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霍爾應用

人氣: | 時間:2014/2/18 17:33:45 | 關閉

摘 要 : 霍爾器件是一種基於霍爾效應的磁傳感器,已發展成一個品種多樣的磁傳感器產品族,並已得到廣泛的應用。本文簡要介紹其工作原理, 產品特性及其典型應用。

1 引言

     霍爾器件是一種磁傳感器。用它們可以檢測磁場及其變化,可在各種與磁場有關的場合中使用。霍爾器件以霍爾效應為其工作基礎。
霍爾器件具有許多優點,它們的結構牢固,體積小,重量輕,壽命長,安裝方便,功耗小,頻率高(可達1MHZ),耐震動,不怕灰塵、油汙、水汽及鹽霧等的汙染或腐蝕。霍爾線性器件的精度高、線性度好;霍爾開關器件無觸點、無磨損、輸出波形清晰、無抖動、無回跳、位置重複精度高(可達μm級)。取用了各種補償和保護措施的霍爾器件的工作溫度範圍寬,可達-55℃~150℃。
   按照霍爾器件的功能可將它們分為: 霍爾線性器件 和 霍爾開關器件 。前者輸出模擬量,後者輸出數字量。

按被檢測的對象的性質可將它們的應用分為:直接應用和間接應用。前者是直接檢測出受檢測對象本身的磁場或磁特性,後者是檢測受檢對象上人為設置的磁場,用這個磁場來作被檢測的信息的載體,通過它,將許多非電、非磁的物理量例如力、力矩、壓力、應力、位置、位移、速度、加速度、角度、角速度、轉數、轉速以及工作狀態發生變化的時間等,轉變成電量來進行檢測和控製。

2 霍爾效應和霍爾器件

2.1 霍爾效應

   在一塊通電的半導體薄片上,加上和片子表麵垂直的磁場B,在薄片的橫向*出現一個電壓,如圖1中的VH,這種現象就是霍爾效應,是由科學家愛德文·霍爾在1879年發現的。VH稱為霍爾電壓。這種現象的產生,是因為通電半導體片中的載流子在磁場產生的洛侖茲力的作用下,分別向片子橫向兩側偏轉和積聚,因而形成一個電場,稱作霍爾電場。霍爾電場產生的電場力和洛侖茲力相反,它阻礙載流子繼續堆積,直到霍爾電場力和洛侖茲力相等。這時,片子兩側建立起一個穩定的電壓,這就是霍爾電壓。
   在片子上作四個電極,其中C1、C2間通以工作電流I,C1、C2稱為電流電極,C3、C4間取出霍爾電壓VH,C3、C4稱為敏感電極。將各個電極焊上引線,並將片子用塑料封裝起來,就形成了一個完整的霍爾元件(又稱霍爾片)。為了精確地測量磁場,常用恒流源供電,令工作電流恒定,因而,被測磁場的磁感應強度B可用霍爾電壓來量度。在一些精密的測量儀表中,還采用恒溫箱,將霍爾元件置於其中,令RH保持恒定。若使用環境的溫度變化,常采用恒壓驅動,因和RH比較起來,μn隨溫度的變化比較平緩,因而VH受溫度變化的影響較小。為獲得盡可能高的輸出霍爾電壓VH,可加大工作電流,同時元件的功耗也將增加。

2.2 霍爾器件

霍爾器件分為: 霍爾元件 和 霍爾集成電路 兩大類,前者是一個簡單的霍爾片,使用時常常需要將獲得的霍爾電壓進行放大。後者將霍爾片和它的信號處理電路集成在同一個芯片上。

2.2.1 霍爾元件

霍爾元件可用多種半導體材料製作,如Ge、Si、InSb、GaAs、InAs、InAsP以及多層半導體異質結構量子阱材料等等。

2.2.2 霍爾集成電路(Hall IC)

2.2.2.1 霍爾線性電路

霍爾線性電路由霍爾元件、差分放大器和射極跟隨器組成。其輸出電壓和加在霍爾元件上的磁感強度B成比例。這類電路有很高的靈敏度和優良的線性度,適用於各種磁場檢測。

2.2.2.2 霍爾開關電路

霍爾開關電路又稱霍爾數字電路,由穩壓器、霍爾片、差分放大器,斯密特觸發器和輸出級組成。在外磁場的作用下,當磁感應強度超過導通閾值BOP時,霍爾電路輸出管導通,輸出低電平。之後,B再增加,仍保持導通態。若外加磁場的B值降低到BRP時,輸出管截止,輸出高電平。我們稱BOP為工作點,BRP為釋放點,BOP-BRP=BH稱為回差。回差的存在使開關電路的抗幹擾能力增強。

