霍爾效應(yīng)傳感器可測(cè)量磁場(chǎng)和檢測(cè)位置

霍爾效應(yīng)開(kāi)關(guān)和儀器級(jí)傳感器在工業(yè)應(yīng)用中正變得越來(lái)越普及，如今產(chǎn)品和制造工藝設(shè)計(jì)師可以選用高度集成的各種霍爾效應(yīng)器件。雖然在需要哪些規(guī)范以及磁場(chǎng)測(cè)量方面總的來(lái)說(shuō)仍有許多困惑，但這些器件已被證明應(yīng)用起來(lái)相當(dāng)簡(jiǎn)便。

在使用數(shù)量上只有溫度傳感器略勝一籌，但霍爾效應(yīng)傳感器亦已被用于國(guó)內(nèi)和商業(yè)應(yīng)用中種類(lèi)廣泛的設(shè)備，包括DVD、CD、內(nèi)存驅(qū)動(dòng)器、自動(dòng)玩具、手機(jī)、汽車(chē)羅盤(pán)以及汽車(chē)點(diǎn)火系統(tǒng)。你還可以在線性、工業(yè)旋轉(zhuǎn)設(shè)備、位置檢測(cè)器以及軍事/航空設(shè)備中見(jiàn)到它們的身影。

制造和測(cè)試工程師使用各種類(lèi)型的分立霍爾效應(yīng)傳感器與儀器提供產(chǎn)品信息并監(jiān)視制造工藝步驟。雖然在測(cè)量功能上與其它類(lèi)型的傳感與儀器可能有些重疊，但對(duì)于某些類(lèi)型的測(cè)量來(lái)說(shuō)霍爾效應(yīng)傳感器明顯是最佳選擇，甚至有些情況下沒(méi)有其它類(lèi)型的測(cè)試設(shè)備能夠提供所需的數(shù)據(jù)，其中就包括對(duì)直流電流值、旋轉(zhuǎn)位置、間隙、表面或泄漏磁場(chǎng)值的測(cè)量?；魻栃?yīng)傳感器歷史部分提供了有關(guān)這些傳感器的一些背景知識(shí)。

霍爾效應(yīng)傳感器的工作原理

當(dāng)以一定角度穿過(guò)一片材料的磁場(chǎng)影響到在此材料中流動(dòng)的電流時(shí)就會(huì)產(chǎn)生霍爾電壓?；魻柶ǔＪ且黄匦蔚陌雽?dǎo)體材料，作為有源元件或“有源區(qū)域”產(chǎn)生霍爾電壓(圖1)。霍爾片有給定的長(zhǎng)度l、寬度w和厚度t。

圖1：可以用直流磁場(chǎng)產(chǎn)生和測(cè)量霍爾電壓。

測(cè)量霍爾電壓

對(duì)于與霍爾片正交的磁通量矢量來(lái)說(shuō)，最大霍爾電壓VH就是霍爾片磁場(chǎng)靈敏度γB 與磁場(chǎng)通量密度B的乘積，即：

VH = γBB

這是在霍爾片上可以測(cè)得的最大霍爾電壓。當(dāng)霍爾片表面與磁通量矢量不是正交而是呈一個(gè)角度θ時(shí)，霍爾電壓VH等于：

VH = γBB × sinθ

電流I流經(jīng)長(zhǎng)度為l的霍爾片。電流是在觸點(diǎn)Ic(+)和Ic(-)之間流動(dòng)的。磁場(chǎng)處于z方向，也就是說(shuō)正交于霍爾片平面。由磁場(chǎng)施加的力被稱(chēng)為洛倫茲力，它迫使電荷載體(空穴或電子)沿著圖示線條曲線向霍爾片邊緣移動(dòng)。這個(gè)力是載流子速度和磁場(chǎng)強(qiáng)度的一個(gè)系數(shù)。最終在寬度為w的材料的觸點(diǎn)VH(+)和VH(-)之間測(cè)到的霍爾電壓正比于磁場(chǎng)的通量密度。

