【圖】霍爾元件的應用與應用注意事項
(2024/2/11 18:00:00)
霍爾元件的應用與應用注意事項
霍爾元件的應用與應用注意事項
自從霍爾效應被發(fā)現(xiàn)100多年以來,它的應用經(jīng)歷了三個階段:
第一階段是從霍爾效應的發(fā)現(xiàn)到20世紀40年代前期。最初,由于金屬材料中的電子濃度很大,而霍爾效應十分微弱,所以沒有引起人們的重視。這段時期也有人利用霍爾效應制成磁場傳感器,但實用價值不大,到了1910年有人用金屬鉍制成霍爾元件,作為磁場傳感器。但是,由于當時未找到更合適的材料,研究處于停頓狀態(tài)。
第二階段是從20世紀40年代中期半導體技術出現(xiàn)之后,隨著半導體材料、制造工藝和技術的應用,出現(xiàn)了各種半導體霍爾元件,特別是鍺的采用推動了霍爾元件的發(fā)展,相繼出現(xiàn)了采用分立霍爾元件制造的各種磁場傳感器。
第三階段是自20世紀60年代開始,隨著集成電路技術的發(fā)展,出現(xiàn)了將霍爾半導體元件和相關的信號調節(jié)電路集成在一起的霍爾傳感器。進入20世紀80年代,隨著大規(guī)模超大規(guī)模集成電路和微機械加工技術的進展,霍爾元件從平面向三維方向發(fā)展,出現(xiàn)了三端口或四端口固態(tài)霍爾傳感器,實現(xiàn)了產(chǎn)品的系列化、加工的批量化、體積的微型化。霍爾集成電路出現(xiàn)以后，很快便得到了廣泛應用。
霍爾元件應用十分廣泛大致可分為以下幾個方向。
1. 測量載流子濃度：
根據(jù)霍爾電壓產(chǎn)生的公式，以及在外加磁場中測量的霍爾電壓可以判斷傳導載流子的極性與濃度，這種方式被廣泛的利用于半導體中摻雜載體的性質與濃度的測量上。
2. 測量磁場強度：
只要測出霍爾電壓VBB’，即可算出磁場B的大小；并且若知載流子類型(n型半導體多數(shù)載流子為電子，P型半導體多數(shù)載流子為空穴),則由VBB’的正負可測出磁場方向，反之，若已知磁場方向，則可判斷載流子類型。
3. 測量電流強度：
將圖4中霍爾器件的輸出（必要時可進行放大）送到經(jīng)校準的顯示器上，即可由霍爾輸出電壓的數(shù)值直接得出被測電流值。這種方式的優(yōu)點是結構簡單，測量結果的精度和線性度都較高。可測直流、交流和各種波形的電流。但它的測量范圍、帶寬等受到一定的限制。在這種應用中，霍爾器件是磁場檢測器，它檢測的是磁芯氣隙中的磁感應強度。電流增大后塑料工業(yè)網(wǎng)，磁芯可能達到飽和；隨著頻率升高，磁芯中的渦流損耗、磁滯損耗等也會隨之升高。這些都會對測量精度產(chǎn)生影響。當然，也可采取一些改進措施來降低這些影響，例如選擇飽和磁感應強度高的磁芯材料；制成多層磁芯；采用多個霍爾元件來進行檢測等等。這類霍爾電流傳感器的價格也相對便宜，使用非常方便，已得到極為廣泛的應用，國內外已有許多廠家生產(chǎn)。
4. 測量微小位移：
若令霍爾元件的工作電流保持不變，而使其在一個均勻梯度磁場中移動，它輸出的霍爾電壓VH值只由它在該磁場中的位移量Z來決定。圖6示出3種產(chǎn)生梯度磁場的磁系統(tǒng)及其與霍爾器件組成的位移傳感器的輸出特性曲線，將它們固定在被測系統(tǒng)上，可構成霍爾微位移傳感器。從曲線可見，結構（b）在Z<2mm時，VH與Z有良好的線性關系，且分辨力可達1μm，結構（C）的靈敏度高，但工作距離較小。用霍爾元件測量位移的優(yōu)點很多：慣性小、頻響快、工作可靠、壽命長。 以微位移檢測為基礎，可以構成壓力、應力、應變、機械振動、加速度、重量、稱重等霍爾傳感器。
5. 壓力傳感器：
霍爾壓力傳感器由彈性元件，磁系統(tǒng)和霍爾元件等部分組成，如圖6所示。在圖6中，（a）的彈性元件為膜盒金屬加工網(wǎng)，(b)為彈簧片，(c)為波紋管。磁系統(tǒng)最好用能構成均勻梯度磁場的復合系統(tǒng)，如圖6中的(a)、(b)，也可采用單一磁體，如（c）。加上壓力后，使磁系統(tǒng)和霍爾元件間產(chǎn)生相對位移，改變作用到霍爾元件上的磁場，從而改變它的輸出電壓VH。由事先校準的p～f(VH)曲線即可得到被測壓力p的值。
