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霍尔元件及其应用
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℃.
前者输出模拟量, 后者输出数字量. 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 .
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.
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(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). (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.
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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,InSb,GaAs,InAs,InAsP 以及多层半导体异质结构量 子阱材料等等.

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