霍爾傳感器工作原理

　　霍爾傳感器是全球排名第三的傳感器產(chǎn)品，在日常生活中，每天在與其打交道,例如，在電腦鍵盤上，實(shí)現(xiàn)光標(biāo)移動(dòng)的滾動(dòng)鍵就是由霍爾傳感器組成的:或者，在汽車變速箱、電動(dòng)門窗等需要電機(jī)的部件中也有霍爾傳感器應(yīng)用。由于霍爾傳感器是根據(jù)霍爾效應(yīng)制成的，那么下面先從霍爾效應(yīng)介紹:

　　1.霍爾效應(yīng)

　　t

　　+i++++++

　　d

　　圖1 霍爾效應(yīng)

　　霍爾效應(yīng)以本質(zhì)上講是運(yùn)動(dòng)的帶電粒子在磁場(chǎng)中受洛侖茲力作用引起的偏轉(zhuǎn)。當(dāng)帶電粒子(電子或空六)被約束在固體材料中，這種偏轉(zhuǎn)就導(dǎo)致在垂直電流和磁場(chǎng)的方向上產(chǎn)生正負(fù)電荷的聚積，從而形成附國的橫向電場(chǎng)。對(duì)于圖1所示的半導(dǎo)體試樣，若在X方向通以電流1S，在Z方向加磁場(chǎng)B，則在Y方向即試樣A，A電極兩側(cè)就開始聚積導(dǎo)號(hào)電荷而產(chǎn)生相應(yīng)的附加電場(chǎng)。電場(chǎng)的指向取決定于試樣的電類型。顯然，該電場(chǎng)是明止載流子繼續(xù)向側(cè)面偏移當(dāng)載流子所受的橫向電場(chǎng)力eEH與洛侖茲力1相等時(shí)，樣品兩側(cè)電荷的積暴就達(dá)到平衡，故有

　　eEy=eVB(1)

　　其中EH為霍爾電場(chǎng)，V是載流子在電流方向上的平均漂移速度。設(shè)試樣的寬為b，厚度為d，載流子濃度為n，則:其中EH為霍爾電場(chǎng)，V是載流子在電流方向上的平均漂移速度。設(shè)試樣的寬為b，厚度為d，載流子濃度為n，則:

　　I,=nevbd (2)

　　由(1)、(2)兩式可得:

　　11B-RlsVa= Eb=-d(3)ne d

　　即霍爾電壓VH(A、A"電極之間的電壓)與ISB乘積正比與試樣厚度d成反比。比例系數(shù)2稱為爾系數(shù)，它是反映材料爾效應(yīng)強(qiáng)弱的重要參數(shù)，只要測(cè)出 VH(伏)以及知道IS以及知道IS(安)、B(高斯)和d(厘 米)可按下式計(jì)算RH(厘米3/庫侖)。x103Ry=

　　2.霍爾原理

　　由霍爾效應(yīng)的原理知，霍爾電勢(shì)的大小取決于: UH=RhxlCxB/dRh為霍爾常數(shù)，它與半導(dǎo)體材質(zhì)有關(guān)C為霍爾元件的偏置電流:B為磁場(chǎng)強(qiáng)度;d為半導(dǎo)體材料的厚度.對(duì)于一個(gè)給定的霍爾器件，當(dāng)偏置電流固定時(shí)，Vh將完全取決于被測(cè)的磁場(chǎng)強(qiáng)度B。一個(gè)爾元件一般有四個(gè)引出端子，其中兩根是霍爾元件的偏置電流[的輸入端，另兩根是霆爾電壓的輸出端，如果兩輸出端構(gòu)成外回路，就會(huì)產(chǎn)生霍爾電流。一般地說，偏置電流的沒定通常由外部的基準(zhǔn)電壓源給出;若精度要求高，則基準(zhǔn)電壓源均用恒流源取代。為了達(dá)到高的靈敏度，有的霍爾元件的傳感面上裝有高導(dǎo)磁系數(shù)的坡莫合金這類傳感器的霍爾電勢(shì)

