霍爾傳感元器件及其應(yīng)用
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霍爾器件是一種磁傳感器。用它們可以檢測(cè)磁場(chǎng)及其變化，可在各種與磁場(chǎng)有關(guān)的場(chǎng)合中使用?；魻柶骷曰魻栃?yīng)為其工作基礎(chǔ)。
霍爾器件具有許多優(yōu)點(diǎn)，它們的結(jié)構(gòu)牢固，體積小，重量輕，壽命長(zhǎng)，安裝方便，功耗小，頻率高（可達(dá)1MHZ），耐震動(dòng)，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(kāi)關(guān)器件無(wú)觸點(diǎn)、無(wú)磨損、輸出波形清晰、無(wú)抖動(dòng)、無(wú)回跳、位置重復(fù)精度高（可達(dá)μm級(jí)）。取用了各種補(bǔ)償和保護(hù)措施的霍爾器件的工作溫度范圍寬，可達(dá)－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(kāi)關(guān)器件。前者輸出模擬量，后者輸出數(shù)字量。
按被檢測(cè)的對(duì)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(cè)出受檢測(cè)對(duì)象本身的磁場(chǎng)或磁特性，后者是檢測(cè)受檢對(duì)象上人為設(shè)置的磁場(chǎng)，用這個(gè)磁場(chǎng)來(lái)作被檢測(cè)的信息的載體，通過(guò)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(shí)間等，轉(zhuǎn)變成電量來(lái)進(jìn)行檢測(cè)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(chǎng)B，在薄片的橫向兩側(cè)會(huì)出現(xiàn)一個(gè)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(ài)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
在片子上作四個(gè)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(gè)電極焊上引線，并將片子用塑料封裝起來(lái)，就形成了一個(gè)完整的霍爾元件（又稱霍爾片）。
或
為了精確地測(cè)量磁場(chǎng),常用恒流源供電,令工作電流恒定,因而,被測(cè)磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度B可用霍爾電壓來(lái)量度。
在一些精密的測(cè)量?jī)x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(dòng)，因和RH比較起來(lái)，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(shí)元件的功耗也將增加。(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:霍爾元件和霍爾集成電路兩大類，前者是一個(gè)簡(jiǎn)單的霍爾片，使用時(shí)常常需要將獲得的霍爾電壓進(jìn)行放大。后者將霍爾片和它的信號(hào)處理電路集成在同一個(gè)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(jiàn)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
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(qiáng)度B成比例，它的功能框圖和輸出特性示于圖2和圖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
2.2.2.2 霍爾開(kāi)關(guān)電路
霍爾開(kāi)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(jí)組成。在外磁場(chǎng)的作用下，當(dāng)磁感應(yīng)強(qiáng)度超過(guò)導(dǎo)通閾值BOP時(shí)，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(chǎng)的B值降低到BRP時(shí)，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)，BOP－BRP=BH稱為回差?；夭畹拇嬖谑归_(kāi)關(guān)電路的抗干擾能力增強(qiáng)?；魻栭_(kāi)關(guān)電路的功能框見(jiàn)圖4。圖4(a)表示集電極開(kāi)路(OC)輸出，(b)表示雙輸出。它們的輸出特性見(jiàn)圖5，圖5(a)表示普通霍爾開(kāi)關(guān)，(b)表示鎖定型霍爾開(kāi)關(guān)的輸出特性。
(a) 單OC輸出 (b)雙OC輸出
圖4 霍爾開(kāi)關(guān)電路的功能框圖
(a)開(kāi)關(guān)型輸出特性 (b)鎖定型輸出特性
圖5 霍爾開(kāi)關(guān)電路的輸出特性
爾電路上的磁場(chǎng)方向?yàn)檎睒O接近標(biāo)志面時(shí)為負(fù)。
鎖定型霍爾開(kāi)關(guān)電路的特點(diǎn)是：當(dāng)外加場(chǎng)B正向增加，達(dá)到BOP時(shí)，電路導(dǎo)通，之后無(wú)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(dá)到負(fù)向的BRP時(shí)，才改變?yōu)榻刂箲B(tài)，因而稱為鎖定型。
2.2.2.3 差動(dòng)霍爾電路(雙霍爾電路)
它的霍爾電壓發(fā)生器由一對(duì)相距2.5mm的霍爾元件組成，其功能框圖見(jiàn)圖6。
圖6 差動(dòng)霍爾電路的工作原理圖
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。
3 霍爾器件的應(yīng)用
3.1 應(yīng)用的一般問(wèn)題
3.1.1 測(cè)量磁場(chǎng)
使用霍爾器件檢測(cè)磁場(chǎng)的方法極為簡(jiǎn)單，將霍爾器件作成各種形式的探頭，放在被測(cè)磁場(chǎng)中，因霍爾器件只對(duì)垂直于霍爾片的表面的磁感應(yīng)強(qiáng)度敏感，因而必須令磁力線和器件表面垂直，通電后即可由輸出電壓得到被測(cè)磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度。若不垂直，則應(yīng)求出其垂直分量來(lái)計(jì)算被測(cè)磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度值。而且，
評(píng)論