第6章-霍爾式傳感器

第六章霍爾式傳感器第一節(jié)霍爾效應(yīng)和工作原理第二節(jié)霍爾元件的主要技術(shù)參數(shù)第三節(jié)、霍爾元件連接方式和輸出電路第四節(jié)霍爾元件的測(cè)量誤差和補(bǔ)償方法第五節(jié)霍爾式傳感器應(yīng)用

霍爾式傳感器是利用霍爾元件基于霍爾效應(yīng)原理而將被測(cè)量，如電流、磁場(chǎng)、位移、壓力等轉(zhuǎn)換成電動(dòng)勢(shì)輸出的一種傳感器。雖然它的轉(zhuǎn)換效率較低，溫度影響大，要求轉(zhuǎn)換精度較高時(shí)必須進(jìn)行溫度補(bǔ)償，但霍爾式傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積小，堅(jiān)固，頻率響應(yīng)寬(從直流到微波)，動(dòng)態(tài)范圍(輸出電勢(shì)的變化)大，無(wú)觸點(diǎn)，使用壽命長(zhǎng)，可靠性高，易微型化和集成電路化，因此在測(cè)量技術(shù)、自動(dòng)化技術(shù)和信息處理等方面得到廣泛的應(yīng)用?；魻柺絺鞲衅骱?jiǎn)介

霍爾傳感器是利用霍爾效應(yīng)實(shí)現(xiàn)磁電轉(zhuǎn)換的一種傳感器。霍爾效應(yīng)自1879年被發(fā)現(xiàn)自今已有100多年的歷史，但直到本世紀(jì)50年代，由于微電子學(xué)的發(fā)展，才被人們所重視和利用，開(kāi)發(fā)了多種霍爾元件。我國(guó)從70年代開(kāi)始研究霍爾器件，經(jīng)過(guò)30余年的研究和開(kāi)發(fā)、目前已經(jīng)能生產(chǎn)各種性能的霍爾元件，例如普通型、高靈敏度型、低溫度系數(shù)型、測(cè)溫測(cè)磁型和開(kāi)關(guān)式的霍爾元件。由于霍爾傳感器具有靈敏度高、線性度好、穩(wěn)定性高、體積小和耐高溫等特性，它已廣泛應(yīng)用于非電量測(cè)量、自動(dòng)控制、計(jì)算機(jī)裝置和現(xiàn)代軍事技術(shù)等各個(gè)領(lǐng)域。第一節(jié)霍爾效應(yīng)和工作原理一、霍爾效應(yīng)

如圖1所示的一塊半導(dǎo)體薄片，其長(zhǎng)度為L(zhǎng)，寬度為b，厚度為d，當(dāng)它被置于磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的磁場(chǎng)中，如果在它相對(duì)的兩邊通以控制電流I，且磁場(chǎng)方向與電流方向正交，則在半導(dǎo)體另外兩邊將產(chǎn)生一個(gè)大小與控制電流I和磁感應(yīng)強(qiáng)度B乘積成正比的電勢(shì)，即，其中為霍爾元件的靈敏度。這一現(xiàn)象稱(chēng)為霍爾效應(yīng)，該電勢(shì)稱(chēng)為霍爾電勢(shì)，半導(dǎo)體薄片就是霍爾元件。二、工作原理:

霍爾效應(yīng)是半導(dǎo)體中自由電荷受磁場(chǎng)中洛侖茲力作用而產(chǎn)生的。圖1

設(shè)霍爾元件為N型半導(dǎo)體，當(dāng)它通以電流I時(shí)，半導(dǎo)體中的自由電荷即載流子(電子）受到磁場(chǎng)中洛侖茲力的作用，其大小為式中：為電子速度，B為垂直于霍爾元件表面的磁感應(yīng)強(qiáng)度。使電子向垂直于B和自由電子運(yùn)動(dòng)方向偏移，其方向符合右手螺旋定律或左手定則，即電子有向某一端積聚的現(xiàn)象，使半導(dǎo)體一端面產(chǎn)生負(fù)電荷積聚，另一端面則為正電荷積聚。由于電荷聚積，產(chǎn)生靜電場(chǎng)，即為霍爾電場(chǎng)該靜電場(chǎng)對(duì)電子的作用力與洛侖茲力方向相反，將阻止電子繼續(xù)偏轉(zhuǎn)，其大小為：

