霍尔传感元器件及其应用

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1、 电子元器件应用霍 ! N l l w感 x.49 件 ZL 其 应 用涂有瑞 南京中 旭徽电 子有限 奋司 ( 南京2 1 0 0 1 7 7 )摘 要 霍尔器 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。 婪 键词 I尔 效 应 滋传感器 霍尔 元件 霍尔 电 路 霍尔 电 流传感a -B-朴了了 .，1幸-1叨res-CI 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

2、点， 创门 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1 M H Z ) , 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W m 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， 可达一 5 5 1C 1 5 0 H ,按照霍尔器件的功能， 可将它们分为霍尔线性 器件和霍尔开关器件。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

3、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 霍尔效应和霍尔器件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 V H ， 这种现象就是霍尔甲/C( a ) 属尔效应和狡尔元件(m v )t v

4、.6 0 0 1 . = 3 mA,v, =1 v500050 Jq气Jll1 0 0 2 0 0 3 0 0 4 0 0 5 0 0( b ) I n S b 霍尔元件的输出特性a.TI i= 2 5 mA T a = 2 5 C4 0 0 B/ mT16巧1413121110987654320( c ) G a A s 霍尔元件的 输出特性 图1 霍尔元件的结构和输出特性效应， 是由 科学家爱德文 霍尔在1 8 7 9 年发现2 0 0 1 年全国电于元器件应用技术研讨会论文集的。V x 称为霍尔电 压。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

5、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C l , C z 间通以 工作 电流I , C , C : 称为电流电 极， C a , C 间取出霍尔电 压 V H , C 3 , C a 称为 敏感电极。 将各为电极焊上引线， 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) 。(1)(2)(3)v s = IB f ( 1 )

6、= R mIaf ( v H = 黔 vf ( I )w。， ， P 平、 ， ， .W 1、 v u=成 4 J 子 伙 二 吮 -I 一 - L 5 / ; 二I1工一肠 Y在 上述 1 , 2 ) , 3 ) 式中 玲是霍尔电压， p 是 用 来制 作霍尔元件的材料的电阻率，卜 。 是材料的 电子迁 移率， R 。 是霍尔系 数， 1 , 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，Y 是两电 流电极间的电 压， P 是元件耗散的 功率。由 ( 1 ) 一 ( 3 式可 见， 在霍尔元件中

7、， p , R x , 1m决定于 元 件 所 用的 材 料， I , W , s 和f ( I l W ) 决定于 元件的 设计和工艺， 霍尔元件一且制成， 这些参数均为常 数。因 此， 式( 1 ) 一 ( 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 测量仗 表中， 还采用恒温箱， 将 翟尔元件置于其中， 令 R

8、 m 保持恒定。若 使用环境的 温度变 化， 常采用恒压驱动， 因 和R x 比 较起 来， P-随温 度 的 变化比 较 平 缓， 因 而 v N 受温度变化的 影响较小。为获得尽可能高的输出 霍尔电压 Y X ， 可加大 工 作电 流， 同 时 元件的功 耗也 将增加。 ( 3 ) 式表达了 V s 能达到 的 极限 一 元 件能承 受的 最大 功耗。2 . 2 霍尔器件瞿尔器件分为霍尔元件和霍尔集成电路两大 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。 后者将瞿尔片和它的信 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

9、导体材料制作， 如C e , S i , 1 n S b , G a A s , l n A s , l n A s P 以 及多 层半导体异质结构 量子阱材料等等。南京中 旭微电 子有限公司 生产的T Y 系列I ri S b 和s 7 系 列G a A s 霍尔元件的 参数见表 1 , 表2 , 输出 特性见图1 ( a ) 、 图1 ( b ) .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

10、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。 南京中 旭微电 子有限公司子公 司生产的 霍尔 线性电 路的 性能参数见表3 , 2 . 2 . 2 . 2 霍尔开关电路射极输出图2 霍尔线性电路的功能框图r/ 一/厂/屯vc c = 1 2 v _T . = 2 5 *c_R尸1 00叻 、一 “、 . 弓 一于 J ， .J 勺 甘 忆一一J 一. 叫 ，一日尸尸洲 产W i l 土 叫 I)U; 杆陌志叫工6+3+2 争/以却匀舞3 0 0 2 0 0 1 0 00 1 0 0 2 0 0 3 0 0B 八 n 丁 图3 霍尔线路C S 3 5

11、0 1 的磁电转换特性曲 线2 0 0 1 年全国电 子元昌 件应用 菠术研讨会论文集表1 T Y系列I n S b 牲尔元件的特性参数参数符 号测试条件型号和t值T Y2 1 1T Y31 1T Y I O I A T Y 3 2 0T Y 3 0 0 B川万输出霍尔电压v / m V恒压粗动 V i =1 v B二5 0 .T最小犯3 01 加1 2 01 2 0最大7 52 7 52 7 52 7 5不等位电压v . / .VB=0 Y i =1 V最小1一 7一71一 7一，最大+ 7 十 7+7+7恤人电阻班 / nB=0 B=O . 1 . A最小2 4 02 4 02 4 02

12、4 02 4 0最大5 5 05 5 05 5 0 5 5 05 5 0榆出电阻R . / nB=08二0 . 1 .A最 小 I2 4 02 4 02 4 02 4 0一 2 4 0 最大5 5 05 5 05 5 0 5 5 0输 出 电 压的 温 度系 数 一 a / % / C 一 B 二 ， . T ” 二 5 m A最大一2一2一2一2一2 输入抽出电阻的温度系数肠/ %/ C 。 二 O . T B 二 0 . I m A绝缘电阻 I O O V D C 1 . 0 1 . 0 1 . 0 ， 1 . 0 1 . Q襄2 T Y系 列I . S b 粗尔元件的特性参数参数 符 号

13、测 试 条 件t值单位 皿 尔 枪 出 电 压V 一B 二 O m T lc 二 ” 5 5-1 4 0mY不等位电压V 。 / V .卜二5 mA 皿二0S i 5 % 抽 人 电 阻*一I。 二 ， 、B 二 ， 0 0 、 一 4 5 0 - 9 0 0 一。 输 出 电 阻、 ，。 二 ， 。 二 O I B = 1 0 0 . 7 4 ， 一 ， 0 0Iv 。 的温度系数. 咐月k=5 m A B= 0 m 7一 0 . 0 7!、 / 、 输 出 电 阻 、 擂 出 电 阻 的 很 度 系 奴!I c=5 m A B二00 . 3%/ 弋线性度直 么卜= 5 m A B- 0 -

14、 8 0 0 . 72肠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阂 值B O P 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。 却卜 加 磁场 的B 值 降 低 到B R P 时， 输出管 截止， 输出 高电平。 我们 称 B O P 为1作点， B R P 为释放点， B O P 一 B B P = B H 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( O

15、G ) 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O C图 4输出( b ) 双O C 输出一般规定， 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B O P 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B R P 时， 才改变为截止 态， 因 而

16、称为 锁定型。南京中 旭微电子有限公司生产的霍尔开关电 路的性能参数见表4 . 2 . 2 . 2 . 3 差动 霍尔电 路它的霍尔电压发生器由一对相 距2 . 5 = n 的霍 尔元件 组成， 其功 能框图 见图6 ,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 器件 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 线瞿 霍尔开关电 路的 功能框图2 0 0 1 年全国电 子元器 件应用 技术研讨会论文集表3