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    霍爾元件及其應用 (一)

    Hall Sensing Components & Devices and Its Application摘 要 : 霍爾元件是一種基于霍爾效應的磁傳感器,已發展成一個品種多樣的磁傳感器產品族,并已得到廣泛的應用。本文簡要介紹其 工作原理, 產品特性及其典型應用。 1 引言 霍爾器件是一種磁傳感器。用它們可以檢測磁場及其變化,可在各種與磁場有關的場合中使用?;魻柶骷曰魻栃獮槠涔ぷ骰A。 霍爾器件具有許多優點,它們的結構牢固,體積小,重量輕,壽命長,安裝方便,功耗小,頻率高(可達1MHZ),耐震動,不怕灰塵、油污、水汽及鹽霧等的污染或腐蝕。 霍爾線性器件的精度高、線性度好;霍爾開關器件無觸點、無磨損、輸出波形清晰、無抖動、無回跳、位置重復精度高(可達μm級)。取用了各種補償和保護措施的霍爾器件的工作溫度范圍寬,可達-55℃~150℃。 按照霍爾器件的功能可將它們分為: 霍爾線性器件霍爾開關器件 。前者輸出模擬量,后者輸出數字量。 按被檢測的對象的性質可將它們的應用分為:直接應用和間接應用。前者是直接檢測出受檢測對象本身的磁場或磁特性,后者是檢測受檢對象上人為設置的磁場,用這個磁場來作被檢測的信息的載體,通過它,將許多非電、非磁的物理量例如力、力矩、壓力、應力、位置、位移、速度、加速度、角度、角速度、轉數、轉速以及工作狀態發生變化的時間等,轉變成電量來進行檢測和控制。 2 霍爾效應和霍爾元件 2.1 霍爾效應 如圖1所示,在一塊通電的半導體薄片上,加上和片子表面垂直的磁場B,在薄片的橫向兩側會出現一個電壓,如圖1中的VH,這種現象就是霍爾效應,是由科學家愛德文·霍爾在1879年發現的。VH稱為霍爾電壓。

    (a)霍爾效應和霍爾元件這種現象的產生,是因為通電半導體片中的載流子在磁場產生的洛侖茲力的作用下,分別向片子橫向兩側偏轉和積聚,因而形成一個電場,稱作霍爾電場?;魻栯妶霎a生的電場力和洛侖茲力相反,它阻礙載流子繼續堆積,直到霍爾電場力和洛侖茲力相等。這時,片子兩側建立起一個穩定的電壓,這就是霍爾電壓。在片子上作四個電極,其中C1、C2間通以工作電流I,C1、C2稱為電流電極,C3、C4間取出霍爾電壓VH,C3、C4稱為敏感電極。將各個電極焊上引線,并將片子用塑料封裝起來,就形成了一個完整的霍爾元件(又稱霍爾片)。
    在上述(1)、(2)、(3)式中VH是霍爾電壓,ρ是用來制作霍爾元件的材料的電阻率,μn是材料的電子遷移率,RH是霍爾系數,l、W、t分別是霍爾元件的長、寬和厚度,f(I/W)是幾何修正因子,是由元件的幾何形狀和尺寸決定的,I是工作電流,V是兩電流電極間的電壓,P是元件耗散的功率。由(1)~(3)式可見,在霍爾元件中,ρ、RH、μn決定于元件所用的材料,I、W、t和f(I/W)決定于元件的設計和工藝,霍爾元件一旦制成,這些參數均為常數。因此,式(1)~(3)就代表了霍爾元件的三種工作方式所得的結果。(1)式表示電流驅動,(2)式表示電壓驅動,(3)式可用來評估霍爾片能承受的*大功率。為了**地測量磁場,常用恒流源供電,令工作電流恒定,因而,被測磁場的磁感應強度B可用霍爾電壓來量度。在一些精密的測量儀表中,還采用恒溫箱,將霍爾元件置于其中,令RH保持恒定。若使用環境的溫度變化,常采用恒壓驅動,因和RH比較起來,μn隨溫度的變化比較平緩,因而VH受溫度變化的影響較小。為獲得盡可能高的輸出霍爾電壓VH,可加大工作電流,同時元件的功耗也將增加。(3)式表達了VH能達到的極限——元件能承受的*大功耗。2.2 霍爾器件 霍爾器件分為: 霍爾元件霍爾集成電路兩大類,前者是一個簡單的霍爾片,使用時常常需要將獲得的霍爾電壓進行放大。后者將霍爾片和它的信號處理電路集成在同一個芯片上。2.2.1 霍爾元件霍爾元件可用多種半導體材料制作,如Ge、Si、InSb、GaAs、InAs、InAsP以及多層半導體異質結構量子阱材料等等。InSb和GaAs霍爾元件輸出特性見圖1(a)、圖1(b).

