【文章內(nèi)容簡介】 (313)式中稱為霍爾系數(shù)，它表示材料產(chǎn)生霍爾效應(yīng)的本領(lǐng)大?。环Q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)強度為：高斯計就是利用霍爾效應(yīng)來測定磁感應(yīng)強度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 由指針示值就可直接讀出磁感應(yīng)強度B值。由（313）式知 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)強度B值，就可測定樣品的霍爾系數(shù)RH。又因（或），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 普通物理實驗中常用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，所以： 式中，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。霍爾元件是一種磁傳感器。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?；魻柶骷曰魻栃?yīng)為其工作基礎(chǔ)?；魻柶骷哂性S多優(yōu)點，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、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，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，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?；魻栭_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)強度值。而且，因霍爾元件的尺寸極小，可以進(jìn)行多點檢測，由單片機進(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54（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)強度。在空氣隙中，磁感應(yīng)強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，在作運動或位置傳感時，一般令磁體隨被檢測物體運動，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。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”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”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)。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Allegro MicroSystems 公司生產(chǎn)的UGN 3144 器件是雙極性磁場即N,S交變場磁啟動的霍爾開關(guān)電路，它的主要性能特點如下：（1）—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）。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， V到24 V，對磁感應(yīng)強度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：圖38 UGN3144霍爾開關(guān)元件與單片機的連接電路 單片機及其接口的設(shè)計 AT89C51單片機的簡介單片機我們采用AT89C51(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。AT89C51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。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AT89C51是一種高效微控制器， AT89C單片機為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價廉的方案。圖39 AT89C51引腳圖主要特性：與MCS51 兼容4K字節(jié)可編程閃爍存儲器 壽命：1000寫/擦循環(huán)數(shù)據(jù)保留時間：10年全靜態(tài)工作：0Hz24Hz三級程序存儲器鎖定128*8位內(nèi)部RAM32可編程I/O線兩個16位定時器/計數(shù)器5個中斷源 可編程串行通道低功耗的閑置和掉電模式片內(nèi)振蕩器和時鐘電路管腳說明：：供電電壓；：接地；：P0口為一個8位漏極開路雙向I/O口，每腳可吸收8TTL門電流。當(dāng)P1口的管腳第一次寫1時，被定義為高阻輸入。P0能夠用于外部程序數(shù)據(jù)存儲器，它可以被定義為數(shù)據(jù)/地址的第八位。在FIASH編程時，P0 口作為原碼輸入口，當(dāng)FIASH進(jìn)行校驗時，P0輸出原碼，此時P0外部必須被拉高。：P1口是一個內(nèi)部提供上拉電阻的8位雙向I/O口，P1口緩沖器能接收輸出4TTL門電流。P1口管腳寫入1后，被內(nèi)部上拉為高，可用作輸入，P1口被外部下拉為低電平時，將輸出電流，這是由于內(nèi)部上拉的緣故。在FLASH編程和校驗時，P1口作為第八位地址接收。：P2口為一個內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口，P2口緩沖器可接收，輸出4個TTL門電流，當(dāng)P2口被寫“1”時，其管腳被內(nèi)部上拉電阻拉高，且作為輸入。并因此作為輸入時，P2口的管腳被外部拉低，將輸出電流。這是由于內(nèi)部上拉的緣故。P2口當(dāng)用于外部程序存儲器或16位地址外部數(shù)據(jù)存儲器進(jìn)行存取時，P2口輸出地址的高八位。在給出地址“1”時，它利用內(nèi)部上拉優(yōu)勢，當(dāng)對外部八位地址數(shù)據(jù)存儲器進(jìn)行讀寫時，P2口輸出其特殊功能寄存器的內(nèi)容。P2口在FLASH編程和校驗時接收高八位地址信號和控制信號。：P3口管腳是8個帶內(nèi)部上拉電阻的雙向I/O口，可接收輸出4個TTL門電流。當(dāng)P3口寫入“1”后，它們被內(nèi)部上拉為高電平，并用作輸入。作為輸入，由于外部下拉為低電平，P3口將輸出電流（ILL）這是由于上拉的緣故。P3口也可作為AT89C51的一些特殊功能口，如下表31所示：：復(fù)位輸入。當(dāng)振蕩器復(fù)位器件時，要保持RST腳兩個機器周期的高電平時間。：當(dāng)訪問外部存儲器時，地址鎖存允許的輸出電平用于鎖存地址的地位字節(jié)。在FLASH編程期間，此引腳用于輸入編程脈沖。在平時，ALE端以不變的頻率周期輸出正脈沖信號，此頻率為振蕩器頻率的1/6。因此它可用作對外部輸出的脈沖或用于定時目的。然而要注意的是：每當(dāng)用作外部數(shù)據(jù)存儲器時，將跳過一個ALE脈沖。如想禁止ALE的輸出可在SFR8EH地址上置0。表31 P3口的第二功能引 腳第 二 功 能信 號 名 稱RXD串行數(shù)據(jù)接收TXD串行數(shù)據(jù)發(fā)送INT0外部中斷0請求INT1外部中斷1請求T0定時器/計數(shù)器0輸入T1定時器/計數(shù)器1輸入WR外部RAM寫選通RD外部RAM讀選通P3口同時為閃爍編程和編程校驗接收一些控制信號。此時， ALE只有在執(zhí)行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。另外，該引腳被略微拉高。如果微處理器在外部執(zhí)行狀態(tài)ALE禁止，置位無效。9./PSEN：外部程序存儲器的選通信號。在由外部程序存儲器取指期間，每個機器周期兩次/PSEN有效。但在訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時，這兩次有效的/PSEN信號將不出現(xiàn)。 10./EA/VPP：當(dāng)/EA保持低電平時，則在此期間外部程序存儲器（0000HFFFFH），不管是否有內(nèi)部程序存儲器。注意加密方式1時，/EA將內(nèi)部鎖定為RESET；當(dāng)/EA端保持高電平時，此間內(nèi)部程序存儲器。在FLASH編程期間，此引腳也用于施加12V編程電源（VPP）。 ：反向振蕩放大器的輸入及內(nèi)部時鐘工作電路的輸入。 ：來自反向振蕩器的輸出。 復(fù)位電路計算機在