霍爾元件是什么？霍爾元件是一種半導(dǎo)體磁電器件，它是利用霍爾效應(yīng)來(lái)進(jìn)行工作的。霍爾元件是一種基于霍爾效應(yīng)的磁傳感器。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。下面來(lái)了解一下霍爾元件的工作原理、應(yīng)用、引腳圖以及電路圖吧。

1、霍爾元件的引腳圖與管腳定義

2、霍爾元件的工作用原理

霍爾元件工作用原理也就是霍爾效應(yīng)，所謂霍耳效應(yīng)如圖1所示，系指將電流I 通至一物質(zhì)，并對(duì)與電流成正角之方向施加磁場(chǎng)B 時(shí)，在電流與磁場(chǎng)兩者之直角方向所產(chǎn)生的電位差V 之現(xiàn)象。此電壓是在下列情況下所產(chǎn)生的，有磁場(chǎng)B 時(shí)，由于弗萊銘(Fleming)左手定則，使洛仁子力(即可使流過(guò)物質(zhì)中之電子或正孔向箭頭符號(hào)所示之方向彎曲的力量：(Lorentz force)發(fā)生作用，而將電子或正孔擠向固定輸出端子之一面時(shí)所產(chǎn)生。電位差V 之大小通常決定于洛仁子力與藉所發(fā)生之電位差而將電子或正孔推回之力(亦即前者之力等于后者之力)，而且與電流I 乘以磁場(chǎng)B 之積成比例。比例常數(shù)為決定于物質(zhì)之霍耳常數(shù)除以物質(zhì)在磁場(chǎng)方向之厚度所得之值。

 圖1 霍爾組件之原理

在平板半導(dǎo)體介質(zhì)中，電子移動(dòng)（有電場(chǎng)）的方向，將因磁力的作用（有磁場(chǎng)） ，而改變電子行進(jìn)的方向。若電場(chǎng)與磁場(chǎng)互相垂直時(shí)，其傳導(dǎo)的載子（電子或電洞） ，將集中于平板的上下兩邊，因而形成電位差存在的現(xiàn)象。該電位差即霍爾電壓（霍爾電壓） 在實(shí)際的霍爾組件中，一般使用物質(zhì)中之電流載子為電子的N 型半導(dǎo)體材料。將一定之輸入施加至霍爾組件時(shí)之輸出電壓，利用上述之關(guān)系予以分析時(shí)，可以獲致下列的結(jié)論：

(1) 材料性質(zhì)與霍爾系數(shù)乘以電子移動(dòng)度之積之平方根成正比。
(2) 材料之形狀與厚度之平方根之倒數(shù)成正比。
由于上述關(guān)系，實(shí)際的霍爾組件中，可將霍爾系數(shù)及電子移動(dòng)度大的材料加工成薄的十字形予以制成。

圖2系表示3～5 端子之霍爾組件的使用方法，在三端子霍爾元件之輸出可以產(chǎn)生輸入端子電壓之大致一半與輸出信號(hào)電壓之和的電壓，而在四端子及五端子霍爾組件中，在原理上雖然可以免除輸入端子電壓的影響，但實(shí)際上即使在無(wú)磁場(chǎng)時(shí)，也有起因于組件形狀之不平衡等因素之不平衡電壓存在。

(a)3腳組件        (b)4腳組件       (c)5腳組件

圖2 霍爾組件使用方法

3、霍爾元件的用途：

霍爾組件有下列三種用法：
(A) 事先使一定電流流過(guò)霍爾組件，用以檢出磁場(chǎng)或變換成磁場(chǎng)的其它物理量的方法。
(B) 利用組件的電流、磁場(chǎng)及作為其變量的該兩種量的乘法作用的方法。
(C) 利用非相反性(即在一定磁場(chǎng)中，使與輸入端子通以電流時(shí)所得的輸出同方向的電流流過(guò)輸出端子時(shí)，在輸入端子會(huì)產(chǎn)生與最初的電壓反方向的霍爾電壓的現(xiàn)象)的方法。

上述各種使用方法的具體例參照前述磁電變換組件的用途的項(xiàng)所述。在這些具體例中，有不少在組件的靈敏度及溫度特性上，霍爾組件形成1 匝(Turn)的線圈有妨礙而難以符合實(shí)用。但利用霍爾探針測(cè)定磁場(chǎng)因?qū)儆诒容^簡(jiǎn)便的用法，已經(jīng)定型，另外例如無(wú)電刷馬達(dá)(霍爾馬達(dá))開(kāi)關(guān)等也逐漸進(jìn)入實(shí)用的階段，磁頭的制造也有人嘗試過(guò)。

4、霍爾元件供電

圖3 定電壓驅(qū)動(dòng)之一

圖4  定電壓驅(qū)動(dòng)之二

圖5 定電流驅(qū)動(dòng)之一

圖6 定電流驅(qū)動(dòng)之二

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。

5、霍爾元件的外觀構(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

6、霍爾元件的種類(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)

7、霍爾集成電路的用途

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

霍爾元件外觀圖片

霍爾轉(zhuǎn)速傳感器應(yīng)用電路