这种方法的检测精度很高，在125的温 度范围内，翼片的位置重复精度可达50m 。 图 8 在霍尔器件背面放置磁体 也可将工作磁体固定在霍尔器件背面（外壳上没打标志的一面），让被检的铁磁物体（例如 钢齿轮）从它们近旁通过，检测出物体上的特殊标志（如齿、凸缘、缺口等），得出物体的 运动参数 3.1.3 与外电路的接口 霍尔开关电路的输出级一般是一个

13、集电极开路的NPN 晶体管，其使用规则和任何一种相似 的 NPN 开关管相同。输出管截止时，输漏电流很小，一般只有几nA，可以忽略，输出电压 和其电源电压相近，但电源电压最高不得超过输出管的击穿电压（即规范表中规定的极限电 压）。输出管导通时，它的输出端和线路的公共端短路。因此，必须外接一个电阻器（即负 载电阻器）来限制流过管子的电流，使它不超过最大允许值（一般为20mA ），以免损坏输 出管。 输出电流较大时，管子的饱和压降也会随之增大，使用者应当特别注意，仅这个电压 和你要控制的电路的截止电压（或逻辑“ 零” ）是兼容的。 以与发光二极管的接口为例，对负载电阻器的选择作一估计。若在Io 为

14、 20mA（霍尔电路 输出管允许吸入的最大电流），发光二极管的正向压降VLED=1.4V ，当电源电压VCC=12V 时，所需的负载电阻器的阻值（4） 和这个阻值最接近的标准电阻为560， 因此，可取 560 的电阻器作为负载电阻器。 用图 9 表示简化了的霍尔开关电路，图10 表示与各种电路的接口：（a）与 TTL 电路； (b) 与 CMOS 电路； (c)与 LED ；(d)与晶闸管。 图 9 简化的霍尔开关示意图 图 10 霍尔开关与电路接口举例 与这些电路接口时所需的负载电阻器阻值的估算方法，和式（4）的方法相同。 若受控的电路所需的电流大于20mA，可在霍尔开关电路与被控电路间接入

15、电流放大器。 霍尔器件的开关所需的电流大于20mA ，可在霍尔开关电路与被电路间接入电流放大器。 霍尔器件的开关作用非常迅速，典型的上升时间和下降时间在400nS 范围内，优于任何机 械开关。 3.2 应用实例 下面我们将举出一些应用实例。这些例子仅是该类应用中的一种，用同样的原理和方法，使 用者可根据自己的使用需要，设计出自己的应用装置。 3.2.1 检测磁场 用霍尔线性器件作探头，测量106T10T 的交变和恒定磁场，已有许多商品仪器。这里， 仅介绍一种用经过校准的UGN3503 或 A3515 型霍尔线性电路来检测磁场的磁感应强度的简 便方法。电路出厂时，工厂可提供每块电路的校准曲线和灵

16、敏度系数。测量时，将电路第一 脚（面对标志面从左到右数）接电源， 第二脚接地， 第三脚接高输入阻抗（10k）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 )，B=被测磁场的磁感应强度，单位为 G。 3.2.2 检测铁磁物体

17、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， 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。 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

18、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 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）