儀器配置

霍爾效應(yīng)傳感器的支持設(shè)備包括用于提供電流Ic的電流源和用于測(cè)試觸點(diǎn)VH(+)和VH(-)之間霍爾電壓的電壓表。有些方案還采用負(fù)載電阻RL用于電壓測(cè)量，如圖2所示。許多類(lèi)型的霍爾效應(yīng)儀器提供這種支持電路的某個(gè)部分作為測(cè)量系統(tǒng)的有機(jī)組成部分。來(lái)自觸點(diǎn)VH(+)和VH(-)的電壓引線可以直接連接到高阻電壓表進(jìn)行讀數(shù)，或連接到其它電路進(jìn)行放大、調(diào)整和處理。(使用交流源和鎖相放大器的更復(fù)雜系統(tǒng)也可以用，但不在本文討論范圍內(nèi))

圖2：儀器中使用的霍爾發(fā)生器的典型配置。

應(yīng)用

在工業(yè)環(huán)境中，霍爾效應(yīng)器件一般服務(wù)于以下兩種主要應(yīng)用之一：

● 測(cè)量磁場(chǎng)強(qiáng)度

● 檢測(cè)移動(dòng)物體的接近、位置和旋轉(zhuǎn)參數(shù)

下文將討論每種應(yīng)用，并提供了高效使用霍爾效應(yīng)器件的一些技巧。

用于磁場(chǎng)測(cè)量的儀器級(jí)傳感器

當(dāng)一種工業(yè)應(yīng)用要求精確或經(jīng)認(rèn)證的磁場(chǎng)測(cè)量時(shí)，經(jīng)常會(huì)采用儀器級(jí)霍爾效應(yīng)器件。比較常見(jiàn)的一些儀器級(jí)應(yīng)用包括電磁場(chǎng)控制、半導(dǎo)體離子注入束控制、磁體或磁性零件的受入檢查、在線磁化確認(rèn)、磁場(chǎng)制圖、電流檢測(cè)以及連續(xù)磁場(chǎng)暴露監(jiān)視等。作為這許多測(cè)量的替代方法，可以使用商用的高斯計(jì)。然而在實(shí)際應(yīng)用中，物理或成本約束經(jīng)常要求使用分立的霍爾傳感器和商用的電子設(shè)備。

儀器級(jí)霍爾器件用戶(hù)通常希望得到一個(gè)空間或空隙中或來(lái)自表面的磁場(chǎng)精確值。根據(jù)測(cè)量的空間特征，需要使用合適的安裝方法來(lái)安置和保持檢測(cè)元件。

典型的霍爾效應(yīng)傳感器通常有橫向或軸向兩種配置(圖3)。橫向傳感器一般是很薄的矩形，設(shè)計(jì)用于磁路間隙測(cè)量、表面測(cè)量和開(kāi)放磁場(chǎng)測(cè)量。軸向傳感器一般是圓柱體，用于環(huán)形磁鐵中心孔測(cè)量、螺線管磁場(chǎng)測(cè)量、表面磁場(chǎng)檢測(cè)和普通磁場(chǎng)檢測(cè)。

圖3：橫向和軸向霍爾傳感器的基本幾何形狀。

實(shí)用化考慮

高質(zhì)量的傳感器可以提供高精度、卓越的線性度和低溫度系數(shù)。通?？梢再I(mǎi)到用于特定測(cè)量和儀器的合適探頭，而且制造商會(huì)提供經(jīng)認(rèn)證的校準(zhǔn)數(shù)據(jù)。

儀器級(jí)霍爾效應(yīng)傳感器的一些較為重要的實(shí)用化考慮因素有：

精度。設(shè)計(jì)師必須確定特定測(cè)量所需的精度。在沒(méi)有信號(hào)調(diào)節(jié)的條件下可以達(dá)到1.0%至2.0%的讀取精度。在許多應(yīng)用中使用微處理器校正后可以達(dá)到0.4%的精度。

