【文章內(nèi)容簡介】 I 和磁感應(yīng)強(qiáng)度 B 成正比，與板的厚度 d 成反比，即 dIBRVHH ? (37) 或 IBKV HH ? (38) 式（ 37）中 RH稱為霍爾系數(shù)，式（ 38）中 KH稱為霍爾元件的靈敏度，單位為mv / (mA T)。產(chǎn)生霍爾效應(yīng)的原因是形成電流的作定向運(yùn)動的帶電粒子即載流子（ N 型半導(dǎo)體中的載流子是帶負(fù)電荷的電子， P 型半導(dǎo)體中的載流子是帶正電荷的空穴）在磁場中所受到的洛侖茲力作用而產(chǎn)生的。 如圖 34（ a）所示，一塊 長為 l、寬為 b、厚為 d 的 N 型單晶薄片，置于沿Z 軸方向的磁 B 中，在 X 軸方向通以電流 I，則其中的載流子 —— 電子所受到的洛侖茲力為 je V BBVeBVqF m ?????? ??????? (39) 式中 V? 為電子的漂移運(yùn)動速度，其方向沿 X 軸的負(fù)方向。 e 為電子的電荷量。 mF? 指向 Y 軸的負(fù)方向。自由電子受力偏轉(zhuǎn)的結(jié)果，向 A 側(cè)面積聚，同時在B 側(cè)面上出現(xiàn)同數(shù)量的正電荷，在兩側(cè)面間形成一個沿 Y 軸負(fù)方向上的橫向電場 HE? （即霍爾電場），使運(yùn)動電子受到一個沿 Y 軸正方向的電場力 eF? ， A、 B 面之間的電位差為 HV （即霍爾電壓），則 jbVejeEEeEqF HHHHe ????? ????? (310) 將阻礙電荷的積聚，最后達(dá)穩(wěn)定狀態(tài)時有 吉林建筑工程學(xué)院電子信息科學(xué)與技術(shù)專業(yè)畢業(yè)論文 12 0?? em FF ?? 0??? jbVeje V B H ?? 即 bVeeVB H? 得 VBbVH ? (311) 此時 B 端電位高于 A 端電位。 若 N 型單晶中的電子濃度為 n，則流過樣片橫截面的電流 I=nebdV 得 nebdIV? (312) 將 ()式代入 ()式得 IBKdIBRIBne dV HHH ??? 1 (313) 式中 neRH 1? 稱為霍爾系數(shù)，它表示材料產(chǎn)生霍爾效應(yīng)的本領(lǐng)大小； nedKH 1? 稱為霍爾元件的靈敏度，一般地說， KH愈大愈好，以便獲得較大的霍爾電壓 VH。因 KH和載流子濃度 n 成反比，而半導(dǎo)體的載流子濃度遠(yuǎn)比金屬的載流子濃度小，所以采用半導(dǎo)體材料作霍爾元件 靈敏度較高。又因 KH和樣品厚度 d 成反比，所以霍爾片都切得很薄，一般 d≈ 。 上面討論的是 N 型半導(dǎo)體樣品產(chǎn)生的霍爾效應(yīng)， B 側(cè)面電位比 A 側(cè)面高；對于 P 型半導(dǎo)體樣品，由于形成電流的載流子是帶正電荷的空穴，與 N 型半導(dǎo)體的情況相反， A 側(cè)面積累正電荷， B 側(cè)面積累負(fù)電荷，如圖 34（ b）所示，此時， A 側(cè)面電位比 B 側(cè)面高。由此可知，根據(jù) A、 B 兩端電位的高低，就可以判斷半導(dǎo)體材料的導(dǎo)電類型是 P 型還是 N 型。 由（ 313）式可知，如果霍爾元件的靈敏度 RH 已知，測得了控制電流 I 和產(chǎn)生的霍爾電壓 VH，則可測定霍爾元件所在處 的磁感應(yīng)強(qiáng)度為： HHIKVB? 高斯計就是利用霍爾效應(yīng)來測定磁感應(yīng)強(qiáng)度 B 值的儀器。它是選定霍爾元件，即 KH 已確定，保持控制電流 I 不變，則霍爾電壓 VH 與被測磁感應(yīng)強(qiáng)度 B成正比。