霍爾傳感元器件及其應(yīng)用（連載一）

1、霍爾傳感元器件及其應(yīng)用（連載一）霍爾器件是一種磁。用它們可以檢測磁場及其變幻，可在各種與磁場有關(guān)的場合中用法?；魻柶骷詾槠涔ぷ骰A(chǔ)?；魻柶骷哂性S多優(yōu)點(diǎn)，它們的結(jié)構(gòu)牢固，體積小，分量輕，壽命長，安裝便利，功耗小，頻率高（可達(dá)1mhz），耐震驚，不怕灰塵、油污、水汽及鹽霧等的污染或腐蝕?；魻柧€性器件的精度高、線性度好；霍爾開關(guān)器件無觸點(diǎn)、無磨損、輸出波形清楚、無顫動、無回跳、位置重復(fù)精度高（可達(dá)m級）。取用了各種補(bǔ)償和庇護(hù)措施的霍爾器件的工作溫度范圍寬，可達(dá)55150。根據(jù)霍爾器件的功能可將它們分為:霍爾線性器件和霍爾開關(guān)器件。前者輸出模擬量，后者輸出數(shù)字量。按被檢測的對象的性質(zhì)可將它們的應(yīng)用

2、分為:挺直應(yīng)用和間接應(yīng)用。前者是挺直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(shè)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(yīng)力、位置、位移、速度、加速度、角度、角速度、轉(zhuǎn)數(shù)、轉(zhuǎn)速以及工作狀態(tài)發(fā)生變幻的時光等，改變成電量來舉行檢測和控制。2 霍爾效應(yīng)和霍爾器件2.1 霍爾效應(yīng)1所示，在一塊通電的薄片上，加上和片子表面垂直的磁場b，在薄片的橫向兩側(cè)會浮現(xiàn)一個，1中的vh，這種現(xiàn)象就是霍爾效應(yīng)，是由科學(xué)家愛德文·霍爾在1879年發(fā)覺的。vh稱為霍爾電壓。（a）霍爾效應(yīng)和霍爾元件這種現(xiàn)象的產(chǎn)生，是由于通電半導(dǎo)體片中的載流

3、子在磁場產(chǎn)生的洛侖茲力的作用下，分離向片子橫向兩側(cè)偏轉(zhuǎn)和積聚，因而形成一個電場，稱作霍爾電場?；魻栯妶霎a(chǎn)生的電場力和洛侖茲力相反，它妨礙載流子繼續(xù)積累，直到霍爾電場力和洛侖茲力相等。這時，片子兩側(cè)建立起一個穩(wěn)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）。在上述式中vh是霍爾電壓，是用來制作霍爾元件的材料的率，n是材料的遷移率，rh是霍爾系數(shù)，l、w、t分離是霍爾元件的長、寬和厚度，f(i/w)是幾何修正因

4、子，是由元件的幾何外形和尺寸打算的，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，、rh、n打算于元件所用的材料，i、w、t和f(i/w)打算于元件的設(shè)計(jì)和工藝，霍爾元件一旦制成，這些參數(shù)均為常數(shù)。因此，式(1)(3)就代表了霍爾元件的三種工作方式所得的結(jié)果。(1)式表示電流驅(qū)動，(2)式表示電壓驅(qū)動，(3)式可用來評估霍爾片能承受的最大功率。為了精確地測量磁場,常用恒流源供電,令工作電流恒定,因而,被測磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度b可用霍爾電壓來量度。在一些精密的測量儀表中，還采納恒溫箱，將霍爾元件置于其中，令rh保持恒定。若用法環(huán)境的溫度變幻，常采納恒壓

5、驅(qū)動，因和rh比較起來，n隨溫度的變幻比較平緩，因而vh受溫度變幻的影響較小。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強(qiáng)。(3)式表達(dá)了vh能達(dá)到的極限元件能承受的最大功耗。2.2 霍爾器件霍爾器件分為:霍爾元件和霍爾兩大類，前者是一個容易的霍爾片，用法不時常需要將獲得的霍爾電壓舉行放大。后者將霍爾片和它的信號處理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(dǎo)體材料制作，如ge、si、insb、gaas、inas、inasp以及多層半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)構(gòu)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(yīng)和霍爾元件（b）