靜電場(chǎng)作用于運(yùn)動(dòng)電子上的與洛侖茲力相等時(shí)，電子積累達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，即

所以：流過(guò)霍爾元件的電流I為：所以：代入中得：n為單位體積內(nèi)自由電子數(shù)(載流子濃度)

若霍爾元件為P型半導(dǎo)體、則：P為單位體積內(nèi)空穴數(shù)(載流子濃度)。三、霍爾系數(shù)和靈敏度在上式中令：或則式和式變?yōu)椋?/p>

則被定義為霍爾傳感器的霍爾系數(shù)。很明顯，霍爾系數(shù)由半導(dǎo)體材料性質(zhì)決定。它決定霍爾電勢(shì)的強(qiáng)弱。設(shè)：則有：

霍爾元件的靈敏度就是指在單位磁感應(yīng)強(qiáng)度B和單位控制電流I作用時(shí)，所能輸出的霍爾電勢(shì)的大小。由于材料電阻率與超流子濃度和其遷移率有關(guān)，即則：則有由此可見(jiàn)，要想霍爾電勢(shì)強(qiáng)，半導(dǎo)體材料的電阻率必須要高，且遷移率也要大。雖然，金屬導(dǎo)體的載流子遷移率很大，但其電阻率低；絕緣體電阻率很高，但其載流于遷移率低。因此，只有半導(dǎo)體材料為最佳霍爾傳感器的材料。表9—1列出了一些霍爾元件材料特性?；魻栯妱?shì)除了與材料的載流子遷移率和電阻率有關(guān)，同時(shí)還與霍爾元件的幾何尺寸有關(guān)。

一般要求霍爾元件靈敏度越大越好．霍爾元件的厚度d與成反比．因此，霍爾元件的厚度越小其靈敏度越高。當(dāng)霍爾元件的寬度b加大，或減小時(shí)，載流子在偏轉(zhuǎn)過(guò)程中的損失將加大、下降。通常要對(duì)式加以形狀效應(yīng)修正：霍爾元件：直角平行六面體的單晶半導(dǎo)體薄片材料：鍺(Ge)、硅(Si)、砷化銦(InSb)等半導(dǎo)體材料?；魻栐M成：半導(dǎo)體薄片和兩對(duì)電極組成輸入引線a、b：激勵(lì)電極輸出引線c、d：霍爾電極霍爾元件的基本結(jié)構(gòu)、組成形狀效應(yīng)系數(shù)，其修正值如表:圖2霍爾元件的符號(hào)和基本電路圖3霍爾電勢(shì)方向判別：P型材料：N型材料：左手定則：四指——指向電流

B——穿過(guò)手心大拇指——指向的是力的方向圖4Sensor新型傳感器不斷用于汽車(chē)、機(jī)器人等行業(yè)

人們過(guò)去的常識(shí)是“汽車(chē)并不使用最尖端技術(shù)”。要對(duì)生命負(fù)責(zé)的汽車(chē)廠商，采用實(shí)用化技術(shù)的原則今后恐怕也不會(huì)改變。但是為了安全而必須使用最尖端技術(shù)的話，那么強(qiáng)烈希望采用最尖端技術(shù)的趨勢(shì)必將越來(lái)越強(qiáng)。豐田汽車(chē)已經(jīng)制定了在2020年把日本國(guó)內(nèi)汽車(chē)事故減少一半的目標(biāo)，并將為此采取逐步把汽車(chē)設(shè)計(jì)成“電子繭”的方針。也就是說(shuō)，利用數(shù)百個(gè)傳感器把車(chē)輛包圍起來(lái)，根據(jù)來(lái)自這些傳感器的信息，利用激勵(lì)器對(duì)剎車(chē)和方向盤(pán)進(jìn)行電控。這里所必需的包括：各種傳感器、可快速處理來(lái)自傳感器的大量信息的處理器、驅(qū)動(dòng)激勵(lì)器的高耐壓（LSI），以及能夠?qū)SI的可靠性提高到與飛機(jī)相媲美的技術(shù)。所有這些元件均為尖端技術(shù)的結(jié)晶。在機(jī)器人的發(fā)展過(guò)程中，車(chē)載元件技術(shù)起著關(guān)鍵作用。因?yàn)闄C(jī)器人所需的關(guān)鍵技術(shù)包含于車(chē)載元件中。對(duì)于兩者來(lái)說(shuō)，傳感器、激勵(lì)器和信號(hào)處理等都至關(guān)重要。機(jī)器人也必須像汽車(chē)一樣如同電子繭似地配備傳感器，并快速判斷所接收到的信息。比如躲避運(yùn)動(dòng)的障礙物行走的動(dòng)作，必須識(shí)別障礙物、預(yù)測(cè)其動(dòng)作，并在不破壞平衡的條件下控制雙足等。第二節(jié)、霍爾元件的主要技術(shù)參數(shù)

