霍爾元件簡(jiǎn)介及應用

圖7 霍爾傳感器不平衡調整方法

在一個(gè)結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) ─ 電氣變換機能的固態(tài)組件稱(chēng)為霍爾集成電路。
外觀(guān)構造
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造，即多半呈現在大小5mm 見(jiàn)方、厚3mm 以下的角形或長(cháng)方形板狀組件上附設四根導線(xiàn)的構造。導線(xiàn)系由金屬薄片所形成，各個(gè)金屬薄片上均附有半導體結晶片(通常為硅芯片)，而在結晶體中利用集成電路技術(shù)形成有霍爾組件及信號處理電路。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 霍爾集成電路的構造

作用原理
磁場(chǎng)強度可利用形成在結晶片的一部份的霍爾組件變換成電氣信號(參照前述霍爾組件的作用原理)。結晶通常使用半導體硅，霍爾組件的磁場(chǎng)靈敏度為10～20mV/K.Oe。此信號經(jīng)形成在同一結晶中的信號處理電路放大后，作為適合所定目的的信號電壓被取出。通常四根導線(xiàn)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電壓，并從另一根取出負極性的信號電壓?；魻柦M件的輸入電阻通常需符合信號處理電路的電源，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):
依輸出信號的性質(zhì)加以分類(lèi)時(shí)如表1所示。如圖9所示，線(xiàn)性型(Linear type)霍爾集成電路可以獲得與磁場(chǎng)強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節，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(xiàn)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)型對磁場(chǎng)的磁滯(Hysteresis)現象，乃是為使開(kāi)關(guān)動(dòng)作更為霍爾集成電路線(xiàn)性型確實(shí)起見(jiàn)而故意如此設計的。
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(cháng)，可靠度高，(4)響應速度快等特征，已經(jīng)實(shí)際被使用作為高級的鍵盤(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)由穩壓器A、霍耳電勢發(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)穩壓器穩壓后加在霍耳電勢發(fā)生器的兩端，根據霍耳效應原理，當霍耳片處在磁場(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)生霍耳電勢差H V 輸出，該H V信號經(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。當施加的磁場(chǎng)達到工作點(diǎn)(即BOP)時(shí)，觸發(fā)器輸出高電壓(相對于地電位)，使三極管導通，此時(shí)OC門(mén)輸出端輸出低電壓，通常稱(chēng)這種狀態(tài)為開(kāi)。當施加的磁場(chǎng)達到釋放點(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(chēng)為磁滯，在此差值內，V 0保持不變，因而使開(kāi)關(guān)輸出穩定可靠，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