6、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(jié)構(gòu)和輸出特性這些霍爾元件大量用于直流無刷電機(jī)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、差分和射極尾隨器組成。其輸出電壓和加在霍爾元件上的磁感強(qiáng)度b成比例，它的功能框圖和輸出特性示于圖2和圖3。這類電路有很高的敏捷度和優(yōu)良的線性度，適用于各種磁場檢測?；魻柧€性電路的性能參數(shù)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(zhuǎn)換特性曲線型號 vcc/v 線性范圍/mt 工作溫度/ 敏捷度s/mv/mt 靜態(tài)輸出電壓vo/v min typ max min typ ma

7、x ugn3501 812 ±100 2085 3.5 7.0 2.5 3.6 5.0 ugn3503 4.56 ±90 2085 7.5 13.5 30.0 2.25 2.5 2.75型號 iout/ma ro/k icc/ma 乘積敏捷度v/a·0.1t 輸出形式 引腳羅列 形狀結(jié)構(gòu) typ max 1 2 3 4 ugn3501 4.0 0.1 10 20 射極輸出 vcc 地 輸出 ci/p ugn3503 0.05 9.0 14 射極輸出 vcc 地 輸出 ci/p表3 線性霍爾電路的特性參數(shù)2.2.2.2 霍爾開關(guān)電路霍爾開關(guān)電路又稱霍爾數(shù)字電路，由穩(wěn)

8、壓器、霍爾片、差分放大器，斯密特觸發(fā)器和輸出級組成。在外磁場的作用下，當(dāng)磁感應(yīng)強(qiáng)度超過導(dǎo)通閾值bop時，霍爾電路輸出管導(dǎo)通，輸出低電平。之后，b再增強(qiáng)，仍保持導(dǎo)通態(tài)。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(diǎn)，brp為釋放點(diǎn)，bopbrp=bh稱為回差?；夭畹拇嬖谑归_關(guān)電路的抗干擾能力增加?；魻栭_關(guān)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)表示一般霍爾開關(guān)，(b)表示鎖定型霍爾開關(guān)的輸出特性。(a) 單oc輸出 (b)雙oc輸出圖4 霍爾開關(guān)電路的功能框圖(a)開關(guān)型輸出特性 (b)鎖定型輸出特

9、性圖5 霍爾開關(guān)電路的輸出特性普通規(guī)定，當(dāng)外加磁場的南極(s極)臨近霍爾電路外殼上打有標(biāo)記的一面時，作用到霍爾電路上的磁場方向?yàn)檎?，北極臨近標(biāo)記面時為負(fù)。鎖定型霍爾開關(guān)電路的特點(diǎn)是：當(dāng)外加場b正向增強(qiáng)，達(dá)到bop時，電路導(dǎo)通，之后無論b增強(qiáng)或減小，甚至將b除去，電路都保持導(dǎo)通態(tài)，惟獨(dú)達(dá)到負(fù)向的brp時，才轉(zhuǎn)變?yōu)榻刂箲B(tài)，因而稱為鎖定型?；魻栭_關(guān)電路的性能參數(shù)見表4。表4 霍爾開關(guān)電路的特性參數(shù)型號 vcc/v bop/mt brp/mt bh/mt icc/ma io/ma vo/sat ioff/a 備注 cs1018 4.818 1420 2014 6 12 5 0.4 10 cs1028

10、4.524 2830 3028 2 9 25 0.4 10 cs2018 4.020 1020 2010 6 30 300 0.6 10 互補(bǔ)輸出 cs302 3.524 06 60 6 9 5 0.4 10 ugn3119 4.524 16.550 12.545 5 9 25 0.4 10 a3144 4.524 735 533 2 9 25 0.4 10 ugn3140 4.524 720 518 2 9 25 0.4 10 a3121 4.524 1335 830 5 9 20 0.4 10 ugn3175 4.524 125 2510 2 8 50 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(fā)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用法時在電路背面放置一塊永遠(yuǎn)磁體，