如按照霍爾電壓的大小，預(yù)先在儀器面板上標(biāo)定出高斯刻度，則使用時 第 3 章 系統(tǒng)硬件設(shè)計 13 由指針示值就可直接讀出磁感應(yīng)強(qiáng)度 B 值。 由（ 313）式知 IBdVR HH ? 因此將待測的厚度為 d 的半導(dǎo)體樣品，放在均勻磁場中，通以控制電流 I，測出霍爾電壓 VH，再用高斯計測出磁感應(yīng)強(qiáng)度 B 值，就可測定樣品的霍爾系數(shù)RH。又因 neRH 1? （或 pe1 ） ，故可以通過測定霍爾系數(shù)來確定半導(dǎo)體材料的載流子濃度 n（或 p）（ n 和 p 分別為電子濃度和空穴濃度）。 嚴(yán)格地說，在半導(dǎo)體中載流子的漂移運(yùn)動速度并不完全相同，考慮到載流子速度的統(tǒng)計分布，并認(rèn)為多數(shù)載流子的濃度與遷移率之積遠(yuǎn)大于少數(shù)載流子的濃度與遷移率之積，可得半導(dǎo)體霍爾系數(shù)的公式中還應(yīng)引入一個霍爾因子 rH，即 )( pernerR HHH 或? 普通物理實(shí)驗中常用 N 型 Si、 N 型 Ge、 InSb 和 InAs 等半導(dǎo)體材料的霍爾元件在室溫下測量，霍爾因子 ?? ?Hr ，所以 ： neRH 183?? 式中， ???e 庫侖 霍爾元件 霍爾元件是一種基于霍爾效應(yīng)的磁傳感器，已發(fā)展成一個品種多樣的磁傳感器產(chǎn)品族，并已得到廣泛應(yīng)用?；魻栐且环N磁傳感器。要他們可以檢測磁場及其變化，可以在各種與磁場有關(guān)的場合中。霍爾器件以霍爾效應(yīng)為其工作基礎(chǔ)。 霍爾 器件 具有許多優(yōu)點(diǎn)，他們的結(jié)構(gòu)牢固，體積小，重量輕，壽命長，安裝方便，功耗小，頻率高（可達(dá) 1MHZ），耐震動，不怕灰塵、水汽及煙霧等污染或腐蝕。 霍爾線性器件的精度高、線性度好；霍爾開關(guān)器件無觸點(diǎn)、無磨損、輸出波形清晰、無抖動、 無回調(diào)、位置重復(fù)精度高（可達(dá) um 級）。采用了各種補(bǔ)償措施的霍爾器件的工作溫度范圍廣，可達(dá) 55150 度。 按照霍爾器件的功能可將他們分為：霍爾線性器件和霍爾開關(guān)器件。前者輸吉林建筑工程學(xué)院電子信息科學(xué)與技術(shù)專業(yè)畢業(yè)論文 14 出模擬量，后者輸出數(shù)字量。 按被檢測的對象的性質(zhì)可將它們分為：直接應(yīng)用和間接應(yīng)用。前者是直接檢測出被測對象本身的磁場或磁特性，后者是檢測被檢測對象上人為設(shè)置的磁場，用這個磁場作為被檢測信息的載體，通過它，將許多非電、非磁的物理量例如力、力矩、壓力、應(yīng)力、位置、位移、加速度、角度、角速度、轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)數(shù)以及工作狀態(tài)發(fā)生變化的時間等，轉(zhuǎn)換成電量來 進(jìn)行檢測和控制。 集成霍爾傳感器是利用硅集成電路工藝將霍爾元件和測量線路集成在一起的一種傳感器。它取消了傳感器和測量電路之間的界限，實(shí)現(xiàn)了材料、元件、電路三位一體。集成霍爾傳感器與分立相比，由于減少了焊點(diǎn)，因此顯著地提高了可靠性。此外，它具有體積小、重量輕、功耗低等優(yōu)點(diǎn)，正越來越愛到眾的重視。集成霍爾傳感器的輸出是經(jīng)過處理的霍爾輸出信號。按照輸出信號的形式，可以分為開關(guān)型集成霍爾傳感器和線性集成霍爾傳感器兩種類型。 開關(guān)型集成霍爾傳感器是把霍爾元件的輸出經(jīng)過處理后輸出一個高電平或低電平的數(shù)字信號。 