    (a)霍爾效應和霍爾元件

    (b)InSb霍爾元件的輸出特性

    (c)GaAs霍爾元件的輸出特性

    圖1 霍爾元件的結構和輸出特性這些霍爾元件大量用于直流無刷電機和測磁儀表。 2.2.2霍爾電路 2.2.2.1 霍爾線性電路它由霍爾元件、差分放大器和射極跟隨器組成。其輸出電壓和加在霍爾元件上的磁感強度B成比例,它的功能框圖和輸出特性示于圖2和圖3。這類電路有很高的靈敏度和優良的線性度,適用于各種磁場檢測?;魻柧€性電路的性能參數見表3。

    圖2 霍爾線性電路的功能框圖

    圖3 霍爾線性電路UGN3501的磁電轉換特性曲線

     

    型號Vcc/V線性范圍/mT工作溫度/℃靈敏度S/mV/mT靜態輸出電壓Vo/V
    mintypmaxmintypmax
    UGN35018~12±100-20~+853.57.02.53.65.0
    UGN35034.5~6±90-20~+857.513.530.02.252.52.75


     

    型號IOUT/mARo/kΩIcc/mA乘積靈敏度V/A·0.1T輸出形式引腳排列外形結構
    typmax1234
    UGN35014.00.11020射極輸出VCC輸出CI/P
    UGN35030.059.014射極輸出VCC輸出CI/P
    表3 線性霍爾電路的特性參數

    2.2.2.2 霍爾開關電路
    霍爾開關電路又稱霍爾數字電路,由穩壓器、霍爾片、差分放大器,斯密特觸發器和輸出級組成。在外磁場的作用下,當磁感應強度超過導通閾值BOP時,霍爾電路輸出管導通,輸出低電平。之后,B再增加,仍保持導通態。若外加磁場的B值降低到BRP時,輸出管截止,輸出高電平。我們稱BOP為工作點,BRP為釋放點,BOP-BRP=BH稱為回差?;夭畹拇嬖谑归_關電路的抗干擾能力增強?;魻栭_關電路的功能框見圖4。圖4(a)表示集電極開路(OC)輸出,(b)表示雙輸出。它們的輸出特性見圖5,圖5(a)表示普通霍爾開關,(b)表示鎖定型霍爾開關的輸出特性。

    (a) 單OC輸出 (b)雙OC輸出

    圖4 霍爾開關電路的功能框圖

    (a)開關型輸出特性 (b)鎖定型輸出特性圖5 霍爾開關電路的輸出特性一般規定,當外加磁場的南極(S極)接近霍爾電路外殼上打有標志的一面時,作用到霍爾電路上的磁場方向為正,北極接近標志面時為負。鎖定型霍爾開關電路的特點是:當外加場B正向增加,達到BOP時,電路導通,之后無論B增加或減小,甚至將B除去,電路都保持導通態,只有達到負向的BRP時,才改變為截止態,因而稱為鎖定型?;魻栭_關電路的性能參數見表4。

    表4 霍爾開關電路的特性參數

     

    型號VCC/VBop/mTBRP/mTBH/mTIcc/mAIo/mAVo/satIoff/μA備注
    CS10184.8~18-14~20-20~14≥6≤125≤0.4≤10 
    CS10284.5~24-28~30-30~28≥2≤925≤0.4≤10 
    CS20184.0~2010~20-20~-10≥6≤30300≤0.6≤10互補輸出
    CS3023.5~240~6-6~0≥6≤95≤0.4≤10 
    UGN31194.5~2416.5~5012.5~45≥5≤925≤0.4≤10 
    A31444.5~247~355~33≥2≤925≤0.4≤10 
    UGN31404.5~247~205~18≥2≤925≤0.4≤10 
    A31214.5~2413~358~30≥5≤920≤0.4≤10 
    UGN31754.5~241~25-25~-10≥2≤850≤0.4≤10鎖定


    2.2.2.3 差動霍爾電路(雙霍爾電路)

    它的霍爾電壓發生器由一對相距2.5mm的霍爾元件組成,其功能框圖見圖6。

    圖6差動霍爾電路的工作原理圖使用時在電路背面放置一塊長久磁體,當用鐵磁材料制成的齒輪從電路附近轉過時,一對霍爾片上產生的霍爾電壓相位相反,經差分放大后,使器件靈敏度大為提高。用這種電路制成的汽車齒輪傳感器 具有極優的性能。
    2.2.2.4 其它霍爾電路除上述各種霍爾元件外,目前還出現了許多特殊功能的霍爾電路,如功率霍爾電路,多重雙線霍爾傳感器電路,二維、三維霍爾集成電路等待。

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