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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(guān)的場合中使用。霍爾器件以霍爾效應(yīng)為其工作基礎(chǔ)。 霍爾器件具有許多優(yōu)點，它們的結(jié)構(gòu)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(guān)器件無觸點、無磨損、輸出波形清晰、無抖動、無回跳、位置重復(fù)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(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)用分為:直接應(yīng)用和間接應(yīng)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(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)生變化的時間等，轉(zhuǎn)變成電量來進行檢測和控制。 2 霍爾效應(yīng)和霍爾器件 2.1 霍爾效應(yīng) 如圖1所示，在一塊通電的半導(dǎo)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(cè)會出現(xiàn)一個電壓，如圖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)現(xiàn)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，是因為通電半導(dǎo)體片中的載流子在磁場產(chǎn)生的洛侖茲力的作用下，分別向片子橫向兩側(cè)偏轉(zhuǎn)和積聚，因而形成一個電場，稱作霍爾電場。霍爾電場產(chǎn)生的電場力和洛侖茲力相反，它阻礙載流子繼續(xù)堆積，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(shù)，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(shè)計和工藝，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(huán)境的溫度變化，常采用恒壓驅(qū)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——元件能承受的最大功耗。 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）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(yōu)良的線性度，適用于各種磁場檢測。霍爾線性電路的性能參數(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
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)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，當磁感應(yīng)強度超過導(dǎo)通閾值BOP時，霍爾電路輸出管導(dǎo)通，輸出低電平。之后，B再增加，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，BRP為釋放點，BOP－BRP=BH稱為回差。回差的存在使開關(guān)電路的抗干擾能力增強。霍爾開關(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)表示普通霍爾開關(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)鎖定型輸出特性 圖5 霍爾開關(guān)電路的輸出特性 一般規(guī)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(guān)電路的特點是：當外加場B正向增加，達到BOP時，電路導(dǎo)通，之后無論B增加或減小，甚至將B除去，電路都保持導(dǎo)通態(tài)，只有達到負向的BRP時，才改變?yōu)榻刂箲B(tài)，因而稱為鎖定型。霍爾開關(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)
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 使用時在電路背面放置一塊永久磁體，當用鐵磁材料制成的齒輪從電路附近轉(zhuǎn)過時，一對霍爾片上產(chǎn)生的霍爾電壓相位相反，經(jīng)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(yōu)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(xiàn)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。 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
