霍尔元件及其应用Word下载.docx

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如图1所示，在一块通电的半导体薄片上，加上和片子表面垂直的磁场B，在薄片的横向两侧会出现一个电压，如图1中的VH，这种现象就是霍尔效应，是由科学家爱德文·

霍尔在1879年发现的。

VH称为霍尔电压。

（a）霍尔效应和霍尔元件

这种现象的产生，是因为通电半导体片中的载流子在磁场产生的洛仑兹力的作用下，分别向片子横向两侧偏转和积聚，因而形成一个电场，称作霍尔电场。

霍尔电场产生的电场力和洛仑兹力相反，它阻碍载流子继续堆积，直到霍尔电场力和洛仑兹力相等。

这时，片子两侧建立起一个稳定的电压，这就是霍尔电压。

在片子上作四个电极，其中C1、C2间通以工作电流I，C1、C2称为电流电极，C3、C4间取出霍尔电压VH，C3、C4称为敏感电极。

将各个电极焊上引线，并将片子用塑料封装起来，就形成了一个完整的霍尔元件（又称霍尔片）。

（1）

或

（2）

或（3）

在上述

（1）、

（2）、（3）式中VH是霍尔电压，ρ是用来制作霍尔元件的材料的电阻率，μn是材料的电子迁移率，RH是霍尔系数，l、W、t分别是霍尔元件的长、宽和厚度，f（I/W）是几何修正因子，是由元件的几何形状和尺寸决定的，I是工作电流，V是两电流电极间的电压，P是元件耗散的功率。

由

（1）～（3）式可见，在霍尔元件中，ρ、RH、μn决定于元件所用的材料，I、W、t和f（I/W）决定于元件的设计和工艺，霍尔元件一旦制成，这些参数均为常数。

因此，式

（1）～（3）就代表了霍尔元件的三种工作方式所得的结果。

（1）式表示电流驱动，

（2）式表示电压驱动，（3）式可用来评估霍尔片能承受的最大功率。

为了精确地测量磁场,常用恒流源供电,令工作电流恒定,因而,被测磁场的磁感应强度B可用霍尔电压来量度。

在一些精密的测量仪表中，还采用恒温箱，将霍尔元件置于其中，令RH保持恒定。

若使用环境的温度变化，常采用恒压驱动，因和RH比较起来，μn随温度的变化比较平缓，因而VH受温度变化的影响较小。

为获得尽可能高的输出霍尔电压VH，可加大工作电流，同时元件的功耗也将增加。

（3）式表达了VH能达到的极限——元件能承受的最大功耗。

2.2霍尔器件

霍尔器件分为:

霍尔元件和霍尔集成电路两大类，前者是一个简单的霍尔片，使用时常常需要将获得的霍尔电压进行放大。

后者将霍尔片和它的信号处理电路集成在同一个芯片上。

2.2.1霍尔元件

霍尔元件可用多种半导体材料制作，如Ge、Si、InSb、GaAs、InAs、InAsP以及多层半导体异质结构量子阱材料等等。

InSb和GaAs霍尔元件输出特性见图1（a）、图1（b）.

