第14卷第2期 大学物理实验 Vol 14 No. 2 2001年6月出版 PHYSICAL EXPERIMENT OF COLEGE Jun.2001 文章编号:1007-2934(2001)02-0001-04 发展中的集成霍尔传感器及在高科技领域中的应用 徐晓创陆申龙 (复旦大学,上海,200433) 摘要:简述集成霍尔传感器的分类、特性及其在物理实验中的应用。并着重介绍其在 工业、交通、家电等领域的广泛应用。 关键词:集成霍尔传感器;集成线性霍尔传感器;集成开关型霍尔传感器;霍尔电机 中图分类号:0441.3 文献标识码:A 1前言 近二十年来,集成霍尔传感器(ICHl! Sensors)因其体积小、功耗低、响应快、抗干扰能 力强等诸多特点,在工业、通讯、交通及仪器制造等领域获得了广泛的应用。目前国内外 越来越多的公司,正在不断研究集成霍尔传感器相关产品的技术,并且生产了品类繁多的 新产品。其中著名的跨国公司 Gold Insignia Electronic Co.d.研制的 CMOS Hall Chips (CMOS霍尔集成片),以其出色的工艺技术在开发新产品方面处于领先地位(至1998年底 该公司已有100种集成霍尔传感器新产品问世)。而国内许多的中小企业也将目光瞄准 霍尔元件相关产品,生产如霍尔电机、霍尔车用计程器霍尔点火器霍尔电流传感器等应 用广泛的配件。 目前普遍使用的集成霍尔传感器产品,主要包括EC线性传感器、C开关型传感器、C 锁存器及各种专用的传感器。笔者将分别对这几类产品特性及其应用进行介绍。 原理 若导体处于与磁场垂直的位置,当有电流通过导体时,在横向会产生一个电压,此即 蛋尔效应。霍尔效应在半导体中最为显著,所以霍尔元件实际上就是一个半导体器件,此 器件能把磁信号转化为电信号以实现信号检测。 21集成线性霍尔传感器 集成线性霍尔传感器是由霍尔元件线性放大器剩余电压补偿器组成。若该传感器 电压引脚接有一定电压(如5V),在与磁场垂直时,将有一定的霍尔电势差输出。通过对 集成线性霍尔传感器的电势差测量,可以知道磁感应强度的大小和方向。 收稿日期:2001-01-26 万方数据
第14卷 第 2期 动1年6月出版 大 学 物 理 实 验 PHYSICAL EXPERIMENT OF COLLEGE Vol. 14 No. 2 Jun. 2001 文章编号:1007一2934(2001)02一《)001一04 发展中的集成霍尔传感器及在高科技领域中的应用 徐晓创 陆申龙 (复旦大学，上海,200433) 摘 要:简述集成霍尔传感器的分类、特性及其在物理实验中的应用。并着重介绍其在 工业、交通、家电等领域的广泛应用。 关健词:集成粗尔传感器;集成线性霍尔传感器;集成开关型霍尔传感器;霍尔电机 中圈分类号二0441.3 文献标识码:A 1前言 近二十年来，集成霍尔传感器(IC Hal Sensors)因其体积小、功耗低、响应快、抗干扰能 力强等诸多特点，在工业、通讯、交通及仪器制造等领域获得了广泛的应用。目前国内外 越来越多的公司，正在不断研究集成霍尔传感器相关产品的技术，并且生产了品类繁多的 新产品。其中著名的跨国公司Gold Insignia Electronic Co. lAd.研制的CMOS Hall Chips (CMOS霍尔集成片)，以其出色的工艺技术在开发新产品方面处于领先地位(至 1998年底 该公司已有 100种集成霍尔传感器新产品问世)。而国内许多的中小企业也将目光瞄准 霍尔元件相关产品，生产如霍尔电机、霍尔车用计程器、霍尔点火器、霍尔电流传感器等应 用广泛的配件。 目前普遍使用的集成霍尔传感器产品，主要包括IC线性传感器、IC开关型传感器、IC 锁存器及各种专用的传感器。笔者将分别对这几类产品特性及其应用进行介绍。 2 原理 若导体处于与磁场垂直的位置，当有电流通过导体时，在横向会产生一个电压，此即 霍尔效应。霍尔效应在半导体中最为显著，所以霍尔元件实际上就是一个半导体器件，此 器件能把磁信号转化为电信号以实现信号检测。 2.1 集成线性霍尔传感器 集成线性霍尔传感器是由霍尔元件、线性放大器、剩余电压补偿器组成。若该传感器 电压引脚接有一定电压(如5V)，在与磁场垂直时，将有一定的霍尔电势差输出。通过对 集成线性霍尔传感器的电势差测量，可以知道磁感应强度的大小和方向。 收稿日期:2001-01-26 万方数据