霍爾 開關(guān)電路又稱霍爾數(shù)字電路，由穩(wěn)壓器、霍爾片、差分放大器，施密特觸發(fā)器和輸出級組成。 霍爾元件的應(yīng)用 使用霍爾器件檢測磁場的方法極為簡單，將霍爾器件做成各種形式的探頭，放在被測磁場中，因霍爾器件只對垂直于霍爾片表面的磁感應(yīng)強(qiáng)度敏感，因而必須令磁力線和器件表面垂直，通電后即可由輸出電壓得到被測磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度。若不垂直，則應(yīng)求出其垂直分量來計算被測磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度值。而且，因霍爾元件的尺寸極小，可以進(jìn)行多點(diǎn)檢測，由 單片 機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，可以得到場的分布狀態(tài)，并可對狹縫，小孔中的磁場進(jìn)行檢測用磁場作為被 傳感物體的運(yùn)動和位置信息載體時，一般采用永久磁鋼來產(chǎn)生工作磁場。例如，用一個 5 4（ mm3）的釹鐵硼Ⅱ號磁鋼，就可在它的磁極表面上得到約 2300 高斯的磁感應(yīng)強(qiáng)度。在空氣隙中，磁感應(yīng)強(qiáng)度會隨距離增加而迅速下降。為保證霍爾器件，尤其是霍爾開關(guān)器件的可靠工作，在應(yīng)用中要考慮有效工作氣隙的長度。在計算總有效工作氣隙時，應(yīng)從霍爾片表面算起。在封裝好的霍爾電路中，霍爾片的深度在產(chǎn)品手冊中會給出 。 因為霍爾器件需要工作電源，在作運(yùn)動或位置傳感時，一般令磁體隨被檢測物體運(yùn)動，將霍爾器件固定在工作系統(tǒng)的適當(dāng)位置，用它去檢測工作磁場，再從檢測結(jié)果中提取被檢信息。 UGN3144 霍爾開關(guān)元件 1． UGN3144 霍爾開關(guān)元件的工作原理 第 3 章 系統(tǒng)硬件設(shè)計 15 UGN3144 霍爾開關(guān)元件屬于開關(guān)型霍爾傳感器（集成霍爾開關(guān)），它是把霍爾片產(chǎn)生的霍爾電壓 VH放大后驅(qū)動觸發(fā)電路，輸出電壓是能反映 B 的變化的方脈沖。集成霍爾開關(guān)由穩(wěn)壓器、霍爾電勢發(fā)生器（即硅霍爾片）、差分放大器、施密特觸發(fā)器和 OC 門輸出五個基本部分組成。在輸入端（ 2 之間）輸入電壓 Vcc，經(jīng)穩(wěn)壓器穩(wěn)壓后加在霍爾發(fā)生器的兩電流端。根據(jù)霍爾效應(yīng)原理，當(dāng)霍爾片處于磁場中時，霍爾發(fā)生器的兩電壓端將會有一個霍爾電勢差 VH 輸出。 VH 經(jīng)放大器放大以后送至施密特觸發(fā)器整形，使其成為方波輸送到 OC 門輸出。 穩(wěn)壓霍爾片施密特觸發(fā)器+輸出1232Vcc差分放大器 圖 35 開關(guān)型霍爾傳感器的原理 當(dāng)外磁場 B 達(dá)到 “工作點(diǎn) ”Bop 時，觸發(fā)器輸出高電平（相對于地電位），三極管導(dǎo)通，此時， OC 門輸出端輸出低電平，通常稱這種狀態(tài)為 “開 ”；當(dāng)外磁場B 達(dá)到 “釋放點(diǎn) ”Brp 時，觸發(fā)器輸出低電平，三極管截止， OC 門輸出高電平，這時稱其為 “關(guān) ”狀態(tài)。 Bop 與 Brp 是有一定差值的，此差值 BH=BopBrp 稱為霍爾開關(guān)的磁滯。 B 的變化不超過 BH，霍爾開關(guān)不翻轉(zhuǎn)，這就使得開關(guān)輸出穩(wěn)定可靠。