霍爾元件的定義

霍爾器件是一種磁傳感器。用它們可以檢測(cè)磁場(chǎng)及其變化，可在各種與磁場(chǎng)有關(guān)的場(chǎng)合中使用。霍爾器件以霍爾效應(yīng)為其工作基礎(chǔ)。霍爾器件具有許多優(yōu)點(diǎn)，它們的結(jié)構(gòu)牢固，體積小，重量輕，壽命長(zhǎng)，安裝方便，功耗小，頻率高（可達(dá)1MHZ），耐震動(dòng)，不怕灰塵、油污、水汽及鹽霧等的污染或腐蝕。

霍爾元件是一種基于霍爾效應(yīng)的磁傳感器,已發(fā)展成一個(gè)品種多樣的磁傳感器產(chǎn)品族，并已得到廣
泛的應(yīng)用。

霍爾線性器件的精度高、線性度好；霍爾開(kāi)關(guān)器件無(wú)觸點(diǎn)、無(wú)磨損、輸出波形清晰、無(wú)抖動(dòng)、無(wú)回跳、位置重復(fù)精度高（可達(dá)μm 級(jí)）。取用了各種補(bǔ)償和保護(hù)措施的霍爾器件的工作溫度范圍寬，可達(dá)－55℃～150℃。按照霍爾器件的功能可將它們分為: 霍爾線性器件 和 霍爾開(kāi)關(guān)器件 。前者輸出模擬量，后者輸出數(shù)字量。按被檢測(cè)的對(duì)象的性質(zhì)可將它們的應(yīng)用分為:直接應(yīng)用和間接應(yīng)用。前者是直接檢測(cè)出受檢測(cè)對(duì)象本身的磁場(chǎng)或磁特性，后者是檢測(cè)受檢對(duì)象上人為設(shè)置的磁場(chǎng)，用這個(gè)磁場(chǎng)來(lái)作被檢測(cè)的信息的載體，通過(guò)它，將許多非電、非磁的物理量例如力、力矩、壓力、應(yīng)力、位置、位移、速度、加速度、角度、角速度、轉(zhuǎn)數(shù)、轉(zhuǎn)速以及工作狀態(tài)發(fā)生變化的時(shí)間等，轉(zhuǎn)變成電量來(lái)進(jìn)行檢測(cè)和控制。

霍爾效應(yīng)
如圖1 所示，在一塊通電的半導(dǎo)體薄片上，加上和片子表面垂直的磁場(chǎng)B，在薄片的橫向兩側(cè)會(huì)出現(xiàn)一個(gè)電壓，如圖1 中的VH，這種現(xiàn)象就是霍爾效應(yīng)，是由科學(xué)家愛(ài)德文·霍爾在1879 年發(fā)現(xiàn)的。VH 稱為霍爾電壓。

（a）霍爾效應(yīng)和霍爾元件
這種現(xiàn)象的產(chǎn)生，是因?yàn)橥姲雽?dǎo)體片中的載流子在磁場(chǎng)產(chǎn)生的洛侖茲力的作用下，分別向片子橫向兩側(cè)偏轉(zhuǎn)和積聚，因而形成一個(gè)電場(chǎng)，稱作霍爾電場(chǎng)。霍爾電場(chǎng)產(chǎn)生的電場(chǎng)力和洛侖茲力相反，它阻礙載流子繼續(xù)堆積，直到霍爾電場(chǎng)力和洛侖茲力相等。這時(shí)，片子兩側(cè)建立起一個(gè)穩(wěn)定的電壓，這就是霍爾電壓。在片子上作四個(gè)電極，其中C1、C2 間通以工作電流I，C1、C2 稱為電流電極，C3、C4 間取出霍爾電壓VH，C3、C4 稱為敏感電極。將各個(gè)電極焊上引線，并將片子用塑料封裝起來(lái)，就形成了一個(gè)完整的霍爾元件（又稱霍爾片）。

或(3)
在上述（1）、（2）、（3）式中VH 是霍爾電壓，ρ 是用來(lái)制作霍爾元件的材料的電阻率，μn 是材料的電子遷移率，RH 是霍爾系數(shù)，l、W、t 分別是霍爾元件的長(zhǎng)、寬和厚度，f(I/W)是幾何修正因子，是由元件的幾何形狀和尺寸決定的，I 是工作電流，V 是兩電流電極間的電壓，P 是元件耗散的功率。由(1)～(3)式可見(jiàn)，在霍爾元件中，ρ、RH、μn 決定于元件所用的材料，I、W、t 和f(I/W)決定于元件的設(shè)計(jì)和工藝，霍爾元件一旦制成，這些參數(shù)均為常數(shù)。因此，式(1)～(3)就代表了霍爾元件的三種工作方式所得的結(jié)果。(1)式表示電流驅(qū)動(dòng)，(2)式表示電壓驅(qū)動(dòng)，(3)式可用來(lái)評(píng)估霍爾片能承受的最大功率。