（b）InSb霍尔元件的输出特性

（c）GaAs霍尔元件的输出特性

图1霍尔元件的结构和输出特性

这些霍尔元件大量用于直流无刷电机和测磁仪表。

2.2.2霍尔电路

2.2.2.1霍尔线性电路

它由霍尔元件、差分放大器和射极跟随器组成。

其输出电压和加在霍尔元件上的磁感强度B成比例，它的功能框图和输出特性示于图2和图3。

这类电路有很高的灵敏度和优良的线性度，适用于各种磁场检测。

霍尔线性电路的性能参数见表3。

图2霍尔线性电路的功能框图

图3霍尔线性电路UGN3501的磁电转换特性曲线

型号

Vcc/V

线性范围/mT

工作温度/℃

灵敏度S/mV/mT

静态输出电压Vo/V

min

typ

max

UGN3501

8～12

±

100

－20～＋85

3.5

7.0

－

2.5

3.6

5.0

UGN3503

4.5～6

90

7.5

13.5

30.0

2.25

2.75

IOUT/mA

Ro/kΩ

Icc/mA

乘积灵敏度V/A·

0.1T

输出形式

引脚排列

外形结构

1

2

3

4

4.0

0.1

10

20

射极输出

VCC

地

输出

CI/P

0.05

9.0

14

表3线性霍尔电路的特性参数

2.2.2.2霍尔开关电路

霍尔开关电路又称霍尔数字电路，由稳压器、霍尔片、差分放大器，斯密特触发器和输出级组成。

在外磁场的作用下，当磁感应强度超过导通阈值BOP时，霍尔电路输出管导通，输出低电平。

之后，B再增加，仍保持导通态。

若外加磁场的B值降低到BRP时，输出管截止，输出高电平。

我们称BOP为工作点，BRP为释放点，BOP－BRP=BH称为回差。

回差的存在使开关电路的抗干扰能力增强。

霍尔开关电路的功能框见图4。

图4（a）表示集电极开路（OC）输出，（b）表示双输出。

它们的输出特性见图5，图5（a）表示普通霍尔开关，（b）表示锁定型霍尔开关的输出特性。

（a）单OC输出（b）双OC输出

图4霍尔开关电路的功能框图

（a）开关型输出特性（b）锁定型输出特性

图5霍尔开关电路的输出特性

一般规定，当外加磁场的南极（S极）接近霍尔电路外壳上打有标志的一面时，作用到霍尔电路上的磁场方向为正，北极接近标志面时为负。

锁定型霍尔开关电路的特点是：

当外加场B正向增加，达到BOP时，电路导通，之后无论B增加或减小，甚至将B除去，电路都保持导通态，只有达到负向的BRP时，才改变为截止态，因而称为锁定型。

霍尔开关电路的性能参数见表4。

表4霍尔开关电路的特性参数

VCC/V

Bop/mT

BRP/mT

BH/mT

Io/mA

Vo/sat

Ioff/μA

备注

CS1018

4.8～18

－14～20

－20～14

≥6

≤12

5

≤0.4

≤10

CS1028

4.5～24

－28～30

－30～28

≥2

≤9

25

CS2018

4.0～20

10～20

－20～－10

≤30

300

≤0.6

互补输出

CS302

3.5～24

0～6

－6～0

UGN3119

16.5～50

12.5～45

≥5

A3144

7～35

5～33

UGN3140

7～20

5～18

A3121

13～35

8～30

UGN3175

1～25

－25～－10

≤8

50

锁定

2.2.2.3差动霍尔电路（双霍尔电路）

它的霍尔电压发生器由一对相距2.5mm的霍尔元件组成，其功能框图见图6。

图6差动霍尔电路的工作原理图

使用时在电路背面放置一块永久磁体，当用铁磁材料制成的齿轮从电路附近转过时，一对霍尔片上产生的霍尔电压相位相反，经差分放大后，使器件灵敏度大为提高。

用这种电路制成的汽车齿轮传感器具有极优的性能。

2.2.2.4其它霍尔电路

除上述各种霍尔元件外，目前还出现了许多特殊功能的霍尔电路，如功率霍尔电路，多重双线霍尔传感器电路，二维、三维霍尔集成电路等待。

3霍尔器件的应用

3.1应用的一般问题

3.1.1测量磁场

使用霍尔器件检测磁场的方法极为简单，将霍尔器件作成各种形式的探头，放在被测磁场中，因霍尔器件只对垂直于霍尔片的表面的磁感应强度敏感，因而必须令磁力线和器件表面垂直，通电后即可由输出电压得到被测磁场的磁感应强度。

若不垂直，则应求出其垂直分量来计算被测磁场的磁感应强度值。

而且，因霍尔元件的尺寸极小，可以进行多点检测，由计算机进行数据处理，可以得到场的分布状态，并可对狭缝，小孔中的磁场进行检测。

3.1.2工作磁体的设置

用磁场作为被传感物体的运动和位置信息载体时，一般采用永久磁钢来产生工作磁场。

例如，用一个5×

4×

2.5（mm3）的钕铁硼Ⅱ号磁钢，就可在它的磁极表面上得到约2300高斯的磁感应强度。

在空气隙中，磁感应强度会随距离增加而迅速下降。

为保证霍尔器件，尤其是霍尔开关器件的可靠工作，在应用中要考虑有效工作气隙的长度。

在计算总有效工作气隙时，应从霍尔片表面算起。

在封装好的霍尔电路中，霍尔片的深度在产品手册中会给出。

因为霍尔器件需要工作电源，在作运动或位置传感时，一般令磁体随被检测物体运动，将霍尔器件固定在工作系统的适当位置，用它去检测工作磁场，再从检测结果中提取被检信息。

工作磁体和霍尔器件间的运动方式有：

（a）对移；

（b）侧移；

（c）旋转；

（d）遮断。

如图7所示，图中的TEAG即为总有效工作气隙。

图7霍尔器件和工作磁体间的运动方式

在遮断方式中，工作磁体和霍尔器件以适当的间隙相对固定，用一软磁（例如软铁）翼片作为运动工作部件，当翼片进入间隙时，作用到霍尔器件上的磁力线被部分或全部遮断，以此来调节工作磁场。

被传感的运动信息加在翼片上。

这种方法的检测精度很高，在125℃的温度范围内，翼片的位置重复精度可达50μm。

图8在霍尔器件背面放置磁体

也可将工作磁体固定在霍尔器件背面（外壳上没打标志的一面），让被检的铁磁物体（例如钢齿轮）从它们近旁通过，检测出物体上的特殊标志（如齿、凸缘、缺口等），得出物体的运动参数。

3.1.3与外电路的接口

霍尔开关电路的输出级一般