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霍尔元件及其应用 (一)

Hall Sensing Components & Devices and Its Application摘 要 : 霍尔元件是一种基于霍尔效应的磁传感器,已发展成一个品种多样的磁传感器产品族,并已得到广泛的应用。本文简要介绍其 工作原理, 产品特性及其典型应用。 1 引言 霍尔器件是一种磁传感器。用它们可以检测磁场及其变化,可在各种与磁场有关的场合中使用。霍尔器件以霍尔效应为其工作基础。 霍尔器件具有许多优点,它们的结构牢固,体积小,重量轻,寿命长,安装方便,功耗小,频率高(可达1MHZ),耐震动,不怕灰尘、油污、水汽及盐雾等的污染或腐蚀。 霍尔线性器件的精度高、线性度好;霍尔开关器件无触点、无磨损、输出波形清晰、无抖动、无回跳、位置重复精度高(可达μm级)。取用了各种补偿和保护措施的霍尔器件的工作温度范围宽,可达-55℃~150℃。 按照霍尔器件的功能可将它们分为: 霍尔线性器件霍尔开关器件 。前者输出模拟量,后者输出数字量。 按被检测的对象的性质可将它们的应用分为:直接应用和间接应用。前者是直接检测出受检测对象本身的磁场或磁特性,后者是检测受检对象上人为设置的磁场,用这个磁场来作被检测的信息的载体,通过它,将许多非电、非磁的物理量例如力、力矩、压力、应力、位置、位移、速度、加速度、角度、角速度、转数、转速以及工作状态发生变化的时间等,转变成电量来进行检测和控制。 2 霍尔效应和霍尔元件 2.1 霍尔效应 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)。
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*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*大功耗。2.2 霍尔器件 霍尔器件分为: 霍尔元件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).

(a)霍尔效应和霍尔元件

(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
mintypmaxmintypmax
UGN35018~12±100-20~+853.57.02.53.65.0
UGN35034.5~6±90-20~+857.513.530.02.252.52.75


 

型号IOUT/mARo/kΩIcc/mA乘积灵敏度V/A·0.1T输出形式引脚排列外形结构
typmax1234
UGN35014.00.11020射极输出VCC输出CI/P
UGN35030.059.014射极输出VCC输出CI/P
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

 

型号VCC/VBop/mTBRP/mTBH/mTIcc/mAIo/mAVo/satIoff/μA备注
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互补输出
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。