6. 霍爾加速度傳感器：
圖7示出霍爾加速度傳感器的結構原理和靜態(tài)特性曲線。在盒體的O點上固定均質彈簧片S,片S的中部U處裝一慣性塊M，片S的末端b處固定測量位移的霍爾元件H，H的上下方裝上一對永磁體，它們同極性相對安裝。盒體固定在被測對象上，當它們與被測對象一起作垂直向上的加速運動時，慣性塊在慣性力的作用下使霍爾元件H產(chǎn)生一個相對盒體的位移，產(chǎn)生霍爾電壓VH的變化。可從VH與加速度的關系曲線上求得加速度。
人們在利用霍爾效應開發(fā)的各種傳感器，磁羅盤、磁頭、電流傳感器、非接觸開關、接近開關、位置、角度、速度、加速度傳感器、壓力變送器、無刷直流電機以及各種函數(shù)發(fā)生器、運算器等,已廣泛應用于工業(yè)自動化技術、檢測技術和信息處理各個方面。僅在汽車的電子系統(tǒng)中，使用霍爾IC的就有十幾處。如點火控制、發(fā)動機速度檢測、燃料噴射控制、底盤控制、門鎖控制以及方位導航控制等。除了己非常成熟的雙極型霍爾IC外，應用CMOS和Si CMOS技術的霍爾產(chǎn)品業(yè)已廣泛使用，MOS霍爾IC的功耗更低，功能更強。霍爾IC的種類較多，大致可分為霍爾線性IC和霍爾開關IC。前者的輸出與磁場成正比nc.qoos.ipi，用于各種參量的測量：后者的輸出為高、低電平兩利，狀態(tài)，常用于無刷電機和汽車點火裝置中。此外，大功率的霍爾IC的應用也非常廣泛，它將功率驅動級和各種保護電路集成到霍爾IC中，使得器件具有很強的驅動能力，它們可直接驅動無刷電動機，也常用在汽車中作開關器件。在實際使用中，經(jīng)常將霍爾集成電路(有時也用霍爾元件)與永磁體、軟磁材料等封裝在一起，組成適用于特定應用場合的霍爾傳感器組件。
在國內，除南京中旭微電子公司可大量生產(chǎn)霍爾集成電路、營口華光傳感元件廠可批量生產(chǎn)薄膜磁阻器件、西南應用磁學研究所可批量生產(chǎn)威根德器件外，其余各類也有研制和小批量生產(chǎn)。據(jù)預測：1995年，國內有41家企業(yè)生產(chǎn)磁傳感器，總產(chǎn)量為2780萬只.其中，霍爾器件1730萬只，結型磁敏元件90萬只，磁電阻元件850萬只，威根德元件110萬只.雖然其余各種磁傳感器都有廠、所、校在進行研制，品種基本齊全IIAnews.com版權所有，但仍末形成規(guī)模化產(chǎn)業(yè)。
在國外，由于磁傳感器已逐漸被廣泛而大量地使用，有許多企業(yè)競相研制和生產(chǎn)，形成一定規(guī)模的磁傳感器產(chǎn)業(yè)。霍爾器件是半導體磁傳感器中最成熟和產(chǎn)量最大的產(chǎn)品。旭化成(InSb霍爾元件)、Honeywell、A11egro(原稱Sprague)、ITT、Siemens(霍爾電路)等均已大量生產(chǎn)。Philips、Honeywell、Sony、IBM等已大量生產(chǎn)了金屬膜磁敏電阻器及集成電路。TDK、Sony、Matsusbita、Toshiba等已批量生產(chǎn)非晶磁頭等非晶金屬磁傳感器。還有LEM、Honeywell、F.W．Bell、NaNa等公司生產(chǎn)廠各種用途和量程的電流、電壓傳感器和其它類型的磁傳感器組件，這些磁傳感器都巳得到廣泛的應用。
霍爾元件的應用與應用注意事項
自從霍爾效應被發(fā)現(xiàn)100多年以來,它的應用經(jīng)歷了三個階段:
第一階段是從霍爾效應的發(fā)現(xiàn)到20世紀40年代前期。最初,由于金屬材料中的電子濃度很大,而霍爾效應十分微弱,所以沒有引起人們的重視。這段時期也有人利用霍爾效應制成磁場傳感器,但實用價值不大,到了1910年有人用金屬鉍制成霍爾元件,作為磁場傳感器。但是,由于當時未找到更合適的材料,研究處于停頓狀態(tài)。
第二階段是從20世紀40年代中期半導體技術出現(xiàn)之后,隨著半導體材料、制造工藝和技術的應用,出現(xiàn)了各種半導體霍爾元件,特別是鍺的采用推動了霍爾元件的發(fā)展,相繼出現(xiàn)了采用分立霍爾元件制造的各種磁場傳感器。
