霍爾元件

霍爾元件是一種基於霍爾效應的磁傳感器。用它們可以檢測磁場及其變化，可在各種與磁場有關的場合中使用。霍爾元件具有許多優點，它們的結構牢固，體積小，重量輕，壽命長，安裝方便，功耗小，頻率高（可達1MHZ），耐震動，不怕灰塵、油污、水汽及鹽霧等的污染或腐蝕。

霍爾元件可用多種半導體材料製作，如Ge、Si、InSb、GaAs、InAs、InAsP以及多層半導體異質結構量子阱材料等等。

半導體中電子遷移率（電子定向運動的平均速度）比空穴遷移率高，因此N型半導體較適合於製造靈敏度高的霍爾元件霍爾元件。

常用的半導體材料N型硅、N型鍺、銻化銦、砷化銦和不同比例亞砷酸銦和磷酸銦組成的In型固溶體等。

其中N型鍺容易加工，其霍爾常數、温度性能、輸出線性都較好，應用非常普遍銻化銦元件由於在高温時霍爾常數大，所以輸出較大，但對温度最敏感，尤其在低温範圍內温度係數大；砷化銦的霍爾常數較小，温度係數也較小，輸出線性好；砷化鎵的温度特性和輸出線性好，是較理想的材料，但價格較貴。不同材料適用於不同場合，銻化銦適用於作為敏感元件，鍺和砷化銦霍爾元件適用於測量指示儀表。 ^[2] 

霍爾元件的外形如下圖所示，它是由霍爾片、4根引線和殼體組成。霍爾片是一塊矩形半導體單晶薄片（一般為4mm×2mm×0.1mm），在它的長度方向兩端面上焊有a、b兩根引線，稱為控制電流端引線，通常用紅色導線。其焊接處稱為控制電流極（或稱激勵電流），要求焊接處接觸電阻很小，並呈純電阻，即歐姆接觸（無PN結特性）。在薄片的另兩側端面的中間以點的形式對稱地焊有c、d兩根霍爾輸出引線，通常用綠色導線。其焊接處稱為霍爾電極，要求歐姆接觸，且電極寬度與基片長度之比小於0.1，否則影響輸出。霍爾元件的殼體上用非導磁金屬、陶瓷或環氧樹脂封裝。圖（b）為霍爾元件結構示意圖，圖（c）是霍爾元件符號。

目前，最常用的霍爾元件材料是鍺（Ge）、硅（Si）、銻化銦（InSb）、砷化銦（lnAs）和不同比例亞砷酸銦和磷酸銦組成的ln型固熔體等半導體材料。值得一提的是，20世紀80年代末出現了一種新型霍爾元件——超晶格結構（砷化鋁/砷化鎵）的霍爾器件，它可以用來測10-T的微磁場。可以説，超晶格霍爾元件是霍爾元件的一個質的飛躍。 ^[3] 

霍爾元件應用霍爾效應的半導體。

所謂霍爾效應，是指磁場作用於載流金屬導體、半導體中的載流子時，產生橫向電位差的物理現象。金屬的霍爾效應是1879年被美國物理學家霍爾發現的。當電流通過金屬箔片時，若在垂直於電流的方向施加磁場，則金屬箔片兩側面會出現橫向電位差。半導體中的霍爾效應比金屬箔片中更為明顯，而鐵磁金屬在居里温度以下將呈極強的霍爾效應。

利用霍爾效應可以設計製成多種傳感器。霍爾電位差UH的基本關係為：

式中 R_H――霍爾係數；n――單位體積內載流子或自由電子的個數；q――電子電量；I――通過的電流；B――垂直於I的磁感應強度；d――導體的厚度。

對於半導體和鐵磁金屬，霍爾係數表達式和式（2）不同。

由於通電導線周圍存在磁場，其大小和導線中的電流成正比，故可以利用霍爾元件測量出磁場，就可確定導線電流的大小。利用這一原理可以設計製成霍爾電流傳感器。其優點是不和被測電路發生電接觸，不影響被測電路，不消耗被測電源的功率，特別適合於大電流傳感。

若把霍爾元件置於電場強度為E、磁場強度為H的電磁場中，則在該元件中將產生電流I，元件上同時產生的霍爾電位差和電場強度E成正比，如果再測出該電磁場的磁場強度，則電磁場的功率密度瞬時值P可由

確定。

利用這種方法可以構成霍爾功率傳感器。

如果把霍爾元件集成的開關按預定位置有規律地佈置在物體上，當裝在運動物體上的永磁體經過它時，可以從測量電路上測得脈衝信號。根據脈衝信號列可以傳感出該運動物體的位移。若測出單位時間內發出的脈衝數，則可以確定其運動速度。

