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霍爾元件及其應用（一）

霍爾元件及其應用（一） 

[2005-4-19]

霍爾元件及其應用（一）

Hall Sensing Components & Devices and Its Application


摘 要 : 霍爾器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。霍爾器件以霍爾效應為其工作基礎。

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 和 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 霍爾效應和霍爾器件

2.1 霍爾效應

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。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。霍爾電場產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）。

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。

2.2 霍爾器件

霍爾器件分為: 霍爾元件 和 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??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。

2.2.2 霍爾電路

2.2.2.1 霍爾線性電路

霍爾線性電路由霍爾元件、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。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。

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。回差的存在使開關電路的抗干擾能力增強。

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。

2.2.2.3 差動霍爾電路(雙霍爾電路)

雙霍爾電路的霍爾電壓發生器由一對相距2.5mm的霍爾元件組成。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

除上述各種霍爾器件外，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。