第三階段是自20世紀60年代開始,隨著集成電路技術的發(fā)展,出現(xiàn)了將霍爾半導體元件和相關的信號調節(jié)電路集成在一起的霍爾傳感器。進入20世紀80年代,隨著大規(guī)模超大規(guī)模集成電路和微機械加工技術的進展,霍爾元件從平面向三維方向發(fā)展,出現(xiàn)了三端口或四端口固態(tài)霍爾傳感器,實現(xiàn)了產(chǎn)品的系列化、加工的批量化、體積的微型化。霍爾集成電路出現(xiàn)以后，很快便得到了廣泛應用。
霍爾元件應用十分廣泛大致可分為以下幾個方向。
1. 測量載流子濃度：
根據(jù)霍爾電壓產(chǎn)生的公式，以及在外加磁場中測量的霍爾電壓可以判斷傳導載流子的極性與濃度，這種方式被廣泛的利用于半導體中摻雜載體的性質與濃度的測量上。
2. 測量磁場強度：
只要測出霍爾電壓VBB’，即可算出磁場B的大小；并且若知載流子類型(n型半導體多數(shù)載流子為電子，P型半導體多數(shù)載流子為空穴),則由VBB’的正負可測出磁場方向，反之，若已知磁場方向，則可判斷載流子類型。
3. 測量電流強度：
將圖4中霍爾器件的輸出（必要時可進行放大）送到經(jīng)校準的顯示器上，即可由霍爾輸出電壓的數(shù)值直接得出被測電流值。這種方式的優(yōu)點是結構簡單，測量結果的精度和線性度都較高。可測直流、交流和各種波形的電流。但它的測量范圍、帶寬等受到一定的限制。在這種應用中，霍爾器件是磁場檢測器，它檢測的是磁芯氣隙中的磁感應強度。電流增大后塑料工業(yè)網(wǎng)，磁芯可能達到飽和；隨著頻率升高，磁芯中的渦流損耗、磁滯損耗等也會隨之升高。這些都會對測量精度產(chǎn)生影響。當然，也可采取一些改進措施來降低這些影響，例如選擇飽和磁感應強度高的磁芯材料；制成多層磁芯；采用多個霍爾元件來進行檢測等等。這類霍爾電流傳感器的價格也相對便宜，使用非常方便，已得到極為廣泛的應用，國內外已有許多廠家生產(chǎn)。
4. 測量微小位移：
若令霍爾元件的工作電流保持不變，而使其在一個均勻梯度磁場中移動，它輸出的霍爾電壓VH值只由它在該磁場中的位移量Z來決定。圖6示出3種產(chǎn)生梯度磁場的磁系統(tǒng)及其與霍爾器件組成的位移傳感器的輸出特性曲線，將它們固定在被測系統(tǒng)上，可構成霍爾微位移傳感器。從曲線可見，結構（b）在Z<2mm時，VH與Z有良好的線性關系，且分辨力可達1μm，結構（C）的靈敏度高，但工作距離較小。用霍爾元件測量位移的優(yōu)點很多：慣性小、頻響快、工作可靠、壽命長。 以微位移檢測為基礎，可以構成壓力、應力、應變、機械振動、加速度、重量、稱重等霍爾傳感器。
5. 壓力傳感器：
霍爾壓力傳感器由彈性元件，磁系統(tǒng)和霍爾元件等部分組成，如圖6所示。在圖6中，（a）的彈性元件為膜盒金屬加工網(wǎng)，(b)為彈簧片，(c)為波紋管。磁系統(tǒng)最好用能構成均勻梯度磁場的復合系統(tǒng)，如圖6中的(a)、(b)，也可采用單一磁體，如（c）。加上壓力后，使磁系統(tǒng)和霍爾元件間產(chǎn)生相對位移，改變作用到霍爾元件上的磁場，從而改變它的輸出電壓VH。由事先校準的p～f(VH)曲線即可得到被測壓力p的值。
6. 霍爾加速度傳感器：
圖7示出霍爾加速度傳感器的結構原理和靜態(tài)特性曲線。在盒體的O點上固定均質彈簧片S,片S的中部U處裝一慣性塊M，片S的末端b處固定測量位移的霍爾元件H，H的上下方裝上一對永磁體，它們同極性相對安裝。盒體固定在被測對象上，當它們與被測對象一起作垂直向上的加速運動時，慣性塊在慣性力的作用下使霍爾元件H產(chǎn)生一個相對盒體的位移，產(chǎn)生霍爾電壓VH的變化。可從VH與加速度的關系曲線上求得加速度。