1．額定功耗P0

霍爾元件在環(huán)境溫度T＝25c時(shí)，允許通過(guò)霍爾元件的電流I和電壓E的乘積，分最小、典型、最大三檔，單位為mw。當(dāng)供給霍爾元件的電壓確定后，根據(jù)額定功耗可以知道額定控制電流I，因此有些產(chǎn)品則提供額定控制電流I，不給出額定功耗P0。

2．輸入電阻Ri和輸出電阻Ro。

Ri是指控制電流極之間的電阻值，Ro指霍爾元件電極間的電阻，單位為歐姆。Ri和Ro可在無(wú)磁場(chǎng)即B=0時(shí)，用歐姆表等測(cè)量。3．不平衡電勢(shì)Uo

在額定控制電流I之下，不加磁場(chǎng)時(shí)，霍爾電極間的空載霍爾電勢(shì)稱(chēng)為不平衡(不等)電勢(shì)，單位為mv。不平衡電勢(shì)和額定控制電流I之比為不平衡電阻ro。有些產(chǎn)品也提供不平衡電阻參數(shù)值。4．霍爾電勢(shì)穩(wěn)定系數(shù)在一定的磁感應(yīng)強(qiáng)度和控制電流下，溫度變化1℃時(shí)，霍爾電勢(shì)變化的百分率，稱(chēng)為霍爾電勢(shì)溫度系數(shù).5．內(nèi)阻溫度系數(shù)霍爾元件在無(wú)磁場(chǎng)及工作溫度范圍內(nèi)，溫度每變化1℃時(shí)，輸入電阻與輸出電阻變化的百分率稱(chēng)為內(nèi)阻溫度系數(shù)，一般取不同溫度時(shí)的平均值。6．靈敏度系數(shù)其定義同前述，有時(shí)某些產(chǎn)品給出無(wú)負(fù)載時(shí)靈敏度，在某一控制電流和一定強(qiáng)度磁場(chǎng)中，輸出極開(kāi)路時(shí)元件的靈敏度。表9—3列出中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所生產(chǎn)的砷化鎵(GaAs)霍爾元件的主要技術(shù)參數(shù)。砷化鎵霍爾元件的主要技術(shù)參數(shù)第三節(jié)、霍爾元件連接方式和輸出電路1．基本測(cè)量電路

霍爾元件的基本測(cè)量電路如圖4所示,控制電流I由電源E供給、電位器W調(diào)節(jié)控制電流I的大小?；魻栐敵鼋迂?fù)載電阻RL．RL可以是放大器的輸入電阻或測(cè)量?jī)x表的內(nèi)阻。由于霍爾元件必須在磁場(chǎng)與控制電流作用下，才會(huì)產(chǎn)生霍爾電勢(shì)，所以在測(cè)量中．可以把I和B的乘積、或者I，或者B作為輸人信號(hào)，則霍爾元件的輸出電勢(shì)分別正比于I或B。圖4基本測(cè)量電路2．連接方式

除了霍爾元件基本電路形式之外，如果為了獲得較大的霍爾輸出電勢(shì)，可以采用幾片疊加的連接方式、如圖5(a)所示。圖5（a）為直流供電情況?？刂齐娏鞫瞬⒙?lián)，由w1、w2調(diào)節(jié)兩個(gè)元件的輸出霍爾電勢(shì)，A、B為輸出端，則它的輸出電勢(shì)為單塊的兩倍。圖5(b)為交流供電情況。控制電流端串聯(lián)，各元件輸出端接輸出變壓器B的初級(jí)繞組，變壓器的次級(jí)便有霍爾電勢(shì)信號(hào)疊加值輸出。圖5霍爾元件輸出疊加連接方式3．霍爾電勢(shì)的輸出電路