角度。如前所述，霍爾傳感器輸出是霍爾板與磁場(chǎng)矢量之間夾角θ的正弦函數(shù)。當(dāng)磁場(chǎng)矢量垂直于器件平面(sin90°=1.0)時(shí)輸出達(dá)最大值，當(dāng)磁場(chǎng)矢量與傳感器平面平等時(shí)輸出為最小值(接近0)。制造商會(huì)在最大輸出時(shí)校準(zhǔn)霍爾傳感器，因此需要考慮測(cè)試夾具或探頭的角度誤差。

溫度。許多種傳感器方案都可以支持寬的溫度和磁場(chǎng)范圍。儀器級(jí)傳感器支持從1.5K (-271°C)至448K (+175°C)的溫度范圍和從0.1高斯至30萬(wàn)高斯的磁場(chǎng)范圍?；魻杺鞲衅饔袃煞N溫度系數(shù)：一種是用于磁場(chǎng)靈敏度(校準(zhǔn))的溫度系數(shù)，另一種與偏差(零)變化有關(guān)。溫度對(duì)校準(zhǔn)的影響是讀數(shù)誤差的一個(gè)百分?jǐn)?shù)，零效應(yīng)則是取決于溫度的一個(gè)固定磁場(chǎng)值誤差。偏差變化在低磁場(chǎng)讀數(shù)(小于100高斯)時(shí)更為重要。技術(shù)人員應(yīng)該仔細(xì)研究制造商給出的兩種溫度系數(shù)指標(biāo)，然后判斷某個(gè)特定應(yīng)用是否能在目標(biāo)溫度范圍內(nèi)保持想要的精度。

輸入電流限制。建議設(shè)計(jì)師了解所要求的輸入電流值，并注意不要超過(guò)規(guī)定的最大值。記住，正常情況下霍爾效應(yīng)器件是在某個(gè)電流值進(jìn)行校準(zhǔn)的。任何偏離校準(zhǔn)電流的變化都會(huì)改變傳感器的輸出。然而，這也是一個(gè)可以利用的特性。只要不超過(guò)最大電流值，電流翻倍輸出也會(huì)跟著翻倍。

如前所述，基本的儀器級(jí)霍爾傳感器是一片具有4個(gè)電氣觸點(diǎn)的低阻材料。輸入和輸出電路彼此間是不隔離的，因此你必須避免使用輸入和輸出電路中的公共連接。為了滿(mǎn)足這個(gè)要求，你可以使用隔離式電流源或輸出的差分輸入放大。

傳感器安裝替代方案

在一些測(cè)量應(yīng)用中，使用標(biāo)準(zhǔn)探頭是不切實(shí)際的或不合意的。相反，霍爾效應(yīng)傳感器被直接安裝在機(jī)械組件上。定制化的傳感器安裝方式設(shè)計(jì)超出了本文的討論范圍。以下是在定制方式下有用的一些通用指南：

易碎性。霍爾傳感器特別脆弱，很容易因彎曲應(yīng)力而受損。因此要避免霍爾片接觸施加直接壓力的表面或器件。在一些應(yīng)用中，使用非導(dǎo)電的陶瓷或其它絕緣材料作為接口片。

綁定。必須仔細(xì)選擇綁定粘合劑，以便不給傳感器增加應(yīng)力。當(dāng)溫度變化不超出室溫±10℃時(shí)，普通環(huán)氧(如5分鐘風(fēng)干類(lèi)型)就很好了。一般不建議罐封，除非是在腐蝕性很高的環(huán)境條件下。還可以用其它一些綁定方法來(lái)減輕傳感器引線的應(yīng)力，比如將它們綁定在安裝基板上。

