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1、霍尔元件及其应用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；
2、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55150。 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。
3、 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、
4、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，是用来制作霍尔元件的材料的电阻率，n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，、RH、n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(
5、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，n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
6、 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、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
7、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 812 100 2085 3.5 7.0 2.5 3.6 5.0 UGN3503 4.56 90 2085 7.5 13.5 30.0 2.25 2.5 2.75 型号
8、IOUT/mA Ro/k Icc/mA 乘积灵敏度V/A0.1T 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 地 输出 CI/P UGN3503 0.05 9.0 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
9、平。我们称BOP为工作点，BRP为释放点，BOPBRP=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
10、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/A 备注 CS1018 4.818 1420 2014 6 12 5 0.4 10 CS1028 4.524 2830 3028 2 9 25 0.4 10 CS2018 4.020 1020 2010 6 30 300 0.6 10 互补输出 CS302 3.524 06 60 6 9 5 0.4
11、 10 UGN3119 4.524 16.550 12.545 5 9 25 0.4 10 A3144 4.524 735 533 2 9 25 0.4 10 UGN3140 4.524 720 518 2 9 25 0.4 10 A3121 4.524 1335 830 5 9 20 0.4 10 UGN3175 4.524 125 2510 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
12、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。 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。
13、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542.5（mm3）的钕铁硼号磁钢，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，霍尔片的深度在产品手册中会给出。 因为霍尔器件需要工作电源，在作运动或位置传感
14、时，一般令磁体随被检测物体运动，将霍尔器件固定在工作系统的适当位置，用它去检测工作磁场，再从检测结果中提取被检信息。 工作磁体和霍尔器件间的运动方式有：(a)对移；(b)侧移；(c)旋转；(d)遮断。如图7所示，图中的TEAG即为总有效工作气隙。图7 霍尔器件和工作磁体间的运动方式在遮断方式中，工作磁体和霍尔器件以适当的间隙相对固定，用一软磁（例如软铁）翼片作为运动工作部件，当翼片进入间隙时，作用到霍尔器件上的磁力线被部分或全部遮断，以此来调节工作磁场。被传感的运动信息加在翼片上。这种方法的检测精度很高，在125的温度范围内，翼片的位置重复精度可达50m。 也可将工作磁体固定在霍尔器件背面（外壳上没打标志的一面），让被检的铁磁物体（例如钢齿轮）从它们近旁通过，检测出物体上的特殊标志（如齿、凸缘、缺口等），得出物体的运动参数。 3.1.3 与外电路的接口 霍尔开关电路的输出级一般是一个集电极开路的NPN晶体管，其使用规则和任何一种相似的NPN开关管相同。输出管截止时，输漏电流很小，一般只有几nA，可以忽略，输出电压和其电源电压相近
