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霍尔元件的应用与注意事项

发布时间:2019-10-29 浏览:187次

自从霍尔效应被发现100多年以来,它的应用经历了三个阶段:

第一阶段是从霍尔效应的发现到20世纪40年代前期。最初,由于金属材料中的电子浓度很大,而霍尔效应十分微弱,所以没有引起人们的重视。这段时期也有人利用霍尔效应制成磁场感测器,但实用价值不大,到了1910年有人用金属铋制成霍尔元件,作为磁场感测器。但是,由于当时未找到更合适的材料,研究处于停顿状态。

第二阶段是从20世纪40年代中期半导体技术出现之后,随着半导体材料、制造工艺和技术的应用,出现了各种半导体霍尔元件,特别是锗的采用推动了霍尔元件的发展,相继出现了采用分立霍尔元件制造的各种磁场感测器。

第三阶段是自20世纪60年代开始,随着集成电路技术的发展,出现了将霍尔半导体元件和相关的信号调节电路集成在一起的霍尔感测器。进入20世纪80年代,随着大规模超大规模集成电路和微机械加工技术的进展,霍尔元件从平面向三维方向发展,出现了三埠或四埠固态霍尔感测器,实现了产品的系列化、加工的批量化、体积的微型化。霍尔集成电路出现以后,很快便得到了广泛应用。

霍尔元件应用十分广泛大致可分为以下几个方向。

1.测量载流子浓度:

根据霍尔电压产生的公式,以及在外加磁场中测量的霍尔电压可以判断传导载流子的极性与浓度,这种方式被广泛的利用于半导体中掺杂载体的性质与浓度的测量上。

2.测量磁场强度:

霍尔元件测量磁场强度

只要测出霍尔电压VBB,即可算出磁场B的大小;并且若知载流子类型(n型半导体多数载流子为电子,P型半导体多数载流子为空穴),则由VBB'的正负可测出磁场方向,反之,若已知磁场方向,则可判断载流子类型。

3.测量电流强度:

将图4中霍尔器件的输出(必要时可进行放大)送到经校准的显示器上,即可由霍尔输出电压的数值直接得出被测电流值。这种方式的优点是结构简单,测量结果的精度和线性度都较高。可测直流、交流和各种波形的电流。但它的测量范围、带宽等受到一定的限制。在这种应用中,霍尔器件是磁场检测器,它检测的是磁芯气隙中的磁感应强度。电流增大后塑料工业网,磁芯可能达到饱和;随着频率升高,磁芯中的涡流损耗、磁滞损耗等也会随之升高。这些都会对测量精度产生影响。当然,也可采取一些改进措施来降低这些影响,例如选择饱和磁感应强度高的磁芯材料;制成多层磁芯;采用多个霍尔元件来进行检测等等。这类霍尔电流感测器的价格也相对便宜,使用非常方便,已得到极为广泛的应用,国内外已有许多厂家生产。

4.测量微小位移:

若令霍尔元件的工作电流保持不变,而使其在一个均匀梯度磁场中移动,它输出的霍尔电压VH值只由它在该磁场中的位移量Z来决定。图6示出3种产生梯度磁场的磁系统及其与霍尔器件组成的位移感测器的输出特性曲线,将它们固定在被测系统上,可构成霍尔微位移感测器。从曲线可见,结构(b)在Z<2mm时,VH与Z有良好的线性关系,且分辨力可达1μm,结构(C)的灵敏度高,但工作距离较小。用霍尔元件测量位移的优点很多:惯性小、频响快、工作可靠、寿命长。以微位移检测为基础,可以构成压力、应力、应变、机械振动、加速度、重量、称重等霍尔感测器。

5.压力感测器:

霍尔压力感测器由弹性元件,磁系统和霍尔元件等部分组成,如图6所示。在图6中,(a)的弹性元件为膜盒金属加工网,(b)为弹簧片,(c)为波纹管。磁系统最好用能构成均匀梯度磁场的复合系统,如图6中的(a)、(b),也可采用单一磁体,如(c)。加上压力后,使磁系统和霍尔元件间产生相对位移,改变作用到霍尔元件上的磁场,从而改变它的输出电压VH。由事先校准的p~f(VH)曲线即可得到被测压力p的值。