為了精確地測(cè)量磁場(chǎng),常用恒流源供電,令工作電流恒定,因而,被測(cè)磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度B 可用霍爾電壓來(lái)量度。在一些精密的測(cè)量?jī)x表中，還采用恒溫箱，將霍爾元件置于其中，令RH 保持恒定。若使用環(huán)境的溫度變化，常采用恒壓驅(qū)動(dòng)，因和RH 比較起來(lái)，μn 隨溫度的變化比較平緩，因而VH 受溫度變化的影響較小。為獲得盡可能高的輸出霍爾電壓VH，可加大工作電流，同時(shí)元件的功耗也將增加。(3)式表達(dá)了VH 能達(dá)到的極限——元件能承受的最大功耗。

霍爾器件

霍爾器件分為: 霍爾元件 和 霍爾集成電路 兩大類，前者是一個(gè)簡(jiǎn)單的霍爾片，使用時(shí)常常需要將獲得的霍爾電壓進(jìn)行放大。后者將霍爾片和它的信號(hào)處理電路集成在同一個(gè)芯片上。

霍爾元件
霍爾元件可用多種半導(dǎo)體材料制作，如Ge、Si、InSb、GaAs、InAs、InAsP 以及多層半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)構(gòu)量子阱材料等等。InSb 和GaAs 霍爾元件輸出特性見(jiàn)圖1(a)、圖1(b).

（a）霍爾效應(yīng)和霍爾元件????????? （b）InSb 霍爾元件的輸出特性

(c)GaAs 霍爾元件的輸出特性?????? 圖1 霍爾元件的結(jié)構(gòu)和輸出特性

霍爾元件的特性
　　1、霍爾系數(shù)（又稱霍爾常數(shù)）RH
　　在磁場(chǎng)不太強(qiáng)時(shí)，霍爾電勢(shì)差UH與激勵(lì)電流I和磁感應(yīng)強(qiáng)度B的乘積成正比，與霍爾片的厚度δ成反比，即UH =RH*I*B/δ，式中的RH稱為霍爾系數(shù)，它表示霍爾效應(yīng)的強(qiáng)弱。 另RH=μ*ρ即霍爾常數(shù)等于霍爾片材料的電阻率ρ與電子遷移率μ的乘積。
　　2、霍爾靈敏度KH（又稱霍爾乘積靈敏度）
　　霍爾靈敏度與霍爾系數(shù)成正比而與霍爾片的厚度δ成反比，即KH=RH/δ，它通常可以表征霍爾常數(shù)。
　　3、霍爾額定激勵(lì)電流
　　當(dāng)霍爾元件自身溫升10℃時(shí)所流過(guò)的激勵(lì)電流稱為額定激勵(lì)電流。
　　4、霍爾最大允許激勵(lì)電流
　　以霍爾元件允許最大溫升為限制所對(duì)應(yīng)的激勵(lì)電流稱為最大允許激勵(lì)電流。
　　5、霍爾輸入電阻
　　霍爾激勵(lì)電極間的電阻值稱為輸入電阻。
　　6、霍爾輸出電阻
　　霍爾輸出電極間的電阻值稱為輸入電阻。
　　7、霍爾元件的電阻溫度系數(shù)
　　在不施加磁場(chǎng)的條件下，環(huán)境溫度每變化1℃時(shí)，電阻的相對(duì)變化率，用α表示，單位為%/℃。
　　8、霍爾不等位電勢(shì)（又稱霍爾偏移零點(diǎn)）
　　在沒(méi)有外加磁場(chǎng)和霍爾激勵(lì)電流為I的情況下，在輸出端空載測(cè)得的霍爾電勢(shì)差稱為不等位電勢(shì)。
　　9、霍爾輸出電壓
　　在外加磁場(chǎng)和霍爾激勵(lì)電流為I的情況下，在輸出端空載測(cè)得的霍爾電勢(shì)差稱為霍爾輸出電壓。
　　10、霍爾電壓輸出比率
　　霍爾不等位電勢(shì)與霍爾輸出電勢(shì)的比率
　　11、霍爾寄生直流電勢(shì)
　　在外加磁場(chǎng)為零、霍爾元件用交流激勵(lì)時(shí)，霍爾電極輸出除了交流不等位電勢(shì)外，還有一直流電勢(shì)，稱寄生直流電勢(shì)。
　　12、霍爾不等位電勢(shì)
　　在沒(méi)有外加磁場(chǎng)和霍爾激勵(lì)電流為I的情況下，環(huán)境溫度每變化1℃時(shí)，不等位電勢(shì)的相對(duì)變化率。
　　13、霍爾電勢(shì)溫度系數(shù)
　　在外加磁場(chǎng)和霍爾激勵(lì)電流為I的情況下，環(huán)境溫度每變化1℃時(shí)，不等位電勢(shì)的相對(duì)變化率。它同時(shí)也是霍爾系數(shù)的溫度系數(shù)。
　　14、熱阻Rth
　　霍爾元件工作時(shí)功耗每增加1W，霍爾元件升高的溫度值稱為它的熱阻，它反映了元件散熱的難易程度，
　　單位為： 攝氏度/w
　　無(wú)刷電機(jī)霍爾傳感器AH44E
　　開(kāi)關(guān)型霍爾集成元件，用于無(wú)刷電機(jī)的位置傳感器。
　　引腳定義（有標(biāo)記的一面朝向自己）：（左）電源正；（中）接地；（右）信號(hào)輸出
　　體積(mm)：4.1*3.0*1.5
　　安裝時(shí)注意減少應(yīng)力與防靜電.

霍爾元件及其應(yīng)用