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霍尔传感元器件及其应用  

2007-12-09 20:40:30|  分类: 防盗报警系统 |  标签: |举报 |字号 订阅

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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μm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1879年发现的。VH称为霍尔电压。

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)。

在上述(1)、(2)、(3)式中VH是霍尔电压,ρ是用来制作霍尔元件的材料的电阻率,μn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,ρ、RH、μn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,μn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,BOP-BRP=BH称为回差。回差的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,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

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Ⅱ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。
 
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50μm。
 
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560Ω,因此,可取560Ω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10-6T~10T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(>10kΩ)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

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)

编辑整理:张新房

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