霍爾元件簡(jiǎn)介及應(yīng)用

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(chǎng) ─ 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(shù)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(jiàn)方、厚3mm 以下的角形或長(zhǎng)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(shù)脂加以封閉，另外為了使磁場(chǎng)的施加容易起見(jiàn)，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(chǎng)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(chǎng)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?；魻柦M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(wú)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(lèi):
依輸出信號(hào)的性質(zhì)加以分類(lèi)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(chǎng)強(qiáng)度成正比的輸出電壓。磁場(chǎng)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(lèi)時(shí)的種類(lèi)

(a)線性型 (b)開(kāi)關(guān)型

圖9 霍爾集成電路的輸出特性

開(kāi)關(guān)型霍爾集成電路可在一定范圍的磁場(chǎng)中獲得ON-OFF的電壓，此開(kāi)關(guān)型對(duì)磁場(chǎng)的磁滯(Hysteresis)現(xiàn)象，乃是為使開(kāi)關(guān)動(dòng)作更為霍爾集成電路線性型確實(shí)起見(jiàn)而故意如此設(shè)計(jì)的。
依照制造方法加以分類(lèi)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(kāi)始進(jìn)入商品化的階段。

表2依制造方法分類(lèi)時(shí)的種類(lèi)

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(kāi)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(lái)非常簡(jiǎn)單。使用霍爾集成電路的開(kāi)關(guān)系如圖2-21 所示，這種開(kāi)關(guān)具有：(1)無(wú)震動(dòng)(Chattering)，(2)不生雜音，(3)使用壽命長(zhǎng)，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(pán)用開(kāi)關(guān)。

圖10 使用霍爾集成電路的開(kāi)關(guān)

圖11是A44E集成霍耳開(kāi)關(guān),A44E集成霍耳開(kāi)關(guān)由穩(wěn)壓器A、霍耳電勢(shì)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(mén)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(kāi)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(shì)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(chǎng)中時(shí)，在垂直于磁場(chǎng)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(shì)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(mén)輸出。當(dāng)施加的磁場(chǎng)達(dá)到工作點(diǎn)(即BOP)時(shí)，觸發(fā)器輸出高電壓(相對(duì)于地電位)，使三極管導(dǎo)通，此時(shí)OC門(mén)輸出端輸出低電壓，通常稱這種狀態(tài)為開(kāi)。當(dāng)施加的磁場(chǎng)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(mén)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(kāi)關(guān)完成了一次開(kāi)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(kāi)關(guān)輸出穩(wěn)定可靠，這也就是集電成霍耳開(kāi)關(guān)傳感器優(yōu)良特性之一。

圖11 A44E集成開(kāi)關(guān)型霍耳傳感器原理圖

圖12 A44E集成開(kāi)關(guān)型霍耳傳感器引腳圖