霍尔元件应用及其原理

霍尔元件应用及其原理 霍尔元件及其应用( 霍尔元件及其应用(一) 时间:2009-10-20 13:02:40 Hall Sensing Components & Devices and Its Application 并已得到广 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, 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 工程第三方检测合同工程防雷检测合同植筋拉拔检测方案传感器技术课后答案检测机构通用要求培训 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 《全国民用建筑工程设计技术措施》规划•建筑•景观全国民用建筑工程设计技术措施》规划•建筑•景观软件质量保证措施下载工地伤害及预防措施下载关于贯彻落实的具体措施 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 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 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 VH, C3, 称为敏感电极. C4 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,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 手机海报尺寸公章尺寸朋友圈海报尺寸停车场尺寸印章尺寸 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,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 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. 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. 成比例, 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. 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 灵敏度 S/mV/mT 静态输出电压 Vo/V 型号 线性范围/mT 工作温度/? Vcc/V 线性范围/mT 工作温度/? min typ max UGN3501 8,12 4.5, UGN3503 4.5,6 型号 IOUT/mA Ro/kΩ typ max UGN3501 UGN3503 4.0 - 0.1 10 20 - - ?100 ?90 Icc/mA 乘积灵敏度 V/A0.1T 输出形式 1 2 3 4 CI/P CI/P 射极输出 射极输出 VCC 地 输出 - 射极输出 VCC 地 输出 - -20,+85 3.5 7.0 20,+85 ,+ - min 2.5 typ 3.6 max 5.0 -20,+85 7.5 13.5 30.0 2.25 2.5 2.75 20,+85 ,+ 引脚排列 外形结构 0.05 9.0 14 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. 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, 霍尔电路输出管导通,输出低电平.之后, 再增加, 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. 输出管截止,输出高电平. 为工作点,BRP 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- 称为回差.回差的存在使开关电路的抗干扰能力增强. 为释放点,BOP-BRP=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 4(a)表示集电极开路(OC)输出,(b)表示双输出. 5(a)表示普通霍尔 表示集电极开路(OC)输出 表示双输出 开关,