一般規定,當外加磁場的南極(S極)接近霍爾電路外殼上打有標誌的一麵時,作用到霍爾電路上的磁場方向為正,北極接近標誌麵時為負。

鎖定型霍爾開關電路的特點是:當外加場B正向增加,達到BOP時,電路導通,之後無論B增加或減小,甚至將B除去,電路都保持導通態,隻有達到負向的BRP時,才改變為截止態,因而稱為鎖定型。

2.2.2.3 差動霍爾電路(雙霍爾電路)

雙霍爾電路的霍爾電壓發生器由一對相距2.5mm的霍爾元件組成。使用時在電路背麵放置一塊永久磁體,當用鐵磁材料製成的齒輪從電路附近轉過時,一對霍爾片上產生的霍爾電壓相位相反,經差分放大後,使器件靈敏度大為提高。用這種電路製成的 汽車齒輪傳感器 具有極優的性能。

2.2.2.4 其它霍爾電路

除上述各種霍爾器件外,目前還出現了許多特殊功能的霍爾電路,如功率霍爾電路,多重雙線霍爾傳感器電路,二維、三維霍爾集成電路等待。
3.1 應用的一般問題

3.1.1 測量磁場

使用霍爾器件檢測磁場的方法極為簡單,將霍爾器件作成各種形式的探頭,放在被測磁場中,因霍爾器件隻對垂直於霍爾片的表麵的磁感應強度敏感,因而必須令磁力線和器件表麵垂直,通電後即可由輸出電壓得到被測磁場的磁感應強度。若不垂直,則應求出其垂直分量來計算被測磁場的磁感應強度值。而且,因霍爾元件的尺寸極小,可以進行多點檢測,由計算機進行數據處理,可以得到場的分布狀態,並可對狹縫,小孔中的磁場進行檢測。

3.1.2 工作磁體的設置

用磁場作為被傳感物體的運動和位置信息載體時,一般采用永久磁鋼來產生工作磁場。例如,用一個5×4×2.5(mm3)的釹鐵硼Ⅱ號磁鋼,就可在它的磁極表麵上得到約2300高斯的磁感應強度。在空氣隙中,磁感應強度會隨距離增加而迅速下降。為保證霍爾器件,尤其是霍爾開關器件的可靠工作,在應用中要考慮有效工作氣隙的長度。在計算總有效工作氣隙時,應從霍爾片表麵算起。在封裝好的霍爾電路中,霍爾片的深度在產品手冊中會給出。

因為霍爾器件需要工作電源,在作運動或位置傳感時,一般令磁體隨被檢測物體運動,將霍爾器件固定在工作係統的適當位置,用它去檢測工作磁場,再從檢測結果中提取被檢信息

工作磁體和霍爾器件間的運動方式有:(a)對移;(b)側移;(c)旋轉;(d)遮斷。

在遮斷方式中,工作磁體和霍爾器件以適當的間隙相對固定,用一軟磁(例如軟鐵)翼片作為運動工作部件,當翼片進入間隙時,作用到霍爾器件上的磁力線被部分或全部遮斷,以此來調節工作磁場。被傳感的運動信息加在翼片上。這種方法的檢測精度很高,在125℃的溫度範圍內,翼片的位置重複精度可達50μm。

也可將工作磁體固定在霍爾器件背麵(外殼上沒打標誌的一麵),讓被檢的鐵磁物體(例如鋼齒輪)從它們近旁通過,檢測出物體上的特殊標誌(如齒、凸緣、缺口等),得出物體的運動參數。

3.1.3 與外電路的接口

霍爾開關電路的輸出級一般是一個集電極開路的NPN晶體管,其使用規則和任何一種相似的NPN開關管相同。輸出管截止時,輸漏電流很小,一般隻有幾nA,可以忽略,輸出電壓和其電源電壓相近,但電源電壓最高不得超過輸出管的擊穿電壓(即規範表中規定的極限電壓)。輸出管導通時,它的輸出端和線路的公共端短路。因此,必須外接一個電阻器(即負載電阻器)來限製流過管子的電流,使它不超過最大允許值(一般為20mA),以免損壞輸出管。輸出電流較大時,管子的飽和壓降也會隨之增大,使用者應當特別注意,僅這個電壓和你要控製的電路的截止電壓(或邏輯“零”)是兼容的。

以與發光二極管的接口為例,對負載電阻器的選擇作一估計。若在Io為20mA(霍爾電路輸出管允許吸入的最大電流),發光二極管的正向壓降VLED=1.4V,當電源電壓VCC=12V時,所需的負載電阻器的阻值最接近的標準電阻為560Ω,因此,可取560Ω的電阻器作為負載電阻器。

若受控的電路所需的電流大於20mA,可在霍爾開關電路與被控電路間接入電流放大器。

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