若一小磁钢在传感器前垂直于传感器向后运动,随着位移的增大,测得的霍尔电压迅 速降低;如果此小型磁钢平行于传感器侧向运动,随着位移的增大,可以测得当磁钢靠近 传感器时,霍尔电压增大,离开传感器时逐渐减小,中间将产生一个峰值。只要将小磁钢 粘贴在转盘、轮圈或转轴等各种运动物体上,并在适当的位置放置集成霍尔传感器,由此 产生的霍尔电压信号就可以作各种物理量的测量和控制。 22集成开关型霍尔传感器 集成霍尔开关由稳压器霍尔电势发生器、差分放大器施密特触发器和OC门输出 五个部分组成。 在输人端输人电压UCc,经稳压器后加在霍尔发生器的两端,由霍尔发生器输出一个 霍尔电势差Uh,输入到放大器放大后送至施密特触发器,经过整形使其成为方波,输送到 OC门输出。当施加的磁场达到“工作点”(BoP)时,触发器输出高电压(相对地电位),使 极管导通,OC门输出低电压称这种状态为开”;当施加磁场达到“释放点”(B)时,触 发器输出低电压,三极管载止,使OC门输出高电压,称其为“关”态。这样两次高低电压 变换,使霍尔开关完成了一次开关动作。BoP与B差值不变,称其为磁滞。 磁滞的存在,使得“霍尔开关”测量能够避免误动作,并使周期转速的测量具有很高 的准确度。 3集成霍尔传惑器在物理实验中的应用——时间或周期的测量 霍尔开关型集成电路在物理实验中常用于时间和周期的测量。 集成霍尔传感器与周期测量仪 OOO 6 1实验装置 万方数据
若一小磁钢在传感器前垂直于传感器向后运动，随着位移的增大，测得的霍尔电压迅 速降低;如果此小型磁钢平行于传感器侧向运动，随着位移的增大，可以测得当磁钢靠近 传感器时，霍尔电压增大，离开传感器时逐渐减小，中间将产生一个峰值。只要将小磁钢 粘贴在转盘、轮圈或转轴等各种运动物体上，并在适当的位置放置集成霍尔传感器，由此 产生的霍尔电压信号就可以作各种物理量的测量和控制。 2.2 集成开关型霍尔传感器 集成霍尔开关由稳压器、霍尔电势发生器、差分放大器、施密特触发器和 OC门输出 五个部分组成。 在输人端输人电压 Ucc，经稳压器后加在霍尔发生器的两端，由霍尔发生器输出一个 霍尔电势差 UkI输入到放大器放大后送至施密特触发器，经过整形使其成为方波，输送到 OC门输出。当施加的磁场达到“工作点”( Bop)时，触发器输出高电压(相对地电位)，使 三极管导通，OC门输出低电压，称这种状态为“开”;当施加磁场达到“释放点”(B衬时，触 发器输出低电压，三极管载止，使 OC门输出高电压，称其为“关”态。这样两次高低电压 变换，使霍尔开关完成了一次开关动作。刀口尸与B,p差值不变，称其为磁滞。 磁滞的存在，使得“霍尔开关”侧量能够避免误动作，并使周期、转速的测量具有很高 的准确度。 3 集成粗尔传感器在物理实验中的应用— 时间或周期的侧t 霍尔开关型集成电路在物理实验中常用于时间和周期的测量。 圈 I 实毅装皿 万方数据
