霍爾傳感器知識要點(diǎn)

引言：

霍爾傳感器是全球排名第三的傳感器產(chǎn)品，它被廣泛應(yīng)用到工業(yè)、汽車業(yè)、電腦、手機(jī)以及新興消費(fèi)電子領(lǐng)域。

未來幾年，隨著越來越多的汽車電子和工業(yè)設(shè)計(jì)企業(yè)轉(zhuǎn)移到中國，霍爾傳感器在中國市場的年銷售額將保持20%到30%的高速增長。

與此同時，霍爾傳感器的相關(guān)技術(shù)仍在不斷完善中，可編程霍爾傳感器、智能化霍爾傳感器以及微型霍爾傳感器將有更好的市場前景。

什么是霍爾效應(yīng)？

霍爾效應(yīng)是磁電效應(yīng)的一種，這一現(xiàn)象是霍爾（A.H.Hall，1855—1938）于1879年在研究金屬的導(dǎo)電機(jī)構(gòu)時發(fā)現(xiàn)的。

后來發(fā)現(xiàn)半導(dǎo)體、導(dǎo)電流體等也有這種效應(yīng)，而半導(dǎo)體的霍爾效應(yīng)比金屬強(qiáng)得多，當(dāng)電流垂直于外磁場通過導(dǎo)體時，載流子發(fā)生偏轉(zhuǎn)，垂直于電流和磁場的方向會產(chǎn)生一附加電場，從而在導(dǎo)體的兩端產(chǎn)生電勢差，這一現(xiàn)象就是霍爾效應(yīng)，這個電勢差也被稱為霍爾電勢差?；魻栃?yīng)應(yīng)使用左手定則判斷。

在式(1)中：若保持控制電流Ic不變，在一定條件下，可通過測量霍爾電壓推算出磁感應(yīng)強(qiáng)度的大小，由此建立了磁場與電壓信號的聯(lián)系，根據(jù)這一關(guān)系式，人們研制了用于測量磁場的半導(dǎo)體器件即霍爾元件。

霍爾效應(yīng)的本質(zhì)是：固體材料中的載流子在外加磁場中運(yùn)動時，因?yàn)槭艿铰鍋銎澚Φ淖饔枚管壽E發(fā)生偏移，并在材料兩側(cè)產(chǎn)生電荷積累，形成垂直于電流方向的電場，最終使載流子受到的洛侖茲力與電場斥力相平衡，從而在兩側(cè)建立起一個穩(wěn)定的電勢差即霍爾電壓。

正交電場和電流強(qiáng)度與磁場強(qiáng)度的乘積之比就是霍爾系數(shù)。平行電場和電流強(qiáng)度之比就是電阻率。大量的研究揭示：參加材料導(dǎo)電過程的不僅有帶負(fù)電的電子，還有帶正電的空穴。

什么是霍爾傳感器？

霍爾傳感器是根據(jù)霍爾效應(yīng)制作的一種磁場傳感器，廣泛地應(yīng)用于工業(yè)自動化技術(shù)、檢測技術(shù)及信息處理等方面。

通過霍爾效應(yīng)實(shí)驗(yàn)測定的霍爾系數(shù)，能夠判斷半導(dǎo)體材料的導(dǎo)電類型、載流子濃度及載流子遷移率等重要參數(shù)。

由于霍爾元件產(chǎn)生的電勢差很小，故通常將霍爾元件與放大器電路、溫度補(bǔ)償電路及穩(wěn)壓電源電路等集成在一個芯片上，稱之為霍爾傳感器。霍爾傳感器也稱為霍爾集成電路，其外形較小，如下圖所示：

霍爾傳感器其中某型

霍爾傳感器的優(yōu)點(diǎn)及用途

許多人都知道，轎車的自動化程度越高，微電子電路越多，就越怕電磁干擾。而在汽車上有許多燈具和電器件，尤其是功率較大的前照燈、空調(diào)電機(jī)和雨刮器電機(jī)在開關(guān)時會產(chǎn)生浪涌電流，使機(jī)械式開關(guān)觸點(diǎn)產(chǎn)生電弧，產(chǎn)生較大的電磁干擾信號。

采用功率霍爾開關(guān)電路可以減小這些現(xiàn)象?；魻柶骷ㄟ^檢測磁場變化，轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘栞敵?，可用于監(jiān)視和測量汽車各部件運(yùn)行參數(shù)的變化。

