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入門:霍爾效應傳感器的工作原理及常見應用類型

2022-10-25
來源:硬件設計技術

  一、霍爾效應定義:

  霍爾效應(Hall effect):是指當固體導體放置在一個磁場內,且有電流通過時,導體內的電荷載子受到洛倫茲力而偏向一邊,繼而產生電壓(霍爾電壓)的現象。電壓所引致的電場力會平衡洛倫茲力。 霍爾效應產生之霍爾電壓一般可表達為:

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  其中,I 為流經導體的電流,B 為施加于導體的磁場,RH 為該導體材料的霍爾系數,d 為導體在磁場方向上的厚度。除導體外,半導體也能產生霍爾效應,而且半導體的霍爾效應要強于導體。

  ----維基百科

  二、霍爾效應傳感器

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  圖一:霍爾效應傳感器

  如圖一所示,霍爾效應傳感器基本上由一塊薄的矩形p型半導體材料組成,它們通過自身連續的電流。當器件放置在磁場中時,磁通線在半導體材料上施加力,該力使電荷載流子,電子和空穴偏轉到半導體板的任一側。電荷載流子的這種運動是它們經過半導體材料所經受的磁力的結果。當這些電子和空穴移動側邊時,通過這些電荷載流子的積累在半導體材料的兩側之間產生電位差。

  基本霍爾元件的輸出電壓(稱為霍爾電壓,(VH)與通過半導體材料的磁場強度(B)成正比 。這個輸出電壓可以非常小,即使受到強磁場也只有幾微伏,因此大多數商用霍爾效應器件都是通過內置直流放大器、邏輯開關電路和穩壓器制造的,以提高傳感器的靈敏度、滯后和輸出電壓,如圖二所示。這也使霍爾效應傳感器能夠在更廣泛的電源和磁場條件下工作。

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  圖二:基本霍爾元件系統框圖【開關型】

  三、常見應用類型

  3.1、霍爾效應傳感器的主要優點:

  3.1.1、準確度和精度:高精度鎖存器和開關提供非常嚴格的開關閾值(小至 ±1mT),而一些單軸和 3D 線性傳感器的精度水平低至 2.6%,以便為機械容差提供更大的余量。

  3.1.2、高靈敏度:一些霍爾效應傳感器能夠檢測小至 2 mT 的磁場。

  3.1.3、高帶寬:霍爾效應傳感器通常設計用于滿足應用的低功耗、低采樣要求或高帶寬、快速變化的磁場要求。

  3.1.4、寬電壓范圍:霍爾效應傳感器可以提供寬電壓范圍(有時從 1.65V 到 5.5V)

  3.2、常見的霍爾效應類型:

  3.2.1、線性霍爾類型:與磁通密度成正比的模擬或數字輸出信號,用于檢測絕對位置或角度運動。

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  3.2.2、開關類型:指示磁通密度是否超過簡單開/關(或打開和關閉)應用定義的閾值。

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  3.2.3、鎖存器類型:確定旋轉編碼的速度和方向以及電機換向的位置。

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