加工的腔體。這些腔體可以用于軸向或橫向霍爾傳感器，傳感器頂部凹陷在表面下，有助于防止壓力接觸或磨損。

試管安裝。試管安裝方式(圖4)可以用于保護(hù)軸向霍爾傳感器。

推薦方法是為任何定制安裝應(yīng)用選擇最具魯棒性的傳感器。采用陶瓷或笨酚封裝的單元一般來(lái)說(shuō)最耐用。

圖4：軸向傳感器可以安裝在試管內(nèi)，其中的傳感器可以暴露或凹陷在腔體內(nèi)得到保護(hù)。橫向傳感器一般安裝在凹陷處。

集成的接近與旋轉(zhuǎn)傳感器

霍爾效應(yīng)傳感器已被廣泛用于各種線性接近檢測(cè)設(shè)備，對(duì)接近設(shè)備的磁場(chǎng)變化進(jìn)行響應(yīng)。例如，檢測(cè)到的磁極可能接近與霍爾片垂直的傳感器，或者磁體經(jīng)過(guò)傳感器的平面。這種運(yùn)動(dòng)將導(dǎo)致產(chǎn)生的電壓發(fā)生變化。附加的集成電路將霍爾電壓轉(zhuǎn)換成顯著更大的數(shù)字兼容信號(hào)。

角度檢測(cè)、旋轉(zhuǎn)和速度檢測(cè)使用相同的霍爾效應(yīng)原理測(cè)試位置的重復(fù)性物理性變化。對(duì)于旋轉(zhuǎn)、速度或角度傳感器來(lái)說(shuō)，磁極連接在旋轉(zhuǎn)物體上，比如電機(jī)軸，霍爾片是靜止的。眾所周知的角坐標(biāo)應(yīng)用包括檢測(cè)無(wú)刷直流電機(jī)的換向和發(fā)動(dòng)機(jī)曲柄軸的旋轉(zhuǎn)角度。

用于接近、旋轉(zhuǎn)和電流檢測(cè)的各種類(lèi)型設(shè)備都是某種形式的霍爾效應(yīng)“開(kāi)關(guān)”，由霍爾效應(yīng)輸出觸發(fā)，然后饋送進(jìn)其它集成電子電路。這種開(kāi)關(guān)根據(jù)檢測(cè)到的磁場(chǎng)值或最近的磁場(chǎng)值和極性提供二元的高低輸出。當(dāng)與載流線圈結(jié)合在一起時(shí)，霍爾效應(yīng)開(kāi)關(guān)還可以為過(guò)流電路斷路器提供電流值檢測(cè)。

開(kāi)關(guān)工作模式

共有三種主要的工作類(lèi)型：

雙極霍爾開(kāi)關(guān)：要求南極和北極同時(shí)高于規(guī)定的幅值才能改變狀態(tài)，也被稱(chēng)為閉鎖型開(kāi)關(guān)。

單極正向霍爾開(kāi)關(guān)：要求一個(gè)極。根據(jù)正向通量密度大于某個(gè)幅值或小于最小值(通常沒(méi)有磁場(chǎng))改變狀態(tài)(低或高)。

單極負(fù)向霍爾開(kāi)關(guān)：要求一個(gè)極。根據(jù)負(fù)向能量密度幅值大于某個(gè)值或小于最小值(即沒(méi)有磁場(chǎng))改變狀態(tài)(高或低)。

霍爾片所處的磁場(chǎng)決定了輸出狀態(tài)。來(lái)自霍爾效應(yīng)檢測(cè)器的信號(hào)被檢測(cè)、放大，然后用于控制輸出端的固態(tài)開(kāi)關(guān)元件。到外部邏輯和控制元件(如CMOS或TTL電路)的連接是標(biāo)準(zhǔn)連接，帶有外部上拉電阻。由于大批量生產(chǎn)的原因，集成式霍爾效應(yīng)器件(圖5)通常成本很低。

圖5：集成式霍爾效應(yīng)器件的簡(jiǎn)化原理圖。

最常用的封裝類(lèi)型是表貼或兼容印刷線路板的引線類(lèi)型(圖6)。與傳感器封裝有關(guān)的正負(fù)磁場(chǎng)方向在制造商提供的規(guī)格書(shū)中有定義。

