霍爾元件詳解_電子元器件基礎(chǔ) - 全文

霍爾元件原理介紹

霍爾元件之作用原理也就是霍爾效應(yīng)，所謂霍耳效應(yīng)如圖1所示，系指將電流I 通至一物質(zhì)，并對與電流成正角之方向施加磁場B 時(shí)，在電流與磁場兩者之直角方向所產(chǎn)生的電位差V 之現(xiàn)象。此電壓是在下列情況下所產(chǎn)生的，有磁場B 時(shí)，由于弗萊銘(Fleming)左手定則，使洛仁子力(即可使流過物質(zhì)中之電子或正孔向箭頭符號(hào)所示之方向彎曲的力量：(Lorentz force)發(fā)生作用，而將電子或正孔擠向固定輸出端子之一面時(shí)所產(chǎn)生。電位差V 之大小通常決定于洛仁子力與藉所發(fā)生之電位差而將電
子或正孔推回之力(亦即前者之力等于后者之力)，而且與電流I 乘以磁場B 之積成比例。比例常數(shù)為決定于物質(zhì)之霍耳常數(shù)除以物質(zhì)在磁場方向之厚度所得之值。

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???????????????????? 圖1 霍爾組件之原理

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在平板半導(dǎo)體介質(zhì)中，電子移動(dòng)（有電場）的方向，將因磁力的作用（有磁場） ，而改變電子行進(jìn)的方向。若電場與磁場互相垂直時(shí)，其傳導(dǎo)的載子（電子或電洞） ，將集中于平板的上下兩邊，因而形成電位差存在的現(xiàn)象。該電位差即霍爾電壓（霍爾電壓） 在實(shí)際的霍爾組件中，一般使用物質(zhì)中之電流載子為電子的N 型半導(dǎo)體材料。將一定之輸入施加至霍爾組件時(shí)之輸出電壓，利用上述之關(guān)系予以分析時(shí)，可以獲致下列的結(jié)論：
(1) 材料性質(zhì)與霍爾系數(shù)乘以電子移動(dòng)度之積之平方根成正比。
(2) 材料之形狀與厚度之平方根之倒數(shù)成正比。
由于上述關(guān)系，實(shí)際的霍爾組件中，可將霍爾系數(shù)及電子移動(dòng)度大的材料加工成薄的十字形予以制成。

圖2系表示3～5 端子之霍爾組件的使用方法，在三端子霍爾元件之輸出可以產(chǎn)生輸入端子電壓之大致一半與輸出信號(hào)電壓之和的電壓，而在四端子及五端子霍爾組件中，在原理上雖然可以免除輸入端子電壓的影響，但實(shí)際上即使在無磁場時(shí)，也有起因于組件形狀之不平衡等因素之不平衡電壓存在。

??????????????????? 圖2 霍爾組件使用方法

種類及接法
?構(gòu)造：

無鐵心型
鐵心型
測試用探針霍爾集成電路
?接法：

三端子組件
四端子組件
五端子組件

用途
霍爾組件有下列三種用法：
(A) 事先使一定電流流過霍爾組件，用以檢出磁場或變換成磁場的其它物理量的方法。
(B) 利用組件的電流、磁場及作為其變量的該兩種量的乘法作用的方法。
(C) 利用非相反性(即在一定磁場中，使與輸入端子通以電流時(shí)所得的輸出同方向的電流流過輸出端子時(shí)，在輸入端子會(huì)產(chǎn)生與最初的電壓反方向的霍爾電壓的現(xiàn)象)的方法。上述各種使用方法的具體例參照前述磁電變換組件的用途的項(xiàng)所述。在這些具體例中，有不少在組件的靈敏度及溫度特性上，霍爾組件形成1 匝(Turn)的線圈有妨礙而難以符合實(shí)用。但利用霍爾探針測定磁場因?qū)儆诒容^簡便的用法，已經(jīng)定型，另外例如無電刷馬達(dá)(霍爾馬達(dá))開關(guān)等也逐漸進(jìn)入實(shí)用的階段，磁頭的制造也有人嘗試過。

霍爾元件供電

??????????????????????? 圖3 定電壓驅(qū)動(dòng)之一
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????????????????????????????????????????????????????? 圖4? 定電壓驅(qū)動(dòng)之二

????????????????????????????????????????? 圖5 定電流驅(qū)動(dòng)之一

????????????????????????????????????????? 圖6 定電流驅(qū)動(dòng)之二

???????????????? 圖7 霍爾傳感器不平衡調(diào)整方法

在一個(gè)結(jié)晶片中形成有霍爾組件及放大并控制其輸出電壓的電路而具有磁場 ─ 電氣變換機(jī)能的固態(tài)組件稱為霍爾集成電路。
外觀構(gòu)造
如圖2-19 所示，具有與樹脂封閉型晶體管、集成電路等相同的構(gòu)造，即多半呈現(xiàn)在大小5mm 見方、厚3mm 以下的角形或長方形板狀組件上附設(shè)四根導(dǎo)線的構(gòu)造。導(dǎo)線系由金屬薄片所形成，各個(gè)金屬薄片上均附有半導(dǎo)體結(jié)晶片(通常為硅芯片)，而在結(jié)晶體中利用集成電路技術(shù)形成有霍爾組件及信號(hào)處理電路。為防止整個(gè)組件性能的劣化，通常利用樹脂加以封閉，另外為了使磁場的施加容易起見，其厚度也盡量減薄。

