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1、霍尔元件及其应用Hall Sensing Components & Devices and Its Application 摘 要 : 霍尔元件是一种基于霍尔效应的磁传感器,已发展成一个品种多样的磁传感器产品族,并已得到广泛的应用。本文简要介绍其 工作原理, 产品特性及其典型应用。 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
2、;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55150。 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
3、控制。 2 霍尔效应和霍尔元件 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。(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
4、 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, 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
5、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,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 V
6、H 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
7、于直流无刷电机和测磁仪表。 2.2.2 霍尔电路 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。 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。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 灵敏度S/mV/mT 静态输出电压Vo/V 型号 Vcc/V 线性范围/mT 工作温度/ min typ max min typ max UGN3501 812 100 2085 3.5 7.0 2.5
8、3.6 5.0 UGN3503 4.56 90 2085 7.5 13.5 30.0 2.25 2.5 2.75 Icc/mA 引脚排列 型号 IOUT/mA Ro/k typ max 乘积灵敏度V/A0.1T 输出形式 1 2 3 4 外形结构 UGN3501 4.0 0.1 10 20 射极输出 VCC 地输出 CI/P UGN3503 0.05 9.0 14 射极输出 VCC 地输出 CI/P 表 3 线性霍尔电路的特性参数 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 BO
9、P 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
10、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。霍尔开关电路的性能参数见表 4。 表 4 霍尔开关电路的特性参数 型号 VCC/V Bop/mT BRP/mT BH/mT Icc/mA Io/mA Vo/sat Ioff/A 备注 CS1018 4.818 1420 2014 6 12 5 0.4 10 CS1028 4.524 283
11、0 3028 2 9 25 0.4 10 CS2018 4.020 1020 2010 6 30 300 0.6 10 互补输出 CS302 3.524 06 60 6 9 5 0.4 10 UGN3119 4.524 16.550 12.545 5 9 25 0.4 10 A3144 4.524 735 533 2 9 25 0.4 10 UGN3140 4.524 720 518 2 9 25 0.4 10 A3121 4.524 1335 830 5 9 20 0.4 10 UGN3175 4.524 125 2510 2 8 50 0.4 10 锁定 2.2.2.3 差动霍尔电路(双霍
12、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 除上述各种霍尔元件外,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电路,二维、三维霍尔集成电路等待。 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
13、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 542.5(mm3)的钕铁硼号磁钢,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
14、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
15、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。 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
16、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 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