　　較大，但在0.05T左右出現(xiàn)飽和，僅適用在低量限、小量程下使用。在半導(dǎo)體薄片兩端通以控制電流1，并在薄片的垂直方向施加磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的勻強(qiáng)磁場(chǎng)，則在垂直于電流和磁場(chǎng)的方向上，將產(chǎn)生電勢(shì)差為UH的霍爾電壓。

　　3.工作原理

　　磁場(chǎng)中有一個(gè)霾爾半導(dǎo)體片，恒定電流從A到B通過該片。在洛侖茲力的作用下，的電子流在通過霍爾半導(dǎo)體時(shí)向一側(cè)偏移，使該片在CD方向上產(chǎn)生電位差，這就是所謂的霍爾電壓。

　　霍爾電壓隨磁場(chǎng)強(qiáng)度的變化而變化，磁場(chǎng)越強(qiáng)，電壓越高，磁場(chǎng)越弱，電壓越低?；魻栯妷褐岛苄。ǔＶ挥袔讉€(gè)毫伏，但經(jīng)集成電路中的放大器放大，就能使該電壓放大到足以輸出較強(qiáng)的信號(hào)。若使霍爾集成電路起傳感作用，需要用機(jī)械的方法來改變磁場(chǎng)強(qiáng)度，用一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)的葉輪作為控制微通量的開關(guān)，當(dāng)葉輪葉片處于磁鐵和霍爾集成電路之間的氣障中時(shí)，磁場(chǎng)偏離集成片，囊爾電樂消失。這樣，秦爾集成電路的輸出電樂的變化，就能表示出葉輪吸動(dòng)軸的某一位置，利用這一工作原理，可將霍爾集成路片用作用點(diǎn)火正時(shí)傳感器。霍爾效應(yīng)傳感器屬于被動(dòng)型傳感器，它要有外加電源才能工作，這一特點(diǎn)使它檢測(cè)轉(zhuǎn)速低的運(yùn)轉(zhuǎn)情況。

　　霍爾傳感器結(jié)構(gòu)與工作原理

　　1、開關(guān)型霍爾傳感器由穩(wěn)壓器、霍爾元件、差分放大器，斯密特觸發(fā)器和輸出級(jí)組成，它輸出數(shù)字信號(hào)，主要用于測(cè)轉(zhuǎn)數(shù)、轉(zhuǎn)速、流速、接近開關(guān)、報(bào)警器等。

　　磁場(chǎng)不貫穿半導(dǎo)體

磁場(chǎng)貫穿半導(dǎo)體

　　當(dāng)磁場(chǎng)作用在半導(dǎo)體上時(shí)，電子會(huì)垂直于電流方向發(fā)生側(cè)向偏轉(zhuǎn)，一側(cè)分布電子多，一側(cè)分布電子少，由此產(chǎn)生霍爾電壓，指針偏轉(zhuǎn)。如果磁場(chǎng)被中斷，電子會(huì)重新均勻分布，這時(shí)電壓表指針不偏轉(zhuǎn)。閾值開關(guān)以數(shù)字方式顯示霍爾電壓的模擬信號(hào)，閾值開關(guān)在一定電壓下閉合，低于某一電壓數(shù)值時(shí)則斷開。

　　2、線性型霍爾傳感器由霍爾元件、線性放大器和射極跟隨器組成，它輸出模擬量，分開環(huán)式和閉環(huán)式兩種，主要用于交直流電流和電壓測(cè)量。

　　線型閉環(huán)式霍爾傳感器

　　當(dāng)主回路中有電流Ip通過時(shí)，在導(dǎo)線上產(chǎn)生的磁場(chǎng)被磁環(huán)聚集并貫穿到霍爾器件上，所產(chǎn)生的信號(hào)輸出用于驅(qū)動(dòng)功率管并使其導(dǎo)通，從而獲得一個(gè)補(bǔ)償電流Is。Is再通過多匝繞組產(chǎn)生磁場(chǎng)，該磁場(chǎng)與被測(cè)電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)正好相反，因而補(bǔ)償了原來的磁場(chǎng)，使霍爾器件的輸出逐漸減小。當(dāng)與Ip所產(chǎn)生的磁場(chǎng)相等時(shí)，Is不再增加，此時(shí)可以通過Is來測(cè)試Ip。