1、霍爾係數R_H（又稱霍爾常數）

在磁場不太強時，霍爾電勢差U_H與激勵電流I和磁感應強度B的乘積成正比，與霍爾片的厚度δ成反比，即

，式中的R_H稱為霍爾係數，它表示霍爾效應的強弱。 另

即霍爾常數等於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K_H（又稱霍爾乘積靈敏度）

霍爾靈敏度與霍爾係數成正比而與霍爾片的厚度δ成反比，即

，它通常可以表徵霍爾常數。

當霍爾元件自身温升10℃時所流過的激勵電流稱為額定激勵電流。

以霍爾元件允許最大温升為限制所對應的激勵電流稱為最大允許激勵電流。

霍爾激勵電極間的電阻值稱為輸入電阻。

霍爾輸出電極間的電阻值稱為輸出電阻。

在不施加磁場的條件下，環境温度每變化1℃時，電阻的相對變化率，用α表示，單位為%/℃。

8、霍爾不等位電勢（又稱霍爾偏移零點）

在沒有外加磁場和霍爾激勵電流為I的情況下，在輸出端空載測得的霍爾電勢差稱為不等位電勢。

在外加磁場和霍爾激勵電流為I的情況下，在輸出端空載測得的霍爾電勢差稱為霍爾輸出電壓。

霍爾不等位電勢與霍爾輸出電勢的比率

在外加磁場為零、霍爾元件用交流激勵時，霍爾電極輸出除了交流不等位電勢外，還有一直流電勢，稱寄生直流電勢。

在沒有外加磁場和霍爾激勵電流為I的情況下，環境温度每變化1℃時，不等位電勢的相對變化率。

在外加磁場和霍爾激勵電流為I的情況下，環境温度每變化1℃時，不等位電勢的相對變化率。它同時也是霍爾係數的温度係數。

霍爾元件工作時功耗每增加1W，霍爾元件升高的温度值稱為它的熱阻，它反映了元件散熱的難易程度，

按照霍爾元件的功能可將它們分為： 霍爾線性器件和霍爾開關器件 。前者輸出模擬量，後者輸出數字量。

按被檢測的對象的性質可將它們的應用分為：直接應用和間接應用。前者是直接檢測出受檢測對象本身的磁場或磁特性，後者是檢測受檢對象上人為設置的磁場，用這個磁場來作被檢測的信息的載體，通過它，將許多非電、非磁的物理量例如力、力矩、壓力、應力、位置、位移、速度、加速度、角度、角速度、轉數、轉速以及工作狀態發生變化的時間等，轉變成電量來進行檢測和控制。

按照霍爾開關的感應方式可將它們分為：單極性霍爾開關、雙極性霍爾開關、全極性霍爾開關。

單極性霍爾開關的感應方式：磁場的一個磁極靠近它，輸出低電位電壓（低電平）或關的信號，磁場磁極離開它輸出高電位電壓（高電平）或開的信號，但要注意的是，單極性霍爾開關它會指定某磁極感應才有效，一般是正面感應磁場S極，反面感應N極。

雙極性霍爾開關的感應方式：因為磁場有兩個磁極N、S（正磁或負磁），所以兩個磁極分別控制雙極性霍爾開關的開和關（高低電平），它一般具有鎖定的作用，也就是説當磁極離開後，霍爾輸出信號不發生改變，直到另一個磁極感應。另外，雙極性霍爾開關的初始狀態是隨機輸出，有可能是高電平，也有可能是低電平。

全極性霍爾開關的感應方式：全極性霍爾開關的感應方式與單極性霍爾開關的感應方式相似，區別在於，單極性霍爾開關會指定磁極，而全極性霍爾開關不會指定磁極，任何磁極靠近輸出低電平信號，離開輸出高電平信號。

線性霍爾元件是一種模擬信號輸出的磁傳感器，輸出電壓隨輸入的磁力密度線性變化。

線性霍爾效應傳感器 IC 的電壓輸出會精確跟蹤磁通密度的變化。在靜態（無磁場）時，從理論上講，輸出應等於在工作電壓及工作温度範圍內的電源電壓的一半。增加南極磁場將增加來自其靜態電壓的電壓。相反，增加北極磁場將增加來自其靜態電壓的電壓。這些部件可測量電流的角、接近性、運動及磁通量。它們能夠以磁力驅動的方式反映機械事件。