霍爾效應傳感器歷史

 

自從1879年Edwin H.Hall博士用一片金箔做實(shí)驗時(shí)出現這種行為后，霍爾效應的知識就被廣泛流傳開(kāi)來(lái)。雖然現代傳感器的開(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致延遲的部分原因。在20世紀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定性，完全可以在諸如電磁場(chǎng)控制器等設備中用作傳感器。

 

在20世紀40年代期間材料科學(xué)終于迎來(lái)了突破性進(jìn)展，當時(shí)III-V族半導體是蘇聯(lián)的主要研究課題。德國西門(mén)子公司的科學(xué)家則首先認識到，新發(fā)現的這些化合物特性可以做出優(yōu)異的霍爾效應器件（霍爾發(fā)電機）。

 

這類(lèi)半導體具有霍爾效應應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定性。到20世紀50年代晚期，美國俄亥俄州的研究人員發(fā)掘出砷化銦和銻化銦的獨特性能，并因此誕生了多家生產(chǎn)基于霍爾效應的產(chǎn)品的公司。作為儀器級傳感器，砷化銦器件在穩定性、低噪聲和最小溫度系統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)提供硅霍爾效應器件。它們的大批量生產(chǎn)設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70年代晚期，硅霍爾效應開(kāi)關(guān)得到了長(cháng)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的結果還存在一些問(wèn)題。測量的結果通常會(huì )受到高溫度系數和可變開(kāi)關(guān)校準的影響。直到20世紀80年代，現代校準和補償電路才使得當今的集成式傳感器達到了相當高的性能水平。

 

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

 

在使用數量上只有溫度傳感器略勝一籌，但霍爾效應傳感器亦已被用于國內和商業(yè)應用中種類(lèi)廣泛的設備，包括DVD、CD、內存驅動(dòng)器、自動(dòng)玩具、手機、汽車(chē)羅盤(pán)以及汽車(chē)點(diǎn)火系統。你還可以在線(xiàn)性、工業(yè)旋轉設備、位置檢測器以及軍事/航空設備中見(jiàn)到它們的身影。

 

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

 

霍爾效應傳感器的工作原理

 

當以一定角度穿過(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w材料，作為有源元件或“有源區域”產(chǎn)生霍爾電壓（圖1）?；魻柶薪o定的長(cháng)度l、寬度w和厚度t。

 

圖1：可以用直流磁場(chǎng)產(chǎn)生和測量霍爾電壓。

 

測量霍爾電壓

 

對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得的最大霍爾電壓。當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(cháng)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(zhù)圖示線(xiàn)條曲線(xiàn)向霍爾片邊緣移動(dòng)。這個(gè)力是載流子速度和磁場(chǎng)強度的一個(gè)系數。最終在寬度為w的材料的觸點(diǎn)VH（+）和VH（-）之間測到的霍爾電壓正比于磁場(chǎng)的通量密度。

 

儀器配置

 

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

 

圖2：儀器中使用的霍爾發(fā)生器的典型配置。

 

應用

 

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

 

● 測量磁場(chǎng)強度

 

● 檢測移動(dòng)物體的接近、位置和旋轉參數

 

下文將討論每種應用，并提供了高效使用霍爾效應器件的一些技巧。

 

用于磁場(chǎng)測量的儀器級傳感器

 

當一種工業(yè)應用要求精確或經(jīng)認證的磁場(chǎng)測量時(shí)，經(jīng)常會(huì )采用儀器級霍爾效應器件。比較常見(jiàn)的一些儀器級應用包括電磁場(chǎng)控制、半導體離子注入束控制、磁體或磁性零件的受入檢查、在線(xiàn)磁化確認、磁場(chǎng)制圖、電流檢測以及連續磁場(chǎng)暴露監視等。作為這許多測量的替代方法，可以使用商用的高斯計。然而在實(shí)際應用中，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備。

 

儀器級霍爾器件用戶(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。根據測量的空間特征，需要使用合適的安裝方法來(lái)安置和保持檢測元件。

