霍尔传感器及其应用.pdfVIP

沈阳单片机开发网——帮您精确掌握电子器件的使用细节 霍尔传感元器件及其应用 摘要: 霍尔器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；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 μm 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－55℃～150℃。 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控制。 2、 霍尔效应和霍尔器件 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。 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 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）。 1 沈阳单片机开发网——帮您精确掌握电子器件的使用细节 在上述（1）、（2）、（3）式中 VH 是霍尔电压，ρ 是用来制作霍尔元件的材料的电阻率，μn 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，ρ、RH、μn 决定于元件 所用的材料，I、W、t 和f(I/W)决定于元件的设计和工艺，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，μn 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 VH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