例如位置、位移、角度、角速度、轉(zhuǎn)速等等，并可將這些變量進(jìn)行二次變換；可測量壓力、質(zhì)量、液位、流速、流量等?；魻柶骷敵隽恐苯优c電控單元接口，可實(shí)現(xiàn)自動檢測。

目前的霍爾器件都可承受一定的振動，可在零下40℃到零上150℃范圍內(nèi)工作，全部密封不受水油污染，完全能夠適應(yīng)汽車的惡劣工作環(huán)境。

霍爾傳感器可以測量任意波形的電流和電壓，如：直流、交流、脈沖波形等，甚至對瞬態(tài)峰值的測量。副邊電流忠實(shí)地反應(yīng)原邊電流的波形。而普通互感器則是無法與其比擬的，它一般只適用于測量50Hz正弦波

原邊電路與副邊電路之間有良好的電氣隔離，隔離電壓可達(dá)9600Vrms；

精度高：在工作溫度區(qū)內(nèi)精度優(yōu)于1%，該精度適合于任何波形的測量；霍爾開關(guān)器件無觸點(diǎn)、無磨損、輸出波形清晰、無抖動、無回跳、位置重復(fù)精度高（可達(dá)μm級）。

寬帶寬：高帶寬的電流傳感器上升時間可小于1μs；但是，電壓傳感器帶寬較窄，一般在15kHz以內(nèi)，6400Vrms的高壓電壓傳感器上升時間約500uS，帶寬約700Hz。

測量范圍廣泛：電流測量可達(dá)50KA，電壓測量可達(dá)6400V。

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、油污、水汽及鹽霧等的污染或腐蝕。

上圖即是一種典型的霍爾傳感器實(shí)現(xiàn)定位應(yīng)用---一個輪上的兩個磁鐵經(jīng)過霍爾效應(yīng)傳感器。圖示中的輪子，帶有兩個等距的磁鐵，傳感器上的電壓在一個周期內(nèi)將兩次達(dá)到峰值。

通常被用于計(jì)量車輪和軸的速度，例如在內(nèi)燃機(jī)點(diǎn)火定時（正時）或轉(zhuǎn)速表上。其在無刷直流電動機(jī)的使用，用來檢測永磁鐵的位置。

霍爾傳感器廣泛應(yīng)用在變頻調(diào)速裝置、逆變裝置、UPS電源、通信 電源、電焊機(jī)、電力機(jī)車、變電站、數(shù)控機(jī)床、電解電鍍、微機(jī)監(jiān)測、電網(wǎng)監(jiān)測等需要隔離檢測電流的設(shè)施中以及新興的太陽能、風(fēng)能和地鐵軌道信號、汽車電子等領(lǐng)域。

霍爾傳感器的主要特性參數(shù)

前面介紹過了霍爾傳感器是一種根據(jù)霍爾效應(yīng)制作的磁場傳感器，它的主要特性參數(shù)有以下幾類。

(1)輸入電阻R

霍爾傳感器元件兩激勵電流端的直流電阻稱為輸入電阻。它的數(shù)值從幾歐到兒百歐，視不同型號的元件而定。

溫度升高，輸入電阻變小，從而使輸入電流變大，最終引起霍爾傳感器電勢變化。為了減少這種影響，最好采用恒流源作為激勵源。

(2)輸出電阻R

兩個霍爾傳感器電勢輸出端之間的電阻稱為輸出電阻，它的數(shù)位與輸入電阻同一數(shù)量級。它也隨溫度改變順改變。選擇適當(dāng)?shù)呢?fù)載電阻易與之匹配，可以使由溫度引起的程水電勢的漂移減至最小。

(3)最大激勵電流I---霍爾傳感器參數(shù)

由于霍爾傳感器電勢隨激勵電流的增大而增大，故在應(yīng)用中總希望選用較大的激勵電流1M但激勵電流增大，程爾元件的功耗增大，元件的溫皮升高，從而引起霍爾傳感器屯勢的溫漂增大，因此每種型號的幾件均規(guī)定了相應(yīng)的最大激勵電流，它的數(shù)值從幾毫安至幾百毫安。

(4)靈敏度K

靈敏度KH=EH/IB，它的數(shù)值約為10MV(MA.T)左右。

(5)最大磁感應(yīng)強(qiáng)度BM---霍爾傳感器參數(shù)

