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霍爾器件

Hall element

UH=-RHBzIx/d

式中Ix為從電極1到電極2的電流;d為試件厚度;RH為比例系數(shù)(稱霍爾系數(shù))。霍爾系數(shù)與試件中載流子濃度有關(guān)。

式中n為試件中導(dǎo)電載流子濃度;q為電子的電荷�；魻栂禂�(shù)的符號(hào)決定于試件中載流子是帶正電荷或負(fù)電荷。

霍爾器件除矩形外,還有十字形、方形、四葉苜蓿葉形和其他更復(fù)雜的形狀(圖2)。形狀不同,試件中電勢(shì)分布也不同。霍爾電極的焊點(diǎn)占一定面積,也影響電勢(shì)分布。為此引進(jìn)一個(gè)形狀因子K

UH=-KRHIxBz/d

在電極1,2間加恒定電壓Ui,霍爾電動(dòng)勢(shì)的表達(dá)式可變換成

UH=(UiμB)(Kw/l)

式中 Ui為兩個(gè)電流電極之間的電壓;μ為試件中載流子遷移率;w和l分別為試件的寬度和長度。恒定電壓下電極3和4之間的電壓也與磁場強(qiáng)度成正比。

實(shí)際上,用霍爾器件測(cè)量磁場強(qiáng)度時(shí),是用恒定電流法還是用恒定電壓法,要考慮多方面的因素,如磁場強(qiáng)度和霍爾電壓間的線性誤差、靈敏度的溫度系數(shù)、同樣工藝條件制造的器件的性能分散程度等。

用霍爾器件測(cè)量磁場強(qiáng)度的特點(diǎn)是:器件很小很扁(可以放在窄縫中),有很高的準(zhǔn)確度、靈敏度和穩(wěn)定性,還有很寬的工作溫度范圍。

已知試件的尺寸、磁場強(qiáng)度和電流,測(cè)量霍爾電動(dòng)勢(shì)即可求得試件的載流子濃度。載流子濃度是半導(dǎo)體材料的一個(gè)重要參量。在不同溫度下測(cè)量霍爾系數(shù)可以得到試件中載流子濃度和溫度的關(guān)系。這是了解半導(dǎo)體材料的基本性質(zhì)的一個(gè)重要方法。在給定的電流強(qiáng)度下,產(chǎn)生的霍爾電動(dòng)勢(shì)與磁場強(qiáng)度成正比。可以利用這一原理來測(cè)量磁場強(qiáng)度。

如果磁場由電磁鐵產(chǎn)生(圖3),磁場強(qiáng)度與電流強(qiáng)度IB成比例,在磁場中的霍爾器件產(chǎn)生的霍爾電壓與兩個(gè)電流的乘積IxIB成比例,因此可以利用霍爾效應(yīng)制成乘法器。乘法器有許多用途,除進(jìn)行乘法運(yùn)算外,還可以用作調(diào)制器、除法器、功率計(jì)等。

圖4是利用霍爾器件測(cè)量幾千安培以上的大電流的方法。圖4中1是通過大電流導(dǎo)體的截面,2是兩塊磁性材料,在兩個(gè)空氣隙中放有霍爾器件3。用霍爾器件測(cè)量磁性材料中的磁感應(yīng)強(qiáng)度。此法特別適用于測(cè)量大直流電流強(qiáng)度。

用永久磁鐵作為不消耗能源的"發(fā)射機(jī)",用霍爾器件作為"接收機(jī)"。將它們分別粘在兩個(gè)物體上,則可測(cè)量兩個(gè)物體的相對(duì)位置。

還可以利用霍爾效應(yīng)制作旋轉(zhuǎn)器、單向器和環(huán)行器。這類器件使信號(hào)沿單一方向傳輸,而不能沿相反的方向傳輸。

制造霍爾器件的半導(dǎo)體材料主要是鍺、硅、砷化鎵、砷化銦、銻化銦等。一般用N型材料,因?yàn)殡娮舆w移率比空穴的大得多,器件可以有較高的靈敏度。有的材料的禁帶寬度很窄,工作的溫度范圍小。除了用整塊半導(dǎo)體材料做霍爾器件外,還可以用薄膜制作霍爾器件。在絕緣襯底上淀積薄膜或用外延或離子注入等方法在高電阻率的半導(dǎo)體襯底上制造一層厚度為微米量級(jí)的薄膜。用離子注入或處延法制造的砷化鎵霍爾器件在很寬的磁場強(qiáng)度范圍內(nèi)有很好的線性關(guān)系,并且能在很寬的溫度范圍內(nèi)穩(wěn)定地工作。用硅外延或離子注入方法制作的薄膜霍爾器件可以和集成電路工藝兼容。將霍爾器件和差分放大器及其他電路做在一個(gè)硅片上,可以縮小尺寸、提高靈敏度、減小失調(diào)電壓,便于大量生產(chǎn)。