集成霍爾開關(guān)傳感器的輸出特性如圖 (36)。 V 0 /V 12 9 6 3 B / mT 0 5 10 15 20 釋放點(diǎn) (O FF ) 工作點(diǎn) ( O N ) 圖 36 開關(guān)型霍爾傳感器的輸出特性 2． UGN3144 主要技術(shù)性能與特點(diǎn) Allegro MicroSystems 公司生產(chǎn)的 UGN 3144 器件是雙極性磁場即 N,S 交變吉林建筑工程學(xué)院電子信息科學(xué)與技術(shù)專業(yè)畢業(yè)論文 16 場磁啟動的霍爾開關(guān)電路，它的主要性能特點(diǎn)如下： （ 1） 電源電壓為 —24V； （ 2） 連續(xù)輸出電流為 25MA。 （ 3） 磁通密度不受限制，輸出關(guān)斷電壓為 25V； （ 4） 具有反向電壓保護(hù)（反向電壓為 35V）和極好的溫度穩(wěn)定性； （ 5） 工作溫度為 20 到 85 攝氏度或者是 40 到 25℃ 。 3． UGN3144 霍爾開關(guān)元件的引腳功能和封裝形式 UGN3144 采用 SOT89 或者 TO243 封裝。其中，引腳端 1 為電源正端，引腳端 2 為接地，引腳端 3 為輸出（ OC 形式）。 GND OUTVCC 圖 37 UGN3144 的封裝結(jié)構(gòu) 4． UGN3144 霍爾開關(guān)元件在測量系統(tǒng)中的設(shè)計 UGN3144 霍爾開關(guān)元件芯片內(nèi)部包含有穩(wěn)壓電路，霍爾效應(yīng)電壓產(chǎn)生 電路，信號放大器，施密特觸發(fā)器和一個集電極開路輸出電路。集電極開路輸出電路可連續(xù)輸出 25MA 電流，可直接控制繼電器，雙向可控硅，可控硅， LED 和燈負(fù)載。其具有輸出自舉電路，也可直接與雙極型和 MOS 邏輯電路連接。 轉(zhuǎn)速測量是開關(guān)型霍爾元件的典型應(yīng)用， UGN3144 霍爾開關(guān)元件感應(yīng)被測量量的轉(zhuǎn)速，當(dāng)被測量量每轉(zhuǎn)動一周，霍爾傳感器便輸出一個脈沖，因為該器件為集電極開路輸出，故輸出端加接一上拉電阻，其電壓電壓范圍寬達(dá) V 到 24 V，對磁感應(yīng)強(qiáng)度 B 要求不嚴(yán)，其輸出電壓經(jīng) 9012 后可提高其負(fù)載能力。其具體電路圖如 38 所示： 第 3 章 系統(tǒng)硬件設(shè)計 17 UGN3144 霍爾開關(guān)123R1R210KR3 T19012+5VGNDVCCOUT單片機(jī) 圖 38 UGN3144 霍爾開關(guān)元件與單片機(jī)的連接電路 單片機(jī)及其接口的設(shè)計 STC89C51 單片機(jī)的簡介 單片機(jī)我們采用 STC89C51(其引腳圖如圖 39)，相較于 INTEL 公司的 8051它本身帶有一定的優(yōu)點(diǎn)。 STC89C51 是一種帶 4K 字節(jié)閃爍 可編程可擦除只讀存貯器 （ FPEROM—Falsh Programmable and Erasable Read Only Memory）的低電壓，高性能 CMOS 8 位微處理器，俗稱單片機(jī)。該器件采用 ATMEL 高密度非易失存儲 器制造技術(shù)制造，與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的 MCS51 指令集和輸出管腳相兼容。由于將多功能 8 位 CPU 和閃爍存儲器組合在單個芯片中， ATMEL 的 STC89C51 是一種