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霍尔传感器的理论及应用

  一、导言

     今天,随着人类社会从工业时代过渡到信息时代,作为接收、收集、改造、传输和处理各种信息的基本功能工具载体的传感器,已成为一种与微型计算机一样重要的技术工具。特别是霍尔传感器。由于其可靠性高、灵敏度高和热稳定性好,已被广泛用于工业、军事和科学技术等领域,从而显示出其强大的生命力。

    1879年,hall研究了磁场中过流导体的强度,发现在垂直于磁场和电流的方向上产生了电动势,这种电磁效应称为“霍尔效应”。 在半导体材料中,霍尔效应大于金属,它的研究在半导体理论发展中起到了重要作用,霍尔效应测量仍是研究半导体性质的重要实验方法。

     采用霍尔效应,确定半导体的电导率和电荷浓度,采用霍尔系数和电导率的联合测量,研究半导体的电导率机制(实际电导率和非纯电导率)和色散机制(晶格扩散和杂质扩散)、半导体的运动、频带宽度。可以用霍尔系数随温度变化以确定禁带宽度、杂质电能和半导体电能迁移率的温度特性。

     霍尔元件按霍尔效应原理制造,可用于磁场和功率测量,或作为开关元件,广泛用于反自动化和信息处理等。霍尔效应近年来显着发展,冯·克利发现了量子霍尔效应,因此获得了1985年诺贝尔物理学奖。

     现在霍尔传感器是世界上第三大传感器产品,并报告保持了20到30个百分点的高速增长。同时霍尔传感器技术完善,可编程霍尔传感器、智能霍尔传感器和微霍尔传感器更具前景。

     中国霍尔传感器市场年增长率为2位数。在我们的日常生活中,霍尔传感器被广泛使用.。例如,如果移动电话的盖或滑动盖翻转,用于检测移动电话盖翻转或滑动的设备是霍尔传感器。此外,在计算机键盘上,用于移动光标的滚动键由霍尔传感器组成。另外,霍尔传感器还适用于需要电动马达的元件,例如汽车变速箱和电动门窗。我们每天都在和霍尔传感器打交道。“霍尔传感器在手机、笔记本电脑和电机控制和汽车领域获得了很好的应用。在中国等世界其他市场都是如此。”美信运放与比较器商务营销经理PatrickLong对《中国电子报》记者说:随着业界对霍尔传感器的投资越来越多,它会开启一些新的应用市场,例如单芯片磁性罗盘应用市场等。” “由于需要采用霍尔传感器的应用领域,如汽车、电机、手机和电脑都已经采用了该器件,而且这些市场在未来几年的增长较为稳定,而其他一些新的应用市场又不足以与上述几个市场相比,因此霍尔传感器在全球总的市场容量是较为稳定的,每年的增长率保持在5%到10%之间。”Honeywell说存储器集成也是一种趋势。  国内外需求转向高端可编程霍尔传感器。可编程霍尔传感器可以降低客户的生产周期效率,缩短生产周期,提高生产效率,这在客户中很受欢迎。

    关于温度性能,长期保持高温霍尔传感器的高可靠性已成为工程师们面临的主要问题。   如果霍尔传感器长时间处于高工作温度下,将芯片连接到基板的引线会导致重新连接或断裂,从而影响传感器的正常工作。目前,许多霍尔传感器的工作温度在65至85摄氏度之间,也适用于机动车辆。然而,在某些工业应用中,操作温度可能高达160 c至185 c,霍尔传感器适用于这些应用,因此需要改进温度指标。

    关于高灵敏度。目前霍尔传感器的最大灵敏度达到几十高斯。在工业和汽车领域,使用200 - 500高斯灵敏度霍尔传感器可以很好地完成应用任务。提高霍尔传感器灵敏度的同时开拓创新的应用市场,成为业界努力的目标。霍尔传感器当前的一个问题是电路可以感知非常小的磁场和磁场的细微变化。

    关于hall组件结构。国际上复杂的结构一般都有专利,企业使用是需要交纳昂贵的费用,因此许多企业采用替代方案来完成。如,企业推出测量水平磁场的霍尔传感器,它可以更易实现旋转的测量而不用支出专利费。

    从一开始霍尔传感器就被广泛用于汽车电子行业,随着应用在电器市场的发展,比如在游戏机上使用方向盘和电动玩具,如控制功耗成本成了厂家的面临的挑战。此外,它还面临着生产测试技术的问题。。 