霍爾器件是一種四端器件．本身不帶放大器?；魻栯妱?shì)一般在毫伏量級(jí)，在實(shí)際使用中必須加差分放大器?；魻栐篌w分為線性測(cè)量和開(kāi)關(guān)狀態(tài)兩種使用方式。

因此，輸出電路如圖6所示兩種結(jié)構(gòu)。下面以我國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所生產(chǎn)的GaAs霍爾元件為例，給出兩種參考電路，分別如圖6(a)和(b)所示。圖6霍爾元件的輸出電路

當(dāng)霍爾元件作線性測(cè)量時(shí)．最好選用靈敏度低一點(diǎn)、不等位電勢(shì)小、穩(wěn)定性和線性度優(yōu)良的霍爾元件。例如，選用，控制電流為5mA的霍爾元件作線性測(cè)量元件，若要測(cè)量1Gs一10kGs的磁場(chǎng)，則霍爾器件最低輸出電勢(shì)為：故要選擇低噪音的放大器作為前級(jí)放大。

高精度高速運(yùn)放OP-17,

超低噪聲、高精度OP-27(OP-37)運(yùn)放專(zhuān)題：OP-17速度與CF357相當(dāng),UIOSIIOS

和αUIOS

大約只有CF357的十分之一;封裝、引線排列和應(yīng)用線路與CF357的完全相同;工作溫度范圍為10℃~70℃。OP-27UIOS,αUIOS

與OP-07相近;IIOS

和αIIOS

比

OP-07的大;OP-27噪聲電壓特別小,小于OP-07的十分之一;當(dāng)霍爾元件作開(kāi)關(guān)使用時(shí)，要選擇靈敏度高的霍爾器件。例如，如果采用2x3x5(mm)的衫磁鋼的器件，控制電流為2mA，施加一個(gè)距離器件為5mm的300Gs的磁場(chǎng)，則輸出霍爾電勢(shì)為

這時(shí)選用一般的放大器即可滿(mǎn)足。輸入失調(diào)電壓UIOS

和輸入失調(diào)電流IIOS

很??；輸入失調(diào)電壓溫漂αUIOS

和輸入失調(diào)電流溫漂αIIOS

很小；精度比較高；價(jià)格不高,很受歡迎。低失調(diào)低漂移運(yùn)放OP–07第四節(jié)霍爾元件的測(cè)量誤差和補(bǔ)償方法

霍爾元件在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，存在多種因素影響其測(cè)量精度，造成測(cè)量誤差的主要因素優(yōu)兩類(lèi):

一類(lèi)是半導(dǎo)體固有特性；一類(lèi)為半導(dǎo)體制造工藝的缺陷。其表現(xiàn)為零位誤差和溫度引起的誤差。

1、零位誤誤差及補(bǔ)償方法：零位誤差是霍爾元件在加控制電流或不加外磁場(chǎng)時(shí)，而出現(xiàn)的霍爾電勢(shì)稱(chēng)為零位誤差。由制造霍爾元件的工藝問(wèn)題造成的不等位電勢(shì)是主要的零位誤差。因?yàn)樵诠に嚿想y以保證霍爾元件兩側(cè)的電級(jí)焊接在同一等電位面上．U0產(chǎn)生的原因：(1)制造工藝不可能保證將兩個(gè)霍爾電極對(duì)稱(chēng)地焊在霍爾片的兩側(cè)，致使兩電極點(diǎn)不能完全位于同一等位面上，如圖5-8a所示。

(2)霍爾片電阻率不均勻或片厚薄不均勻或控制電流極接觸不良都將使等位面歪斜(見(jiàn)圖5-8b)，致使兩霍爾電極不在同一等位面上而產(chǎn)生不等位電動(dòng)勢(shì)。

如圖7(a)所示。當(dāng)控制電流I流過(guò)時(shí)，即使未加外磁場(chǎng)。A、B兩電極此時(shí)仍存在電位差，此電位差被稱(chēng)為不等位電勢(shì)。圖7霍爾元件的不等位電勢(shì)和等效電路

