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)就被廣泛流傳開來。雖然現(xiàn)代傳感器的開發(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。德國西門子公司的科學(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，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了希望。到20世紀(jì)70年代晚期，硅霍爾效應(yīng)開關(guān)得到了長足發(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)果還存在一些問題。測(cè)量的結(jié)果通常會(huì)受到高溫度系數(shù)和可變開關(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。

 

霍爾效應(yīng)開關(guān)和儀器級(jí)傳感器在工業(yè)應(yīng)用中正變得越來越普及，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)量方面總的來說仍有許多困惑，但這些器件已被證明應(yīng)用起來相當(dāng)簡便。

 

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內(nèi)和商業(yè)應(yīng)用中種類廣泛的設(shè)備，包括DVD、CD、內(nèi)存驅(qū)動(dòng)器、自動(dòng)玩具、手機(jī)、汽車羅盤以及汽車點(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)備中見到它們的身影。

 

制造和測(cè)試工程師使用各種類型的分立霍爾效應(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)量功能上與其它類型的傳感與儀器可能有些重疊，但對(duì)于某些類型的測(cè)量來說霍爾效應(yīng)傳感器明顯是最佳選擇，甚至有些情況下沒有其它類型的測(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。霍爾效應(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）?；魻柶薪o定的長度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說，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，也就是說正交于霍爾片平面。由磁場(chǎng)施加的力被稱為洛倫茲力，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)霍爾器件用戶通常希望得到一個(gè)空間或空隙中或來自表面的磁場(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說最耐用。

 

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說，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)的各種類型設(shè)備都是某種形式的霍爾效應(yīng)“開關(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)開關(guān)還可以為過流電路斷路器提供電流值檢測(cè)。

 

開關(guān)工作模式

 

共有三種主要的工作類型：

 

雙極霍爾開關(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)，也被稱為閉鎖型開關(guān)。

 

單極正向霍爾開關(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（通常沒有磁場(chǎng)）改變狀態(tài)（低或高）。

 

單極負(fù)向霍爾開關(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)器件的簡化原理圖。

 

最常用的封裝類型是表貼或兼容印刷線路板的引線類型（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)格書中有定義。

 

圖6：霍爾效應(yīng)傳感器的封裝類型。

 

為了使得這些器件在應(yīng)用中更加有用，請(qǐng)記?。?/div>