    90年代初集成霍尔传感器技术迅速发展,功能集成霍尔传感器的各种应用被广泛用于工业、运输、通讯等领域的自动化,如测量磁力、角度和位移、周期和转速、液体水位、产品计数和车辆行程计量。

    霍尔效应在一般材料上表现很不明显,所以很长时间没有得到应用。自1960年代以来,随着半导体工艺和材料的发展,这一效应在科学实验和工程技术中才得到广泛的应用。

    半导体材料构成的霍尔元件,特别是测量元件,广泛用于工业自动化和电子技术。由于可以减小霍尔元件的大小,因此可以测量点和间隔的磁场。此外,使用此效应还可以测量半导体电气中所含气体的浓度,或确定半导体电气的类型。近年来霍尔效应大幅度发展,冯﹒克利青观测到了强磁场和极低温下的量子霍尔效应,其应用大大提高了基本常数测量精度。在今天,工业生产需要检测和控制,作为传感器之一的自动装置霍尔装置的应用前景更广阔。

    随着科技的进步,测量方法也在改进。90年代初霍尔传感器技术迅速发展。出现了各种性能的集成霍尔传感器,主要用于工业、运输、通讯等领域的自动化。  例如,磁力测量、位移测量、循环和转速测量、液位、流量测量、产品数量测量、车辆行驶测量、角度测量等。在此实验中,学习集成式开关型霍尔传感器的特性,并用传感器测量了弹簧振荡器的振动周期。因此,掌握谐振衰减规律,并为传感磁装置测量振动周期提供了一种新的方法。

二、霍尔传感器的理论基础

     霍尔传感器工作的理论基础是磁场理论中带电粒子运动的霍尔效应。霍尔效应:在载流体进入磁场且为静态的状态下,载流体中的电流方向与磁场方向不同,在与载流体中的电流方向和磁场方向平行的表面上产生的电场称为霍尔效应。根据经验和理论,当磁场不太强时,霍尔电势与电流强度和磁场强度b成正比,与载体流体厚度成反比。  此外,hall效应适用于所有导体(导体、半导体)。

  三、霍尔效应传感器的数学模型

 1 . 霍尔效应

     霍尔效应是驱动载荷对磁场和电场强度影响的结果。下面我们推导出表示霍尔传感器特性的数学模型。如图1所示,矩形金属板材或半导体板材在一定方向上穿过IH电流,在垂直方向上应用磁场B时,在垂直于电流和磁场的方向上产生电位差UH,这种现象称为 “霍尔效应 ”。UH称为“霍尔电压”。  hall,电位差UH与IH电流强度成正比,与磁感应强度B成正比,与d零件厚度成反比,即,

      (1)(1).png

  在公式中,HR称为霍尔系数,表示材料产生霍尔效应的能力。

 2 . 洛伦兹力的形成

   如图1所示,将一块厚度为d、宽度为b、长度为L的半导体薄片(霍尔片)放置在磁场B中,磁场B沿Z轴正方向。     图1.png

当电流沿X轴正方向通过半导体时,若薄片中的载流子(设为自由电子)以平均速度v沿X轴负方向作定向运动,所受的洛伦兹力为

           (2)(2).png

3.电场力的形成

在fB的作用下自由电子受力偏转,结果向板面“I”积聚,同时在板面“Ⅱ”上出现同数量的正电荷。这样就形成一个沿Y轴负方向上的横向电场,使自由电子在受沿Y轴负方向上的洛伦兹力fB的同时,也受一个沿Y轴正方向的电场力fE。设E为电场强度,UH为霍尔片I、Ⅱ面之间的电位差(即霍尔电压),则 

   (3)(3).png

fE将阻碍电荷的积聚,最后达稳定状态时有

      (4)(4).png

 