圖6：霍爾效應(yīng)傳感器的封裝類(lèi)型。

為了使得這些器件在應(yīng)用中更加有用，請(qǐng)記?。?/p>

● 當(dāng)需要精確的磁場(chǎng)讀數(shù)時(shí)要選擇儀器級(jí)器件。接近檢測(cè)(角度或線性)最好選用集成式“開(kāi)關(guān)”。

● 了解重要的參數(shù)，如磁場(chǎng)幅值，交流或直流磁場(chǎng)，交流頻率，溫度范圍，以及外部噪聲(磁性或電氣噪聲)

● 盡可能選擇更具魯棒性的封裝

● 如果準(zhǔn)備使用永久磁鐵，請(qǐng)向磁鐵制造商尋求幫助。

霍爾效應(yīng)傳感器歷史

自從1879年Edwin H.Hall博士用一片金箔做實(shí)驗(yàn)時(shí)出現(xiàn)這種行為后，霍爾效應(yīng)的知識(shí)就被廣泛流傳開(kāi)來(lái)。雖然現(xiàn)代傳感器的開(kāi)發(fā)花去了全球科學(xué)家和工程師大量的時(shí)間和精力，但霍金的開(kāi)發(fā)起到了拋磚引玉的作用。選取合適的材料是導(dǎo)致延遲的部分原因。在20世紀(jì)50年代中期之前，鉍是用于傳感器開(kāi)發(fā)的最好實(shí)用材料。雖然仍然不理想，但鉍可以提供足夠的霍爾電壓和穩(wěn)定性，完全可以在諸如電磁場(chǎng)控制器等設(shè)備中用作傳感器。

在20世紀(jì)40年代期間材料科學(xué)終于迎來(lái)了突破性進(jìn)展，當(dāng)時(shí)III-V族半導(dǎo)體是蘇聯(lián)的主要研究課題。德國(guó)西門(mén)子公司的科學(xué)家則首先認(rèn)識(shí)到，新發(fā)現(xiàn)的這些化合物特性可以做出優(yōu)異的霍爾效應(yīng)器件(霍爾發(fā)電機(jī))。

這類(lèi)半導(dǎo)體具有霍爾效應(yīng)應(yīng)用所需的高載流子遷移率和高電阻率，并且在可變溫度條件下具有卓越的穩(wěn)定性。到20世紀(jì)50年代晚期，美國(guó)俄亥俄州的研究人員發(fā)掘出砷化銦和銻化銦的獨(dú)特性能，并因此誕生了多家生產(chǎn)基于霍爾效應(yīng)的產(chǎn)品的公司。作為儀器級(jí)傳感器，砷化銦器件在穩(wěn)定性、低噪聲和最小溫度系統(tǒng)等方面的性能至今還未被其它材料超越。

許多年來(lái)，集成電路制造商一直在致力于向市場(chǎng)提供硅霍爾效應(yīng)器件。它們的大批量生產(chǎn)設(shè)施和向傳感器增加其它電路的能力為低成本高度通用的器件帶來(lái)了希望。到20世紀(jì)70年代晚期，硅霍爾效應(yīng)開(kāi)關(guān)得到了長(zhǎng)足發(fā)展。施密特觸發(fā)器和輸出晶體管的加入給業(yè)界帶來(lái)了極有影響力的器件，這種器件可以提供與磁場(chǎng)存在或消失有關(guān)的大輸出變化。但獲得精確和可重復(fù)的結(jié)果還存在一些問(wèn)題。測(cè)量的結(jié)果通常會(huì)受到高溫度系數(shù)和可變開(kāi)關(guān)校準(zhǔn)的影響。直到20世紀(jì)80年代，現(xiàn)代校準(zhǔn)和補(bǔ)償電路才使得當(dāng)今的集成式傳感器達(dá)到了相當(dāng)高的性能水平。