在轎車電路上經(jīng)常可以看到"霍爾"(Hall)這個(gè)名稱,例如桑塔納2000點(diǎn)火系統(tǒng)就有一只霍爾傳感器,專門給發(fā)動(dòng)機(jī)電控單元(ECU)提供電壓信號(hào)。那么霍爾器件起到什么作用呢? 這里涉及一個(gè)"霍爾效應(yīng)"的問題,霍爾效應(yīng)在應(yīng)用技術(shù)中特別重要。霍爾發(fā)現(xiàn),如果對(duì)位于磁場(B)中的導(dǎo)體(d)施加一個(gè)電壓(Iv),該磁場的方向垂直于所施加電壓的方向,那么則在既與磁場垂直又和所施加電流方向垂直的方向上會(huì)產(chǎn)生另一個(gè)電壓(UH),人們將這個(gè)電壓叫做霍爾電壓,產(chǎn)生這種現(xiàn)象被稱為霍爾效應(yīng)。

根據(jù)霍爾效應(yīng)做成的霍爾器件,就是以磁場為工作媒體,將物體的運(yùn)動(dòng)參量轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字電壓的形式輸出,使之具備傳感和開關(guān)的功能。 迄今為止,已在現(xiàn)代汽車上廣泛應(yīng)用的霍爾器件有:在分電器上作信號(hào)傳感器、ABS系統(tǒng)中的速度傳感器、汽車速度表和里程表、液體物理量檢測(cè)器、各種用電負(fù)載的電流檢測(cè)及工作狀態(tài)診斷、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速及曲軸角度傳感器、各種開關(guān),等等。 例如汽車點(diǎn)火系統(tǒng),設(shè)計(jì)者將霍爾傳感器放在分電器內(nèi)取代機(jī)械斷電器,用作點(diǎn)火脈沖發(fā)生器。這種霍爾式點(diǎn)火脈沖發(fā)生器隨著轉(zhuǎn)速變化的磁場在帶電的半導(dǎo)體層內(nèi)產(chǎn)生脈沖電壓,控制電控單元(ECU)的初級(jí)電流。相對(duì)于機(jī)械斷電器而言,霍爾式點(diǎn)火脈沖發(fā)生器無磨損免維護(hù),能夠適應(yīng)惡劣的工作環(huán)境,還能精確地控制點(diǎn)火正時(shí),能夠較大幅度提高發(fā)動(dòng)機(jī)的性能,具有明顯的優(yōu)勢(shì)。 用作汽車開關(guān)電路上的功率霍爾電路,具有抑制電磁干擾的作用。

許多人都知道,轎車的自動(dòng)化程度越高,微電子電路越多,就越怕電磁干擾。而在汽車上有許多燈具和電器件,尤其是功率較大的前照燈、空調(diào)電機(jī)和雨刮器電機(jī)在開關(guān)時(shí)會(huì)產(chǎn)生浪涌電流,使機(jī)械式開關(guān)觸點(diǎn)產(chǎn)生電弧,產(chǎn)生較大的電磁干擾信號(hào)。采用功率霍爾開關(guān)電路可以減小這些現(xiàn)象。 霍爾器件通過檢測(cè)磁場變化,轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)輸出,可用于監(jiān)視和測(cè)量汽車各部件運(yùn)行參數(shù)的變化。例如位置、位移、角度、角速度、轉(zhuǎn)速等等,并可將這些變量進(jìn)行二次變換;可測(cè)量壓力、質(zhì)量、液位、流速、流量等�；魻柶骷�輸出量直接與電控單元接口,可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)檢測(cè)�；魻柶骷�都可承受一定的振動(dòng),可在零下40℃到零上150℃范圍內(nèi)工作,全部密封不受水油污染,完全能夠適應(yīng)汽車的惡劣工作環(huán)境。