     (5)(5).png

设载流子浓度为n,单位时间内体积为v·d·b里的载流子全部通过横截面,则电流强度IH与载流子平均速度v的关系为

   (6)(6).png

将(6)式代入(5)式得

         (7)(7).png

式中 即为前述的霍尔系数RH。

考虑霍尔片厚度d的影响,引进一个重要参数KH,

 ,则(5)式可写为(7-1).png

        (8)(8).png

KH称为霍尔元件的灵敏度。

  四、霍尔传感器设计元素

 1 . 考虑霍尔元件的大小

    确定l和b尺寸。  霍尔效应的强度取决于承载流体的大小。  在一些特定载体中,电子电场的运动速度v通常载流子的迁移率来表示。

    载流子的迁移率的定义是指根据单位电场强度计算的载流子的平均运动速度,即,

          ( 9 )(9).png

    在式中,v是载流子的移动速度。  EI是电场在载流子运动中的强度。

    激磁电压为

          (9-1).png

    顶部公式替代入后(9-2).png (9-3).png

 2.霍尔元件材料的确定

⑴ 确定材料的依据

    霍尔效应与材料载流的迁移率 有关。只有材料载流子的 不为零,则必产生霍尔电势UH,只不过材料 值不同,产生的霍尔电势UH也不同,分析如下。因为霍尔元件控制极的电阻为

(9-4).png


⑵制作霍尔元件的半导体材料

材料名称型号迁移率电阻率  


N P3.6ⅹ10315~16

P1.5ⅹ1037~8

N>1.5ⅹ10312

砷化铟1.5ⅹ10140.01

锑化铟6~8ⅹ1040.05~0.03

3.霍尔片的结构

     霍尔元件通常制作成长方形薄片,如图2所示  

图2.png     

⑴ 尺寸 国产霍尔片的尺寸一般为

      a=2mm b=4mm d=0.1mm

⑵ 霍尔电极

     霍尔电极置于垂直与X轴的两侧面,用于引出电势。这两个电极安装要求是:沿长度方向受力要小;电极两侧要对称,置于正中位置。

⑶ 激励电极

    它被安装在垂直与y轴两侧的平面上,安装时a/b=2/4

⑷ 垂直于Z轴的两个平面,要求均为光滑平面,因为工作磁场被安装在此平面上。

⑸ 霍尔片一般需要用陶瓷或环氧树脂或硬橡胶进行封装。


五. 霍尔传感器的应用

1 . 霍尔传感器在无刷直流电机中的应用

    采用霍尔开关型转子位置检测仪,无刷直流电机通常用霍尔位置信号进行电机换向控制。整形后霍尔信号传感器发出HA、HB和HC信号三路相差120°,在360度形成六个不同的电角码,在六个不同的状态下,根据电角101、100、110、010、011和001形成三个系统中120个不同的低频脉冲。正向旋转时更改顺序,反向时更改顺序,这些三向信号包含速度和方向信息。速度测量方法的主要思想是电机的极对数为n0,电机依次旋转1圈,变为n0组6种不同状态,建立时钟频率为F0的计数器,电机每动作1个状态,计数器值为mi,则电机转速为,

           ( 10 )(10).png

    在式中I>=6n0中。该方法不要求霍尔元件位于电机上,转速变化不大,可提高转速反馈信号的分辨率。

         

图3.png

    速度和行程距离测量装置如图4所示。

 图4.png

 2 .霍尔方法在某磁场测量中的应用

  ①旁测法

    旁测法是图5所示的比较简单方法。当霍尔元件位于电线附近时,当控制电流应用于霍尔元件时,由于测量电流所产生的磁场,相应的霍尔输出电压会在霍尔元件中产生,并且可以得到测量电流的大小。  这种方法测量精度较低。

  ②贯串法

    贯串法测量方案如图6所示。使用高磁性材料作为磁芯,并穿过磁芯中的定电压导体-霍尔或霍尔IC元件可以布置在磁芯的空气间隙中,磁芯可以集中在环形芯中。当电流通过测量的导线时,会围绕导线产生磁场,而导线的核心会被磁铁暂时磁化,从而形成环形空气集中的磁场。带电导线中的电流越大,空气间隙中的磁力就越强,霍尔元件输出的霍尔电压就越高,带电导线中的电流大小就可以根据霍尔电压的大小得到。这种方法测量精度高。

  ③绕线法

    布线方法原理见图7。由标准环形导磁铁芯与霍尔集成传感器组合而成。被测通电导线绕在导磁铁芯上,根据绕线的匝数和霍尔电压的大小就可以得出绕线上流过的电流大小。

    在变频器的双回路控制系统中,采用霍尔电流传感器检测电流环内反馈电流。

    使用霍尔传感器作为测量元件的主要原因如下。

  ①霍尔电流传感器响应时间快(小于1 us ),用于检测IGBT等功率器件的电流,并在异常动作时迅速保护大电流。

  ②调节变频器中的环形电流,提高系统的动态性能。

  ③可通过调整正确检测放电电流中直流分量,保证逆变输出的电压中,消除直流电压然分量的存在。


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