霍爾效應(yīng)傳感器根據(jù)磁場改變其輸出電壓。霍爾效應(yīng)器件用作接近傳感器以及定位、速度和電流檢測。它們廣泛用于電機(jī)控制系統(tǒng)。霍爾效應(yīng)傳感器是一種持久的解決方案，因?yàn)闆]有機(jī)械部件會(huì)隨著時(shí)間的推移而磨損。集成包減少了系統(tǒng)的大小和實(shí)現(xiàn)的相對復(fù)雜性。憑借多種可用于計(jì)算位置、速度和電流感測的技術(shù)解決方案，設(shè)計(jì)人員可以選擇最佳選項(xiàng)來實(shí)現(xiàn)他們的目標(biāo)。影響設(shè)計(jì)決策的關(guān)鍵要素包括成本、分辨率、精度、可靠性和上市時(shí)間要求。

霍爾效應(yīng)的檢驗(yàn)

霍爾效應(yīng)是當(dāng)流過導(dǎo)體(或半導(dǎo)體)的電流受到磁場影響時(shí)，通過導(dǎo)體(或半導(dǎo)體)的可測量電壓。在這些條件下，由于洛倫茲(電磁力)和電力的平衡，會(huì)產(chǎn)生與施加的電流垂直的橫向電壓。磁場會(huì)影響導(dǎo)體(或半導(dǎo)體)內(nèi)部流動(dòng)的移動(dòng)電荷。圖 1 顯示了在磁場中穿過半導(dǎo)體的電荷會(huì)發(fā)生什么。運(yùn)動(dòng)中的電子 (q) 受到朝向?qū)w一側(cè)的磁力，在另一側(cè)留下凈正電荷。這種電荷分離會(huì)產(chǎn)生一個(gè)電壓，稱為霍爾電壓。

霍爾電壓 (Vh) 垂直于電流流動(dòng)方向，由下式表示：

其中 J 是電流密度，Bz 是沿 z 方向的磁場，w 是圖 1 中的物理尺寸，Rh 是霍爾常數(shù)，如果多數(shù)載流子是電子，則為負(fù)值，如果多數(shù)載流子為正值載體是孔。載體速度是統(tǒng)計(jì)測量的結(jié)果，磁場的非線性效應(yīng)可以改變實(shí)驗(yàn)獲得的結(jié)果。因此，常數(shù)中包含一個(gè)修正項(xiàng)rh，通常取1到1.5之間的值。

圖 1：n 型方形封裝的霍爾效應(yīng)(尺寸 w × w)(圖片：Allegro MicroSystems)

霍爾效應(yīng)的一個(gè)基本特征是區(qū)分沿一個(gè)方向移動(dòng)的正電荷和沿相反方向移動(dòng)的負(fù)電荷。霍爾效應(yīng)器件產(chǎn)生淺信號電平，因此需要放大級。許多設(shè)備將傳感器芯片和高增益放大器電路集成到單個(gè)封裝中。

任何霍爾效應(yīng)檢測設(shè)備的設(shè)計(jì)都需要一個(gè)能夠響應(yīng)通過電子輸入接口檢測到的物理參數(shù)的磁性系統(tǒng)。霍爾效應(yīng)傳感器檢測磁場并根據(jù)電子系統(tǒng)的要求產(chǎn)生適當(dāng)轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)的模擬或數(shù)字信號。設(shè)計(jì)階段的目標(biāo)是定義構(gòu)成圖 2 所示檢測設(shè)備的四個(gè)塊中的每一個(gè)。

圖 2：霍爾效應(yīng)傳感器的設(shè)計(jì)布局

最近的技術(shù)進(jìn)步在單個(gè)封裝中進(jìn)一步增加了模數(shù)轉(zhuǎn)換器和 I2C 通信協(xié)議，用于直接連接到微控制器的 I/O 端口。

設(shè)備和應(yīng)用

霍爾效應(yīng)技術(shù)已經(jīng)在各種應(yīng)用中取代了許多傳統(tǒng)的測量技術(shù)，包括液位測量和電機(jī)控制。選擇合適的設(shè)備取決于精度水平和所需的檢查。

對于高精度應(yīng)用，線性設(shè)備可以與微處理器結(jié)合使用。線性設(shè)備提供絕對模擬位置作為來自霍爾元件的磁場變化的函數(shù)，而微處理器中的搜索算法解釋磁體的位置。選擇的線性設(shè)備取決于所需的精度。可能性包括來自 Allegro MicroSystems 的可編程 A132x 或 A138。

圖 3：APS12626 的框圖(圖片：Allegro)

Allegro垂直霍爾效應(yīng)技術(shù) (AVHT) 與傳統(tǒng)的平面霍爾效應(yīng)技術(shù)相結(jié)合，創(chuàng)造出可以在單個(gè)晶圓上進(jìn)行二維感應(yīng)的設(shè)備。Allegro 的 A1262 和 APS12626 輸出檢測到的正交信號，用于進(jìn)一步處理以確定目標(biāo)速度和方向(圖 3)。

審核編輯：湯梓紅