6.霍尔加速度感测器:

霍尔压力传感器

图7示出霍尔加速度感测器的结构原理和静态特性曲线。在盒体的O点上固定均质弹簧片S,片S的中部U处装一惯性块M,片S的末端b处固定测量位移的霍尔元件H,H的上下方装上一对永磁体,它们同极性相对安装。盒体固定在被测对象上,当它们与被测对象一起作垂直向上的加速运动时,惯性块在惯性力的作用下使霍尔元件H产生一个相对盒体的位移,产生霍尔电压VH的变化。可从VH与加速度的关系曲线上求得加速度。

霍尔加速度传感器

们在利用霍尔效应开发的各种感测器,磁罗盘、磁头、电流感测器、非接触开关、接近开关、位置、角度、速度、加速度感测器、压力变送器、无刷直流电机以及各种函数发生器、运算器等,已广泛应用于工业自动化技术、检测技术和信息处理各个方面。仅在汽车的电子系统中,使用霍尔IC的就有十几处。如点火控制、发动机速度检测、燃料喷射控制、底盘控制、门锁控制以及方位导航控制等。除了己非常成熟的双极型霍尔IC外,应用CMOS和Si CMOS技术的霍尔产品业已广泛使用,MOS霍尔IC的功耗更低,功能更强。霍尔IC的种类较多,大致可分为霍尔线性IC和霍尔开关IC。前者的输出与磁场成正比nc.qoos.ipi,用于各种参量的测量:后者的输出为高、低电平两利,状态,常用于无刷电机和汽车点火装置中。此外,大功率的霍尔IC的应用也非常广泛,它将功率驱动级和各种保护电路集成到霍尔IC中,使得器件具有很强的驱动能力,它们可直接驱动无刷电动机,也常用在汽车中作开关器件。在实际使用中,经常将霍尔集成电路(有时也用霍尔元件)与永磁体、软磁材料等封装在一起,组成适用于特定应用场合的霍尔感测器组件。


在国外,由于磁感测器已逐渐被广泛而大量地使用,有许多企业竞相研制和生产,形成一定规模的磁感测器产业。霍尔器件是半导体磁感测器中最成熟和产量最大的产品。旭化成(InSb霍尔元件)、Honeywell、A11egro、SEC、ITT、Siemens(霍尔电路)等均已大量生产。Philips、Honeywell、Sony、IBM等已大量生产了金属膜磁敏电阻器及集成电路。TDK、Sony、Matsusbita、Toshiba等已批量生产非晶磁头等非晶金属磁感测器。还有LEM、Honeywell、FW.Bell、NaNa等公司生产厂各种用途和量程的电流、电压感测器和其它类型的磁感测器组件,这些磁感测器都巳得到广泛的应用。


霍尔效应应用中存在的问题与注意事项

应用霍尔效应制作的感测器对均匀、恒定磁场测量的准确度一般在5%—0.5%,高精度的测量准确度可以达到0.05%。但对磁体表面的非均匀磁场的测量就谈不上准确度了。往往是不同的仪表,或同型号的仪表,不同的探头,或同一支探头的不同侧面。去测量同一磁体表面,同一位置(应该说看上去是同一位置)的磁场时,显示的结果大不一样,误差可以超过20%,甚至50%。

在实际应用中,伴随霍尔效应经常存在其他效应。例如实际中载流子迁移速率u服从统计分布规律,速度小的载流子受到的洛伦兹力小于霍尔电场作用力,向霍尔电场作用力方向偏转,速度大的载流子受到磁场作用力大于霍尔电场作用力,向洛伦兹力方向偏转。这样使得一侧告诉载流子较多,相当于温度较高,而另一侧低速载流子较多,相当于温度较低。这种横向温差就是温差电动势VE,这种现象称为爱延豪森效应。这种效应建立需要一定时间,如果采用直流电测量时会因此而给霍尔电压测量带来误差,如果采用交流电,则由于交流变化快使得爱延豪森效应来不及建立,可以减小测量误差。

此外,在使用霍尔元件时还存在不等位电动势引起的误差,这是因为霍尔电极不可能绝对对称焊在霍尔片两侧产生的。由于目前生产工艺水平较高,不等位电动势很小,故一般可以忽略,也可以用一个电位器加以平衡。  

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