為了減小或消除不等位電勢(shì)，可以采用電橋平衡原理補(bǔ)償。根據(jù)霍爾元件的工作原理，可以把霍爾元件等效于一個(gè)四臂電橋，如圖9—5(b)所示。如果兩個(gè)霍爾電勢(shì)極A、B處在同一等位面上。橋路處于平衡狀態(tài)，即，則不等位電勢(shì)。如果兩個(gè)霍爾電勢(shì)極不在同一等位面上．電橋不平衡，不等位電勢(shì)。此時(shí)根據(jù)A、B兩點(diǎn)電位高低判斷應(yīng)在某一橋臂上并聯(lián)一個(gè)電阻．使電橋平衡．從而就消除了不等位電勢(shì)。圖8給出幾種常用的補(bǔ)償方法。為了消除不等位電勢(shì)，可在阻值較大的橋臂上并聯(lián)電阻．如圖8(a)所示，或在兩個(gè)橋臀上同時(shí)并聯(lián)如圖8(b)(c)所示的電阻。顯然，方案(c)調(diào)整比較方便。圖8不等位電勢(shì)補(bǔ)償電路原理圖Sensor具有自清潔功能的新型傳感器問(wèn)世

據(jù)悉，美國(guó)賓夕法尼亞州立大學(xué)研發(fā)出一種具有自我清潔功能的新型傳感器—二氧化鈦納米管氫傳感器。研究表明，盡管二氧化鈦納米管氫傳感器屬氣敏傳感器，但卻有著光敏性較其他形式的二氧化鈦材料高100倍的特性。只要將其暴露在紫外線下，吸附在二氧化鈦納米管氫傳感器上的污染物質(zhì)就能輕而易舉地被有效清除掉。因此，在實(shí)際使用中，這種傳感器能夠靠自己的能耐使自己清潔如故、性能如初，并保持原有的探測(cè)靈敏度。

氫傳感器廣泛應(yīng)用于化工、石油和半導(dǎo)體工業(yè)，也常被用作診斷工具，用來(lái)監(jiān)測(cè)某些種類(lèi)的細(xì)菌感染。在日常生活中，氫傳感器同樣大有用武之地。比如，面包店可以利用氫傳感器幫助面包師監(jiān)測(cè)氫濃度和烤箱溫度，確定面包出爐的時(shí)間；氫傳感器更是燃料電池汽車(chē)忠實(shí)的安全衛(wèi)士，用于監(jiān)測(cè)這種汽車(chē)的燃燒系統(tǒng)的氫泄漏。對(duì)于燃料電池汽車(chē)來(lái)講，如果氫泄漏達(dá)到4％，就會(huì)引發(fā)爆炸。然而，常規(guī)氫傳感器的保潔問(wèn)題頗令人頭疼。在使用氫傳感器的各種場(chǎng)合，比如在石化廠，氫傳感器經(jīng)常變得很臟，監(jiān)測(cè)功能也因此大打折扣。賓夕法尼亞州立大學(xué)科研人員的這項(xiàng)研究，其目標(biāo)就是讓氫傳感器升級(jí)換代，徹底解決這種傳感器的保潔問(wèn)題。2．溫度誤差及其補(bǔ)償

由于半導(dǎo)體材料的電阻串、遷移率和載流子濃度等都隨溫度變化而變化，因此．會(huì)導(dǎo)致霍爾元件的內(nèi)阻、霍爾電勢(shì)等也隨溫度變化而變化。這種變化程度隨不同半導(dǎo)體材料有所不同。而且溫度高到一定程度，產(chǎn)生的變化相當(dāng)大。溫度誤差是霍爾元件測(cè)量中不可忽視的誤差。針對(duì)溫度變化導(dǎo)致內(nèi)阻(輸入、輸出電阻)的變化可以采用對(duì)輸入或輸出電路的電阻進(jìn)行補(bǔ)償。