笔者用复旦大学设计的新型焦利秤实验装置进行周期测量,其准确度比手工秒表测 量周期高得多。实验装置如图1所示,包括三部分: (1)新型焦利秤,包括可调铅直的立柱、弹簧;(2)集成开关型霍尔传感器特性测量装 置,包括小磁钢集成开关型霍尔传感器、集成线性霍尔传感器、小氖泡等;(3)周期测量 仪、四位半数字电压表、稳压电源三用组合仪。 其中1为弹簧,2为砝码,3为小磁钢,4为集成霍尔传感器,5为小氖泡,6为固定托 盘 31实验结果 将集成霍尔传感器的三个引脚分别与电源和周期测量仪相连,将10g砝码挂在弹簧 下端,并将小磁钢粘在10g砝码下端,S极向下。把霍尔开关感应面对准S级,使其与磁 钢的间距在dm和dn(工作点与释放点)之间。轻轻拉动弹簧使其振动,记录振动50次的 时间,并重复5次测量,得到弹簧周期的平均值。 由测得的周期平均值可得弹簧的倔强系数K=1.540N/m 通过拉伸法测得的倔强系数K=1.550N/m 同时通过目测弹簧振动,电子秒表计时测得的倔强系数Km=1.60N/m。 相比较可以发现,相对于手控秒表计时测量周期,明显的用霍尔开关型传感器能得到 更为精确的时间。 4集成霍尔传惑器在工业、交通、生活等领域中的应用 4.1集成线性霍尔传感器的应用 4.1.1位移测量及力学量测量( Measurement of translocation and Mechanical Variables) 将两块永久磁铁相同极性相对放置,并将线性霍尔元件或集成电路置于中间,其磁感 应强度为零,将其作为位移的零点。当霍尔元件改变与两块磁铁的相对位置时,霍尔电压 U产生。只要测量U,即可得到位移的数值。将浮力、压力等参数变化转为为位移的变 化,便可以方便地进行力学量的测量。当力学量与电压输出存在非线性时,可以采用电路 或软件进行补偿。 4.1.2角度检测( Measurement of Angles) 将霍尔元件置于永久磁铁磁场中,记霍尔元件与磁场的夹角为6,其霍尔电压的输出 与sin0成正比,Uh=K··B·sin0(式中K是霍尔元件灵敏度,表示霍尔元件上的电流 强度,B表示磁感应强度)。这项检测在机床上应用相当广泛,将它安装在自动调节杠杆 上,可通过测量电压输出变化,对角度进行换算,并可做出相应的调节。 此外,线性霍尔传感器还可以制成电流传感器( Current Sensing),在不改变电路的情况 下测量电流;制成电功率计,利用霍尔电压电流乘积成正比的原理,方便监测电功率,在现 代工业设备中大量应用。 4.2集成开关型霍尔传感器的应用 42.1汽车汽缸点火( nite Timing)及汽车的计程 由霍尔元件控制的定时点火是通过下面的方式实现的: 在电子点火器分电盘上装几个磁钢(数目与汽缸数对应),并在分电盘上方装集成霍 尔传感器,每当磁钢转到传感器时,集成霍尔传感器就输出一个脉冲,该信号经放大后送 万方数据
笔者用复旦大学设计的新型焦利秤实验装置进行周期测量，其准确度比手工秒表测 量周期高得多。实验装置如图I所示，包括三部分: (1)新型焦利秤，包括可调铅直的立柱、弹簧;(2)集成开关型霍尔传感器特性测量装 置，包括小磁钢、集成开关型霍尔传感器、集成线性霍尔传感器、小氖泡等;(3)周期测量 仪、四位车数字电压表、稳压电源三用组合仪。 其中1为弹簧,2为祛码，3为小磁钢，4为集成霍尔传感器，5为小氖泡,6为固定托 盘。 3.1 实验结果 将集成霍尔传感器的三个引脚分别与电源和周期测量仪相连，将log珐码挂在弹簧 下端，并将小磁钢粘在log硅码下端，S极向下。把霍尔开关感应面对准S级，使其与磁 钢的间距在心和dp(工作点与释放点)之间。轻轻拉动弹簧使其振动，记录振动50次的 时间，并重复5次测量，得到弹簧周期的平均值。 由测得的周期平均值可得弹簧的倔强系数 K二1. 540N/m 通过拉伸法测得的倔强系数 K'二1. 550N/m 同时通过目测弹簧振动，电子秒表计时测得的倔强系数 K"二1.60N/mo 相比较可以发现，相对于手控秒表计时测量周期，明显的用霍尔开关型传感器能得到 更为精确的时间。 4 集成霍尔传感器在工业、交通、生活等领域中的应用 4.1 集成线性霍尔传感器的应用 4.1.1 位移测量及力学量测量(Measurement of Translocation and Mechanical Variables) 将两块永久磁铁相同极性相对放置，并将线性霍尔元件或集成电路置于中间，其磁感 应强度为零，将其作为位移的零点。