全面認(rèn)知·霍爾元件

霍爾元件 是一種基于 霍爾效應(yīng) 的 磁傳感器 ，通過半導(dǎo)體材料感知磁場變化并轉(zhuǎn)換為電信號輸出。

霍爾元件的原理

霍爾元件是應(yīng)用 霍爾效應(yīng)的半導(dǎo)體元件, 當(dāng)施加一個外磁場 (B) 時輸出與磁場成比例的輸出電壓 (VH)。

圖1a中2, 4端子的電勢差, 圖1b中展示的霍爾元件輸出。

圖1a 霍爾元件的原理圖

圖1b 霍爾元件的輸出電壓特性

霍爾元件

驅(qū)動方式

霍爾元件分為 定電流驅(qū)動 和 定電壓驅(qū)動 倆種驅(qū)動方式。根據(jù)不同的驅(qū)動方式, 其溫度特性也有差異。

定電流驅(qū)動

端子1.3輸入一定的電流 (IC) 時, 端子2.4的輸出電壓可以用下式表示。

VH ＝ RH?(1 / d)?IC?B

此處, RH為霍爾系數(shù), d是垂直于端子面方向的半導(dǎo)體薄膜的厚度。

RH可以用電子電荷量e和 電子濃度n來定義。

RH = 1 / (e?n）

定電流驅(qū)動下的輸出電壓溫度特性取決于RH的溫度特性。

定電壓驅(qū)動

向端子1.3輸入一定的電壓 (VC) 時, 端子2.4的輸出電壓可以用下式表示。

VH = μH? (W / L) ?VC?B

此處, μH為電子移動度, W, L是端子面2, 4方向, 1, 3方向的長度。定電壓驅(qū)動下的輸出電壓溫度特性取決于μH的溫度特性。

2 定電流驅(qū)動/定電壓驅(qū)動下的VH溫度特性 (例：超高靈敏度霍爾元件)

霍爾元件

不平衡電壓

即使霍爾元件在無外磁場印加時也會產(chǎn)生一個輸出電壓, 這被稱為偏置電壓 (不平衡定壓)。此不平衡電壓是在制造過程中無意識情況下產(chǎn)生的, 并且持有溫度特性。此外，偏置電壓還會因為溫度變化以及對封裝施加的應(yīng)力而變化，例如由于模塑樹脂吸濕引起的應(yīng)力變化。

霍爾元件的偏移成分可以

用如圖3a所示的4個電阻

值橋連電路表示。

圖3a 霍爾元件的等效電路

這四個電阻值全部相等時, 為偏移0的情況。

此外, 如果存在偏移, 輸出電壓特性將如圖3b所示移動。

圖3b 存在偏置時的輸出電壓特性

霍爾元件的種類

根據(jù)半導(dǎo)體薄膜材料的不同可分為三種類型的霍爾元件 (超靈敏霍爾元件, 高靈敏度霍爾元件, 低漂移霍爾元件)。

霍爾元素的材料分別為銻化銦 (InSb), 砷化銦 (InAs), 和砷化鎵 (GaAs)。 目前主要用作霍爾元件的半導(dǎo)體材料是這三種類型。(表1)

* 產(chǎn)品中含有Ga、Sb等元素。

硅 (Si) 是霍爾元件的代表性材料之一, 但由于其靈敏度低不被用作霍爾元件, 而是用在霍爾IC。 霍爾元件的靈敏度與半導(dǎo)體材料的遷移率成比例。 溫度特性受各種因素影響, 但主要取決于帶隙的大小。
由于霍爾元件的材料不同其輸出電壓的溫度特性和靈敏度也有所不同, 因此根據(jù)用途分開使用，特征如下。

霍爾元件

特征

?HW series:是3種霍爾元件中靈敏度更高的霍爾元件。

?HG series:是3種霍爾元件中溫度特性更穩(wěn)定的霍爾元件。

?HQ series:是3種霍爾元件中靈敏度和溫度特性都很均衡的霍爾元件。

圖4 展示了在相同控制電流 (Ic=5 mA) 下,以恒定電流驅(qū)動3種霍爾元件時的輸出電壓特性

圖4 定電流驅(qū)動時的輸出電壓 (Ic=5mA)

圖5 展示了在相同控制電壓 (Vc=1 V) 下,以恒定電壓驅(qū)動3種霍爾元件時的輸出電壓特性

圖5 定電壓驅(qū)動時的輸出電壓 (Vc=1V)

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