圖8 霍爾集成電路的構(gòu)造

作用原理
磁場強(qiáng)度可利用形成在結(jié)晶片的一部份的霍爾組件變換成電氣信號(hào)(參照前述霍爾組件的作用原理)。結(jié)晶通常使用半導(dǎo)體硅，霍爾組件的磁場靈敏度為10～20mV/K.Oe。此信號(hào)經(jīng)形成在同一結(jié)晶中的信號(hào)處理電路放大后，作為適合所定目的的信號(hào)電壓被取出。通常四根導(dǎo)線中的兩根連接于一方接地的電源，而從剩下的兩根的一根取出正極性的信號(hào)電壓，并從另一根取出負(fù)極性的信號(hào)電壓。霍爾組件的輸入電阻通常需符合信號(hào)處理電路的電源，以便可利用定電壓使用霍爾組件。此時(shí)組件的輸出電壓不管在N 型或P 型均無大差異。又因輸出電壓與電子或正孔的移動(dòng)度成正比，故溫度特性也應(yīng)該盡量保持一定，這是與單體霍爾組件不同的地方。
種類:
依輸出信號(hào)的性質(zhì)加以分類時(shí)如表1所示。如圖9所示，線性型(Linear type)霍爾集成電路可以獲得與磁場強(qiáng)度成正比的輸出電壓。磁場靈敏度雖然可利用電路的放大度加以調(diào)節(jié)，但在高靈敏度時(shí)，比例范圍會(huì)變窄(雖電源5V 使靈敏度達(dá)到10mV/Oe，但比例范圍在500Oe以下)。

表1 依輸出電壓分類時(shí)的種類

???????????????? (a)線性型???????????????? (b)開關(guān)型

????????????????? 圖9 霍爾集成電路的輸出特性

開關(guān)型霍爾集成電路可在一定范圍的磁場中獲得ON-OFF的電壓，此開關(guān)型對磁場的磁滯(Hysteresis)現(xiàn)象，乃是為使開關(guān)動(dòng)作更為霍爾集成電路線性型確實(shí)起見而故意如此設(shè)計(jì)的。
依照制造方法加以分類時(shí)如表2 所示，但任何一種制造方法雖然均可獲得同樣的特性，在現(xiàn)階段中，雙極性型霍爾集成電路已開始進(jìn)入商品化的階段。

表2依制造方法分類時(shí)的種類

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用途
霍爾集成電路通常使用于前述磁電變換組件的項(xiàng)所述的(A-1)、(A-2)范圍的用途，在這些用途的中，特別像開關(guān)那樣，以磁氣為媒介將位置的變化、速度、回轉(zhuǎn)等的物理量變換為電氣量時(shí)，使用起來非常簡單。使用霍爾集成電路的開關(guān)系如圖2-21 所示，這種開關(guān)具有：(1)無震動(dòng)(Chattering)，(2)不生雜音，(3)使用壽命長，可靠度高，(4)響應(yīng)速度快等特征，已經(jīng)實(shí)際被使用作為高級(jí)的鍵盤用開關(guān)。

?????????????????? 圖10 使用霍爾集成電路的開關(guān)

圖11是A44E集成霍耳開關(guān),A44E集成霍耳開關(guān)由穩(wěn)壓器A、霍耳電勢發(fā)生器(即硅霍耳片)(mT)、差分放大器C、施密特觸發(fā)器D和OC門輸出E 五個(gè)基本部分組成，如圖12(a)所示。(1)、(2)、(3)代表集成霍耳開關(guān)的三個(gè)引出端點(diǎn)。在輸入端輸入電壓VCC，經(jīng)穩(wěn)壓器穩(wěn)壓后加在霍耳電勢發(fā)生器的兩端，根據(jù)霍耳效應(yīng)原理，當(dāng)霍耳片處在磁場中時(shí)，在垂直于磁場的方向通以電流，則與這二者相垂直的方向上將會(huì)產(chǎn)生霍耳電勢差H V 輸出，該H V信號(hào)經(jīng)放大器放大后送至施密特觸發(fā)器整形，使其成為方波輸送到OC門輸出。當(dāng)施加的磁場達(dá)到工作點(diǎn)(即BOP)時(shí)，觸發(fā)器輸出高電壓(相對于地電位)，使三極管導(dǎo)通，此時(shí)OC門輸出端輸出低電壓，通常稱這種狀態(tài)為開。當(dāng)施加的磁場達(dá)到釋放點(diǎn)(即BrP)時(shí)，觸發(fā)器輸出低電壓，三極管截止，使OC門輸出高電壓，這種狀態(tài)為關(guān)。這樣兩次電壓變換，使霍耳開關(guān)完成了一次開關(guān)動(dòng)作。BOP與BrP? 的差值一定，此差值BH = BOP - BrP稱為磁滯，在此差值內(nèi)，V 0保持不變，因而使開關(guān)輸出穩(wěn)定可靠，這也就是集電成霍耳開關(guān)傳感器優(yōu)良特性之一。

????????? 圖11 A44E集成開關(guān)型霍耳傳感器原理圖

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??? 圖12 A44E集成開關(guān)型霍耳傳感器引腳圖

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???????????????????????????? 霍爾元件外觀圖片

????????????????????????????????????????????? 霍爾轉(zhuǎn)速傳感器應(yīng)用電路?

霍爾元件的特性