什么是霍尔元件

霍尔元件的定义

霍尔器件是一种磁传感器。用它们可以检测磁场及其变化，可在各种与磁场有关的场合中使用。霍尔器件以霍尔效应为其工作基础。霍尔器件具有许多优点，它们的结构牢固，体积小，重量轻，寿命长，安装方便，功耗小，频率高（可达1MHZ），耐震动，不怕灰尘、油污、水汽及盐雾等的污染或腐蚀。

霍尔元件是一种基于霍尔效应的磁传感器,已发展成一个品种多样的磁传感器产品族，并已得到广
泛的应用。

霍尔线性器件的精度高、线性度好；霍尔开关器件无触点、无磨损、输出波形清晰、无抖动、无回跳、位置重复精度高（可达μm 级）。取用了各种补偿和保护措施的霍尔器件的工作温度范围宽，可达－55℃～150℃。按照霍尔器件的功能可将它们分为: 霍尔线性器件 和 霍尔开关器件 。前者输出模拟量，后者输出数字量。按被检测的对象的性质可将它们的应用分为:直接应用和间接应用。前者是直接检测出受检测对象本身的磁场或磁特性，后者是检测受检对象上人为设置的磁场，用这个磁场来作被检测的信息的载体，通过它，将许多非电、非磁的物理量例如力、力矩、压力、应力、位置、位移、速度、加速度、角度、角速度、转数、转速以及工作状态发生变化的时间等，转变成电量来进行检测和控制。

霍尔效应
如图1 所示，在一块通电的半导体薄片上，加上和片子表面垂直的磁场B，在薄片的横向两侧会出现一个电压，如图1 中的VH，这种现象就是霍尔效应，是由科学家爱德文·霍尔在1879 年发现的。VH 称为霍尔电压。

（a）霍尔效应和霍尔元件
这种现象的产生，是因为通电半导体片中的载流子在磁场产生的洛仑兹力的作用下，分别向片子横向两侧偏转和积聚，因而形成一个电场，称作霍尔电场。霍尔电场产生的电场力和洛仑兹力相反，它阻碍载流子继续堆积，直到霍尔电场力和洛仑兹力相等。这时，片子两侧建立起一个稳定的电压，这就是霍尔电压。在片子上作四个电极，其中C1、C2 间通以工作电流I，C1、C2 称为电流电极，C3、C4 间取出霍尔电压VH，C3、C4 称为敏感电极。将各个电极焊上引线，并将片子用塑料封装起来，就形成了一个完整的霍尔元件（又称霍尔片）。

或(3)
在上述（1）、（2）、（3）式中VH 是霍尔电压，ρ 是用来制作霍尔元件的材料的电阻率，μn 是材料的电子迁移率，RH 是霍尔系数，l、W、t 分别是霍尔元件的长、宽和厚度，f(I/W)是几何修正因子，是由元件的几何形状和尺寸决定的，I 是工作电流，V 是两电流电极间的电压，P 是元件耗散的功率。由(1)～(3)式可见，在霍尔元件中，ρ、RH、μn 决定于元件所用的材料，I、W、t 和f(I/W)决定于元件的设计和工艺，霍尔元件一旦制成，这些参数均为常数。因此，式(1)～(3)就代表了霍尔元件的三种工作方式所得的结果。(1)式表示电流驱动，(2)式表示电压驱动，(3)式可用来评估霍尔片能承受的最大功率。

为了精确地测量磁场,常用恒流源供电,令工作电流恒定,因而,被测磁场的磁感应强度B 可用霍尔电压来量度。在一些精密的测量仪表中，还采用恒温箱，将霍尔元件置于其中，令RH 保持恒定。若使用环境的温度变化，常采用恒压驱动，因和RH 比较起来，μn 随温度的变化比较平缓，因而VH 受温度变化的影响较小。为获得尽可能高的输出霍尔电压VH，可加大工作电流，同时元件的功耗也将增加。(3)式表达了VH 能达到的极限——元件能承受的最大功耗。

霍尔器件

霍尔器件分为: 霍尔元件 和 霍尔集成电路 两大类，前者是一个简单的霍尔片，使用时常常需要将获得的霍尔电压进行放大。后者将霍尔片和它的信号处理电路集成在同一个芯片上。

霍尔元件
霍尔元件可用多种半导体材料制作，如Ge、Si、InSb、GaAs、InAs、InAsP 以及多层半导体异质结构量子阱材料等等。InSb 和GaAs 霍尔元件输出特性见图1(a)、图1(b).

（a）霍尔效应和霍尔元件          （b）InSb 霍尔元件的输出特性

(c)GaAs 霍尔元件的输出特性       图1 霍尔元件的结构和输出特性

霍尔元件的特性
　　1、霍尔系数（又称霍尔常数）RH
　　在磁场不太强时，霍尔电势差UH与激励电流I和磁感应强度B的乘积成正比，与霍尔片的厚度δ成反比，即UH =RH*I*B/δ，式中的RH称为霍尔系数，它表示霍尔效应的强弱。 另RH=μ*ρ即霍尔常数等于霍尔片材料的电阻率ρ与电子迁移率μ的乘积。
　　2、霍尔灵敏度KH（又称霍尔乘积灵敏度）
　　霍尔灵敏度与霍尔系数成正比而与霍尔片的厚度δ成反比，即KH=RH/δ，它通常可以表征霍尔常数。
　　3、霍尔额定激励电流
　　当霍尔元件自身温升10℃时所流过的激励电流称为额定激励电流。
　　4、霍尔最大允许激励电流
　　以霍尔元件允许最大温升为限制所对应的激励电流称为最大允许激励电流。
　　5、霍尔输入电阻
　　霍尔激励电极间的电阻值称为输入电阻。
　　6、霍尔输出电阻
　　霍尔输出电极间的电阻值称为输入电阻。
　　7、霍尔元件的电阻温度系数
　　在不施加磁场的条件下，环境温度每变化1℃时，电阻的相对变化率，用α表示，单位为%/℃。
　　8、霍尔不等位电势（又称霍尔偏移零点）
　　在没有外加磁场和霍尔激励电流为I的情况下，在输出端空载测得的霍尔电势差称为不等位电势。
　　9、霍尔输出电压
　　在外加磁场和霍尔激励电流为I的情况下，在输出端空载测得的霍尔电势差称为霍尔输出电压。
　　10、霍尔电压输出比率
　　霍尔不等位电势与霍尔输出电势的比率
　　11、霍尔寄生直流电势
　　在外加磁场为零、霍尔元件用交流激励时，霍尔电极输出除了交流不等位电势外，还有一直流电势，称寄生直流电势。
　　12、霍尔不等位电势
　　在没有外加磁场和霍尔激励电流为I的情况下，环境温度每变化1℃时，不等位电势的相对变化率。
　　13、霍尔电势温度系数
　　在外加磁场和霍尔激励电流为I的情况下，环境温度每变化1℃时，不等位电势的相对变化率。它同时也是霍尔系数的温度系数。
　　14、热阻Rth
　　霍尔元件工作时功耗每增加1W，霍尔元件升高的温度值称为它的热阻，它反映了元件散热的难易程度，
　　单位为： 摄氏度/w
　　无刷电机霍尔传感器AH44E
　　开关型霍尔集成元件，用于无刷电机的位置传感器。
　　引脚定义（有标记的一面朝向自己）：（左）电源正；（中）接地；（右）信号输出
　　体积(mm)：4.1*3.0*1.5
　　安装时注意减少应力与防静电.

霍尔元件及其应用