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霍尔效应传感器
一、工作原理
霍尔元件是利用霍尔效应制成的磁敏元件。若在图1所示的金属或半导体薄片两端通以电流I,并在薄片的垂直方向上施加磁感应强度为B的磁场,那么,在垂直于电流和磁场的方向上将产生电势UH(称为霍尔电动势或霍尔电压)。这种现象称为霍尔效应。
霍尔效应的产生是由于运动电荷受到磁场中洛伦兹力作用的结果。霍尔电势UH可用下式表示:
UH=RHIB/d    (V)
式中 RH——霍尔常数(m3C-1)
I——控制电流(A)
B——磁感应强度(T)
d——霍尔元件的厚度(m)
令  KH=RH/d(VA-1Wb-1m2)
则得到
UH=KHIB
由上式可知,霍尔电势的大小正比于控制电流I和磁感应强度B。KH称为霍尔元件的灵敏度,它与元件材料的性质与几何尺寸有关。为求得较大的灵敏度,一般采用RH大的N型半导体材料做霍尔元件,并且用溅射薄膜工艺可以使霍尔传感器的厚度d做得很小。
二、霍尔传感器的应用
自从霍尔效应被发现100多年以来,它的应用经历了三个阶段:
第一阶段是从霍尔效应的发现到20世纪40年代前期。最初,由于金属材料中的电子浓度很大,而霍尔效应十分微弱,所以没有引起人们的重视。这段时期也有人利用霍尔效应制成磁场传感器,但实用价值不大,到了1910年有人用金属铋制成霍尔元件,作为磁场传感器。但是,由于当时未找到更合适的材料,研究处于停顿状态。
第二阶段是从20世纪40年代中期半导体技术出现之后,随着半导体材料、制造工艺和技术的应用,出现了各种半导体霍尔元件,特别是锗的采用推动了霍尔元件的发展,相继出现了采用分立霍尔元件制造的各种磁场传感器、磁罗盘、磁头、电流传感器、非接触开关、接近开关、位置、角度、速度、加速度传感器、压力变送器、无刷直流电机以及各种函数发生器、运算器等,应用十分广泛。
第三阶段是自20世纪60年代开始,随着集成电路技术的发展,出现了将霍尔半导体元件和相关的信号调节电路集成在一起的霍尔传感器。进入20世纪80年代,随着大规模超大规模集成电路和微机械加工技术的进展,霍尔元件从平面向三维方向发展,出现了三端口或四端口固态霍尔传感器,实现了产品的系列化、加工的批量化、体积的微型化。霍尔集成电路出现以后,很快便得到了广泛应用。目前仅在汽车的电子系统中,使用霍尔IC的就有十几处。如点火控制、发动机速度检测、燃料喷射控制、底盘控制、门锁控制以及方位导航控制等。在工业控制中,则主要应用于位置、角度、转速、液流、电流等的测量。
除了己非常成熟的双极型霍尔IC外,应用CMOS和Si CMOS技术的霍尔产品业已广泛使用,MOS霍尔IC的功耗更低,功能更强。霍尔IC的种类较多,大致可分为霍尔线性IC和霍尔开关IC。前者的输出与磁场成正比,用于各种参量的测量:后者的输出为高、低电平两利,状态,常用于无刷电机和汽车点火装置中。此外,大功率的霍尔IC的应用也非常广泛,它将功率驱动级和各种保护电路集成到霍尔IC中,使得器件具有很强的驱动能力,它们可直接驱动无刷电动机,也常用在汽车中作开关器件。在实际使用中,经常将霍尔集成电路(有时也用霍尔元件)与永磁体、软磁材料等封装在一起,组成适用于特定应用场合的霍尔传感器组件。
三、国内外研究现状
目前,国内外关于霍尔传感器的研究,主要集中在以下几个方面: