霍尔元件及其应用（一）

hall sensing components & devices and its application


摘 要 : 霍尔器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℃。

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 霍尔效应和霍尔器件

2.1 霍尔效应

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。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）。

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。

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。

2.2.2 霍尔电路

2.2.2.1 霍尔线性电路

霍尔线性电路由霍尔元件、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。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。

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，输出高电平。我们称bop为工作点，brp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。

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。

2.2.2.3 差动霍尔电路(双霍尔电路)

双霍尔电路的霍尔电压发生器由一对相距2.5mm的霍尔元件组成。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

除上述各种霍尔器件外，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