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霍尔元件及其应用(一)

时间:2009-10-20 13:02:40

 

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最大功率。

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——元件能承受的最大功耗。

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
min typ max min typ max
UGN3501 8~12 ±100 -20~+85 3.5 7.0 2.5 3.6 5.0
UGN3503 4.5~6 ±90 -20~+85 7.5 13.5 30.0 2.25 2.5 2.75
 

 

型号 IOUT/mA Ro/kΩ Icc/mA 乘积灵敏度V/A·0.1T 输出形式 引脚排列 外形结构
typ max 1 2 3 4
UGN3501 4.0 0.1 10 20 射极输出 VCC 输出 CI/P
UGN3503 0.05 9.0 14 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/V Bop/mT BRP/mT BH/mT Icc/mA Io/mA Vo/sat Ioff/μA 备注
CS1018 4.8~18 -14~20 -20~14 ≥6 ≤12 5 ≤0.4 ≤10  
CS1028 4.5~24 -28~30 -30~28 ≥2 ≤9 25 ≤0.4 ≤10  
CS2018 4.0~20 10~20 -20~-10 ≥6 ≤30 300 ≤0.6 ≤10 互补输出
CS302 3.5~24 0~6 -6~0 ≥6 ≤9 5 ≤0.4 ≤10  
UGN3119 4.5~24 16.5~50 12.5~45 ≥5 ≤9 25 ≤0.4 ≤10  
A3144 4.5~24 7~35 5~33 ≥2 ≤9 25 ≤0.4 ≤10  
UGN3140 4.5~24 7~20 5~18 ≥2 ≤9 25 ≤0.4 ≤10  
A3121 4.5~24 13~35 8~30 ≥5 ≤9 20 ≤0.4 ≤10  
UGN3175 4.5~24 1~25 -25~-10 ≥2 ≤8 50 ≤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。

 

 
 

 

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