当霍尔元件改变与两块磁铁的相对位置时，霍尔电压 U,,产生。只要测量 U,,，即可得到位移的数值。将浮力、压力等参数变化转为为位移的变 化，便可以方便地进行力学量的测量。当力学量与电压输出存在非线性时，可以采用电路 或软件进行补偿。 4.1.2 角度检测(Measurement of Angles) 将霍尔元件置于永久磁铁磁场中，记霍尔元件与磁场的夹角为 0，其霍尔电压的输出 与，in 6成正比，叭二凡"I"B" sin创式中凡是霍尔元件灵敏度，I表示霍尔元件上的电流 强度，B表示磁感应强度)。这项检测在机床上应用相当广泛，将它安装在自动调节杠杆 上，可通过测量电压输出变化，对角度进行换算，并可做出相应的调节。 此外，线性霍尔传感器还可以制成电流传感器(Current Sensing)，在不改变电路的情况 下测量电流;制成电功率计，利用霍尔电压电流乘积成正比的原理，方便监测电功率，在现 代工业设备中大量应用。 4.2 集成开关型霍尔传感器的应用 4.2.1 汽车汽缸点火(Ignite Timing)及汽车的计程 由霍尔元件控制的定时点火是通过下面的方式实现的: 在电子点火器分电盘上装几个磁钢(数目与汽缸数对应)，并在分电盘上方装集成霍 尔传感器，每当磁钢转到传感器时，集成霍尔传感器就输出一个脉冲，该信号经放大后送 万方数据
入点火线圈,由点火线圈电流的通断,以实现定时点火。 422自动按钮的设计( olated Power Switch/ Pushbut ton) 在工业生产操作中,常可以看到自动按钮。只需轻轻按下按钮,就可以实现操作,同 时按钮自动回复初始位置。这种自动按钮也是由霍尔开关型传感器制成的。在按钮下放 置两块伺极相对的磁钢,块固定,另一块与按钮相连,在两块磁钢中央放置一个霍尔开 关型传感器,当按钮按下,改变传感器上的磁感应强度,传感器便发出一个脉冲,启动所对 应的操作,同时两块磁钢由于同极相斥,会自动弹起回到“OF"状态。 4.2.3旋转探测量( Rotation detection) 集成霍尔开关型传感器更多的应用在于通过测量旋转的圈数、转速和流量来进行计 数及相关的操作。 集成霍尔开关型传感器广泛用于各种机车计程,制成的流量表用于各种齿轮流量泵 特别是,集成开关型霍尔传感器被用于流量检测,通过对流量计内液轮转动圈数的测量, 可计算液体的流量,并预测净水器过滤膜是否需要更换。此项研究成果已在复旦一一申 花净水器中得到了应用。 其它应用还包括液位控制器,其在化工贮藏及机动交通车辆油箱的液位测量中有着 不可替代的作用;以及齿传感器,在自动化生产线和自动化交通工具中就齿轮转动速度测 量和控制有广泛应用。 5结束语 集成霍尔传感器由于由自身的特性,已广泛地应用在计数、测量、自动控制等各个领 域,已成为现代生产、生活中不可缺少的自动控制传感器。相信在不久的将来,集成霍尔 传感器能开发出更多的产品,有更广阔的天地。 参考文献 〔1〕张逸.章企.陆申龙.集成开关型霍尔传感器的特性测量和应用.大学物理实验,2000 〔2〕方敏佩.新编传感器原理.应用,电路详解.北京电子工业出版社,1994 〔3)上海科学技术情报研究所.“基于集成霍尔传感器的新型物理实验仪”科技成果查新检索报告 THE DEVELOPING INTEGRATED HALL SENSORS AND ITS APPLICATION IN THE HIGH TECHNOLGY Xu Xiaochuang Lu shenlong Fudan University, Shanhai, 200433) Abstract This paper introduces the classification, characteristics and application