人們在利用霍爾效應開發(fā)的各種傳感器，磁羅盤、磁頭、電流傳感器、非接觸開關、接近開關、位置、角度、速度、加速度傳感器、壓力變送器、無刷直流電機以及各種函數(shù)發(fā)生器、運算器等,已廣泛應用于工業(yè)自動化技術、檢測技術和信息處理各個方面。僅在汽車的電子系統(tǒng)中，使用霍爾IC的就有十幾處。如點火控制、發(fā)動機速度檢測、燃料噴射控制、底盤控制、門鎖控制以及方位導航控制等。除了己非常成熟的雙極型霍爾IC外，應用CMOS和Si CMOS技術的霍爾產(chǎn)品業(yè)已廣泛使用，MOS霍爾IC的功耗更低，功能更強。霍爾IC的種類較多，大致可分為霍爾線性IC和霍爾開關IC。前者的輸出與磁場成正比nc.qoos.ipi，用于各種參量的測量：后者的輸出為高、低電平兩利，狀態(tài)，常用于無刷電機和汽車點火裝置中。此外，大功率的霍爾IC的應用也非常廣泛，它將功率驅動級和各種保護電路集成到霍爾IC中，使得器件具有很強的驅動能力，它們可直接驅動無刷電動機，也常用在汽車中作開關器件。在實際使用中，經(jīng)常將霍爾集成電路(有時也用霍爾元件)與永磁體、軟磁材料等封裝在一起，組成適用于特定應用場合的霍爾傳感器組件。
在國內，除南京中旭微電子公司可大量生產(chǎn)霍爾集成電路、營口華光傳感元件廠可批量生產(chǎn)薄膜磁阻器件、西南應用磁學研究所可批量生產(chǎn)威根德器件外，其余各類也有研制和小批量生產(chǎn)。據(jù)預測：1995年，國內有41家企業(yè)生產(chǎn)磁傳感器，總產(chǎn)量為2780萬只.其中，霍爾器件1730萬只，結型磁敏元件90萬只，磁電阻元件850萬只，威根德元件110萬只.雖然其余各種磁傳感器都有廠、所、校在進行研制，品種基本齊全IIAnews.com版權所有，但仍末形成規(guī)模化產(chǎn)業(yè)。
在國外，由于磁傳感器已逐漸被廣泛而大量地使用，有許多企業(yè)競相研制和生產(chǎn)，形成一定規(guī)模的磁傳感器產(chǎn)業(yè)。霍爾器件是半導體磁傳感器中最成熟和產(chǎn)量最大的產(chǎn)品。旭化成(InSb霍爾元件)、Honeywell、A11egro(原稱Sprague)、ITT、Siemens(霍爾電路)等均已大量生產(chǎn)。Philips、Honeywell、Sony、IBM等已大量生產(chǎn)了金屬膜磁敏電阻器及集成電路。TDK、Sony、Matsusbita、Toshiba等已批量生產(chǎn)非晶磁頭等非晶金屬磁傳感器。還有LEM、Honeywell、F.W．Bell、NaNa等公司生產(chǎn)廠各種用途和量程的電流、電壓傳感器和其它類型的磁傳感器組件，這些磁傳感器都巳得到廣泛的應用。
霍爾效應應用中存在的問題與注意事項
應用霍爾效應制作的傳感器對均勻、恒定磁場測量的準確度一般在5%—0.5%，高精度的測量準確度可以達到0.05%。但對磁體表面的非均勻磁場的測量就談不上準確度了。往往是不同的儀表，或同型號的儀表，不同的探頭，或同一支探頭的不同側面。去測量同一磁體表面，同一位置（應該說看上去是同一位置）的磁場時，顯示的結果大不一樣，誤差可以超過20%，甚至50%。
在實際應用中，伴隨霍爾效應經(jīng)常存在其他效應。例如實際中載流子遷移速率u服從統(tǒng)計分布規(guī)律，速度小的載流子受到的洛倫茲力小于霍爾電場作用力，向霍爾電場作用力方向偏轉，速度大的載流子受到磁場作用力大于霍爾電場作用力，向洛倫茲力方向偏轉。這樣使得一側告訴載流子較多，相當于溫度較高，而另一側低速載流子較多，相當于溫度較低。這種橫向溫差就是溫差電動勢VE，這種現(xiàn)象稱為愛延豪森效應。這種效應建立需要一定時間，如果采用直流電測量時會因此而給霍爾電壓測量帶來誤差，如果采用交流電，則由于交流變化快使得愛延豪森效應來不及建立，可以減小測量誤差。
此外，在使用霍爾元件時還存在不等位電動勢引起的誤差，這是因為霍爾電極不可能絕對對稱焊在霍爾片兩側產(chǎn)生的。由于目前生產(chǎn)工藝水平較高，不等位電動勢很小，故一般可以忽略，也可以用一個電位器加以平衡。
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