霍尔传感元器件及其应用1 引言 22 霍尔效应和霍尔器件 22.1 霍尔效应 22.2 霍尔器件 32.2.1 霍尔元件 42.2.2 霍尔电路 53 霍尔器件的应用 83.1 应用的一般问题 83.1.1 测量磁场 83.1.2 工作磁体的设置 93.1.3 与外电路的接口 103.2 应用实例 113.2.1 检测磁场 113.2.2 检测铁磁物体 123.2.3 用在直流无刷电机中 133.2.4 无损探伤 153.2.5 磁记录信息读出 153.2.6 霍尔接近传感器和接近开关 163.2.8 霍尔齿轮传感器 183.2.9 旋转传感器 193.2.10 霍尔位移传感器 213.2.1实1 现电－磁－电的转换 253.2.1霍4 尔隔离放大器 373.2.1用5 作电磁隔离耦合器 374结. 束语 381 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1MH）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 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℃～ 1 50℃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 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 V H，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） (1) 或(2) 或(3)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、InS、bGaA、s InA、sInAsP以及多层半导体异质结构量子阱材料等等InSb和 GaA霍s 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)GaA霍s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 UGN350的1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/VmintypmaxmintypmaxUGN3501 8～ 12100－ 20～＋ 85 3.57.0－2.53.65.0UGN3503 4.5～ 6 90 － 20～＋ 85 7.5 13.5 30.0 2.25 2.5 2.75型号 IOUT/mA Ro/k ΩIcc/mA 引脚排列乘积灵敏度 V/A 0.1T 输出形式 外形结构typ max1 234UGN35014.00.110 20－射极输出VCC 地输出－CI/PUGN3503－0.059.0 14－射极输出VCC 地输出－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=B称H 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CS10184.8 ～18－ 14～ 20－20～14≥6≤125≤0.4≤10CS10284.5 ～24－ 28～ 30－30～28≥2≤925≤0.4≤10CS20184.0 ～2010～ 20－ 20～－ 10≥6≤30300≤0.6≤10互补输出CS3023.5 ～240～ 6－ 6～0≥6≤95≤0.4≤10UGN3119 4.5 ～24 16.5 ～ 50 12.5 ～ 45 ≥5 ≤9 25 ≤0.4 ≤10A31444.5 ～247～355～33≥2≤925≤0.4≤10UGN3140 4.5 ～24 7～20 5～18 ≥2 ≤9 25 ≤0.4 ≤10A31214.5 ～2413～ 358～30≥5≤920≤0.4≤10UGN3175 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，多重双线霍尔传感器电路，二维、三维霍尔集成电路等待3 霍尔器件的应用3.1 应用的一般问题3.1.1 测量磁场使用霍尔器件检测磁场的方法极为简单，将霍尔器件作成各种形式的探头，放在被测磁场中，因霍尔器件 只对垂直于霍尔片的表面的磁感应强度敏感，因而必须令磁力线和器件表面垂直，通电后即可由输出电压 得到被测磁场的磁感应强度若不垂直，则应求出其垂直分量来计算被测磁场的磁感应强度值而且，因 霍尔元件的尺寸极小，可以进行多点检测，由计算机进行数据处理，可以得到场的分布状态，并可对狭缝， 小孔中的磁场进行检测3.1.2 工作磁体的设置用磁场作为被传感物体的运动和位置信息载体时，一般采用永久磁钢来产生工作磁场例如，用一个 54 2.5（mm）3 的钕铁硼 Ⅱ号磁钢，就可在它的磁极表面上得到约 2300高斯的磁感应强度。
在空气隙中，磁感应强度会随距离增加而迅速下降为保证霍尔器件，尤其是霍尔开关器件的可靠工作，在应用中要考虑有效工作气隙的长度在计算总有效工作气隙时，应从霍尔片表面算起在封装好的霍尔电路中，霍尔片。