in the physical experiments of ntegrated Hall sensors, and emphasizes the applications in the industry, transportation and household electric appliance Key words integrated Hall sensor; integrated linear Hall sensor; integrated switch Hall sensors; Hall electronic machinery 万方数据
人点火线圈，由点火线圈电流的通断，以实现定时点火。 4.2.2 自动按钮的设计(Isolated Power Switch/Pushbut ton) 在工业生产操作中，常可以看到自动按钮。只需轻轻按下按钮，就可以实现操作，同 时按钮自动回复初始位置。这种自动按钮也是由霍尔开关型传感器制成的。在按钮下放 置两块伺极相对的磁钢，一块固定，另一块与按钮相连，在两块磁钢中央放置一个霍尔开 关型传感器，当按钮按下，改变传感器上的磁感应强度，传感器便发出一个脉冲，启动所对 应的操作，同时两块磁钢由于同极相斥，会自动弹起回到“OFF”状态。 4.2.3 旋转探测量(Rotation Detection) 集成霍尔开关型传感器更多的应用在于通过测量旋转的圈数、转速和流量来进行计 数及相关的操作。 集成霍尔开关型传感器广泛用于各种机车计程，制成的流量表用于各种齿轮流量泵: 特别是，集成开关型霍尔传感器被用于流量检测，通过对流量计内液轮转动圈数的测量， 可计算液体的流量，并预测净水器过滤膜是否需要更换。此项研究成果已在复旦一一申 花净水器中得到了应用。 其它应用还包括液位控制器，其在化工贮藏及机动交通车辆油箱的液位测量中有着 不可替代的作用;以及齿传感器，在自动化生产线和自动化交通工具中就齿轮转动速度测 量和控制有广泛应用。 5 结束语 集成霍尔传感器由于由自身的特性，已广泛地应用在计数、测量、自动控制等各个领 域，已成为现代生产、生活中不可缺少的自动控制传感器。相信在不久的将来，集成霍尔 传感器能开发出更多的产品，有更广阔的天地。 参 考 文 献 张逸 . 方敏佩 章企 .陆申龙 .集成开关型霍尔传感器的特性测量和应用 .大学物理实验,2000 .新编传感器原理 .应用 电路详解 .北京电子工业出版社， 上海科学技术情报研究所 .“基于集成名尔传感器的新型物理实验仪 1994 ”科技成果查新检索报告 、 二 J l l J 、‘ .J 1 上 2 3 ‘r .J r . ‘ r 月 ‘ THE DEVELOPIN G IN TEGRATED HALL SENSORS AND ITS APPLICATION IN THE HI GH TECHNOLGY Xu Xisochuang (Fudan University 加 shenlong ,Shanhai,200433) Abstraet This paper introduces the classification, characteristics and application in the physical experiments of integrated Hal sensors,and emphasizes the applications in the industry, transportation and household electric appliance industry . Key words integrated Hal~ ;integrated linear Hall sensor; integrated switch Hal sensors; Hal electronic machinery. 万方数据