霍尔传感元器件及其常见应用举例.doc

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1、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℃。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

2、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霍尔效应霍尔效应是一种磁电效应，是德国物理学家霍尔1879年研究载流导体在磁场中受力的性质时发现的。霍尔效应原理如下：   霍尔效应发生在霍

3、尔元件上。霍尔元件是利用特选的金属或半导体薄片制成的磁敏元件，如图1所示。若在图1所示的金属或半导体薄片两端通以电流I，并在薄片的垂直方向上施加磁感应强度为B的磁场，那么，在垂直于电流和磁场的方向上将产生电势（称为霍尔电动势或霍尔电压）。这种现象成为霍尔效应。霍尔效应的产生是由于运动电荷受到磁场中洛伦兹力作用的结果。霍尔电势UH可用下式表示：           (V)    式中——霍尔常数（）        ——控制电流（）        ——磁感应强度（）        ——霍尔元件的厚度（）        令  （）  

4、      则得到         （一）从（一）我们可以看出：1，霍尔电势是正比于电流和磁感应强度的积；2，在式中，,都是不再变化的常数。因此，霍尔电势是正比于磁感应强度的。由于硅材料是一种优秀的半导体材料。它的电阻率较高，因此能用它做成霍尔片，产生霍尔效应而能得到霍尔电压。有了在硅材料上获得的霍尔电压，给我们后面的工作带来极大的方便。因为下一步，就可以将各种线性和数字电路和硅霍尔片集成电路在同一块硅片上。就做成了性能千差万别的各种线性霍尔电路和数字霍尔电路。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

5、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材料等等。 InSb和GaAs霍尔元件输出特性见图1(a)、图1(b). （a）InSb霍尔元件的输出特性(b)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、差分放大器和射极跟随器

6、组成。其输出电压和加在霍尔元件上的磁感强度成比例，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AH3503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/VmintypmaxmintypmaxAH35034.5～6±90－20～＋857.513.5.17.52.252.52.75AH49E3.0～6±100－40～＋1007.513.517.52.252.52

7、.75型号IOUT/mARo/kΩIcc/mA乘积灵敏度V/A·0.1T输出形式引脚排列外形结构typmax1234AH35034.00.05914－射极输出VCC地输出－CI/PAH49E－-46－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时，霍尔电路输出管导通，输出低电平。之后，再增加，仍保持导通态。若外加磁场的值降低到时，输出管截止，输出高电平。我们称为工

8、作点，为释放点，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O