 

典型的霍爾效應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，設計用于磁路間隙測量、表面測量和開(kāi)放磁場(chǎng)測量。軸向傳感器一般是圓柱體，用于環(huán)形磁鐵中心孔測量、螺線(xiàn)管磁場(chǎng)測量、表面磁場(chǎng)檢測和普通磁場(chǎng)檢測。

 

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(xiàn)性度和低溫度系數。通?？梢再I(mǎi)到用于特定測量和儀器的合適探頭，而且制造商會(huì )提供經(jīng)認證的校準數據。

 

儀器級霍爾效應傳感器的一些較為重要的實(shí)用化考慮因素有：

 

精度。設計師必須確定特定測量所需的精度。在沒(méi)有信號調節的條件下可以達到1.0%至2.0%的讀取精度。在許多應用中使用微處理器校正后可以達到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。當磁場(chǎng)矢量垂直于器件平面（sin90°=1.0）時(shí)輸出達最大值，當磁場(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)校準霍爾傳感器，因此需要考慮測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：一種是用于磁場(chǎng)靈敏度（校準）的溫度系數，另一種與偏差（零）變化有關(guān)。溫度對校準的影響是讀數誤差的一個(gè)百分數，零效應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（小于100高斯）時(shí)更為重要。技術(shù)人員應該仔細研究制造商給出的兩種溫度系數指標，然后判斷某個(gè)特定應用是否能在目標溫度范圍內保持想要的精度。

 

輸入電流限制。建議設計師了解所要求的輸入電流值，并注意不要超過(guò)規定的最大值。記住，正常情況下霍爾效應器件是在某個(gè)電流值進(jìn)行校準的。任何偏離校準電流的變化都會(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(zhù)翻倍。

 

如前所述，基本的儀器級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

 

在一些測量應用中，使用標準探頭是不切實(shí)際的或不合意的。相反，霍爾效應傳感器被直接安裝在機械組件上。定制化的傳感器安裝方式設計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?；魻杺鞲衅魈貏e脆弱，很容易因彎曲應力而受損。因此要避免霍爾片接觸施加直接壓力的表面或器件。在一些應用中，使用非導電的陶瓷或其它絕緣材料作為接口片。

 

綁定。必須仔細選擇綁定粘合劑，以便不給傳感器增加應力。當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(xiàn)的應力，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）可以用于保護軸向霍爾傳感器。

 

推薦方法是為任何定制安裝應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，其中的傳感器可以暴露或凹陷在腔體內得到保護。橫向傳感器一般安裝在凹陷處。

 

集成的接近與旋轉傳感器

 

霍爾效應傳感器已被廣泛用于各種線(xiàn)性接近檢測設備，對接近設備的磁場(chǎng)變化進(jìn)行響應。例如，檢測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。這種運動(dòng)將導致產(chǎn)生的電壓發(fā)生變化。附加的集成電路將霍爾電壓轉換成顯著(zhù)更大的數字兼容信號。

 

角度檢測、旋轉和速度檢測使用相同的霍爾效應原理測試位置的重復性物理性變化。對于旋轉、速度或角度傳感器來(lái)說(shuō)，磁極連接在旋轉物體上，比如電機軸，霍爾片是靜止的。眾所周知的角坐標應用包括檢測無(wú)刷直流電機的換向和發(fā)動(dòng)機曲柄軸的旋轉角度。

 

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

 

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）。

 

單極負向霍爾開(kāi)關(guān)：要求一個(gè)極。根據負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)自霍爾效應檢測器的信號被檢測、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）的連接是標準連接，帶有外部上拉電阻。由于大批量生產(chǎn)的原因，集成式霍爾效應器件（圖5）通常成本很低。

 

圖5：集成式霍爾效應器件的簡(jiǎn)化原理圖。

 

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

 

圖6：霍爾效應傳感器的封裝類(lèi)型。

 

為了使得這些器件在應用中更加有用，請記?。?/div>