(1)利用輸出回路并聯(lián)電阻進(jìn)行補(bǔ)償在輸入控制電流恒定的情況下，如果輸出電阻隨溫度增加而增大．霍爾電勢(shì)增加；

若在輸出端并聯(lián)一個(gè)補(bǔ)償電阻RL，則通過(guò)霍爾元件的電流減小，而通過(guò)的RL電流卻增大。只要適當(dāng)選擇補(bǔ)償電阻RL，就可達(dá)到補(bǔ)償?shù)哪康?，如圖9所示。下面介紹如何選擇適當(dāng)?shù)难a(bǔ)償電阻。圖9輸出回路補(bǔ)償

在溫度影響下，元件的輸出電阻從變到。輸出電阻和電勢(shì)應(yīng)為:式中:、為溫度t時(shí)霍爾元件的輸出電勢(shì)和電阻的溫度系數(shù)。此時(shí)的電壓則為：補(bǔ)償電阻RL上電壓隨溫度變化最小的極值條件為：即：

因此當(dāng)知道霍爾元件的、及時(shí)，便可以計(jì)算出能實(shí)現(xiàn)溫度補(bǔ)償?shù)碾娮鑂L的值。

(2)利用輸入回路的串聯(lián)電阻進(jìn)行補(bǔ)償

霍爾元件的控制回路用穩(wěn)壓電源E供電，其輸出端處于開(kāi)路工作狀態(tài)，如圖10所示當(dāng)輸入回路串聯(lián)適當(dāng)?shù)碾娮鑂時(shí)，霍爾電勢(shì)隨溫度的變化可得到補(bǔ)償。圖10

當(dāng)溫度增加時(shí)，霍爾電勢(shì)的增加值為：另一方面，元件的輸入電阻隨溫度的增加值為：用穩(wěn)壓源供電時(shí)．控制電流的減小量為它使霍爾電勢(shì)的減小量為要想得到全補(bǔ)償，應(yīng)有，則結(jié)出霍爾元件的、值，即可求得R和的關(guān)系。

除此之外，還可以在霍爾元件的輸入端采用恒流源來(lái)減小溫度的影響。實(shí)際的補(bǔ)償電路如圖11所示。調(diào)節(jié)電位器W1可以消除不等位電勢(shì)。電橋由溫度系數(shù)低的電阻構(gòu)成，在某一橋臂電阻上并聯(lián)熱敏電阻。當(dāng)溫度變化時(shí)，熱敏電阻將隨溫度變化而變化．使補(bǔ)償電橋的輸出電壓相應(yīng)變化，只要仔細(xì)調(diào)節(jié)，即可使其輸出電壓與溫度基本無(wú)關(guān)。圖11實(shí)際的溫度補(bǔ)償電路3、采用溫度補(bǔ)償元件

圖12溫度補(bǔ)償?shù)谖骞?jié)霍爾式傳感器應(yīng)用

根據(jù)霍爾電勢(shì)的表達(dá)式，其應(yīng)用可用于下述三個(gè)方面：

控制電流I不變，傳感器處于非均勻磁場(chǎng)中，UHB

。可進(jìn)行磁場(chǎng)、位移、角度、轉(zhuǎn)速、加速度等測(cè)量。

磁場(chǎng)不變，即B不變，UHI。故凡能轉(zhuǎn)換成電流變化的各量均能測(cè)量。

I、B均變化，UHI·B。可用于乘法、功率等方面的計(jì)算與測(cè)量。

一、霍爾位移傳感器應(yīng)用

霍爾位移傳感器可制作成如圖13所示結(jié)構(gòu)。在極性相反、磁場(chǎng)強(qiáng)度相同的兩個(gè)磁鋼的氣隙間放置一個(gè)霍爾元件。當(dāng)控制電流I恒定不變時(shí)，霍爾電勢(shì)與外磁感應(yīng)強(qiáng)度成正比圖12(a)圖12(b)磁場(chǎng)變化

若磁場(chǎng)在一定范圍內(nèi)沿X方向的變化梯度為一常數(shù)，如圖12(b)所示，則當(dāng)霍爾元件沿x方向移動(dòng)時(shí)，霍爾電勢(shì)變化為式中K——位移傳感器的輸出靈敏度.則有:

上式說(shuō)明霍爾電勢(shì)與位移量成線性關(guān)系。其輸出電勢(shì)的極性反映了元件位移方向。磁場(chǎng)梯度越大，靈敏度越高；磁場(chǎng)梯度越均勻，輸出線性度越