磁感應(yīng)強(qiáng)度超過BM時，霍爾傳感器電勢的非線性誤差將明顯增大，特斯撿(T)成幾千高斯(Gs)(1Gs=104T)。

(6)個等位電勢

在額定激勵電流F，當(dāng)外加磁場為零時它是由于4個屯極的幾何尺寸不對稱引起的誤差。

(7)霍爾傳感器屯勢溫度系數(shù)

6M的數(shù)值一般為零點(diǎn)刀霍爾傳感器輸出端之間的開路電壓稱為不等位電勢，使用時多采用電橋法來補(bǔ)償不等位電勢引起日在一定磁感應(yīng)強(qiáng)度和激勵電流的作用下，溫度每變化1攝氏度時，霍爾傳感器電勢變化的百分?jǐn)?shù)弱為霍爾傳感器電勢溫度系數(shù)，它與霍爾傳感器元件的材料有關(guān)。

霍爾傳感器的分類

霍爾傳感器分為線性型霍爾傳感器和開關(guān)型霍爾傳感器兩種。

1）線性型霍爾傳感器由霍爾元件、線性放大器和射極跟隨器組成，它輸出模擬量。

2）開關(guān)型霍爾傳感器由穩(wěn)壓器、霍爾元件、差分放大器，斯密特觸發(fā)器和輸出級組成，它輸出數(shù)字量。

按被檢測的對象的性質(zhì)可將它們的應(yīng)用分為:直接應(yīng)用和間接應(yīng)用。前者是直接檢測出受檢測對象本身的磁場或磁特性，后者是檢測受檢對象上人為設(shè)置的磁場。

霍爾傳感器在各大領(lǐng)域的應(yīng)用

按被檢測的對象的性質(zhì)可將它們的應(yīng)用分為：直接應(yīng)用和間接應(yīng)用。前者是直接檢測出受檢測對象本身的磁場或磁特性，后者是檢測受檢對象上人為設(shè)置的磁場，用這個磁場來作被檢測的信息的載體，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、速度、加速度、角度、角速度、轉(zhuǎn)數(shù)、轉(zhuǎn)速以及工作狀態(tài)發(fā)生變化的時間等，轉(zhuǎn)變成電量來進(jìn)行檢測和控制。

（一）線性型霍爾傳感器主要用于一些物理量的測量。

1．電流傳感器：

由于通電螺線管內(nèi)部存在磁場，其大小與導(dǎo)線中的電流成正比，故可以利用霍爾傳感器測量出磁場，從而確定導(dǎo)線中電流的大小。

利用這一原理可以設(shè)計(jì)制成霍爾電流傳感器。其優(yōu)點(diǎn)是不與被測電路發(fā)生電接觸，不影響被測電路，不消耗被測電源的功率，特別適合于大電流傳感。

霍爾電流傳感器工作原理如圖所示：

標(biāo)準(zhǔn)圓環(huán)鐵芯有一個缺口，將霍爾傳感器插入缺口中，圓環(huán)上繞有線圈，當(dāng)電流通過線圈時產(chǎn)生磁場，則霍爾傳感器有信號輸出。

2．位移測量：

如圖所示：

兩塊永久磁鐵同極性相對放置，將線性型霍爾傳感器置于中間，其磁感應(yīng)強(qiáng)度為零，這個點(diǎn)可作為位移的零點(diǎn)，當(dāng)霍爾傳感器在Z軸上作△Z位移時，傳感器有一個電壓輸出，電壓大小與位移距離大小成正比。

如果把拉力、壓力等參數(shù)變成位移距離，便可測出拉力及壓力的大小，如下圖所示，是按這一原理制成的力矩傳感器。

（二）開關(guān)型霍爾傳感器主要用于測轉(zhuǎn)數(shù)、轉(zhuǎn)速、風(fēng)速、流速、接近開關(guān)、關(guān)門告知器、報(bào)警器、自動控制電路等。

1．測轉(zhuǎn)速或轉(zhuǎn)數(shù)：

如下圖所示：

在非磁性材料的圓盤邊上粘一塊磁鋼，霍爾傳感器放在靠近圓盤邊緣處，圓盤旋轉(zhuǎn)一周，霍爾傳感器就輸出一個脈沖，從而可測出轉(zhuǎn)數(shù)（計(jì)數(shù)器），若接入頻率計(jì)，便可測出轉(zhuǎn)速。

如果把開關(guān)型霍爾傳感器按預(yù)定位置有規(guī)律地布置在軌道上，當(dāng)裝在運(yùn)動車輛上的永磁體經(jīng)過它時，可以從測量電路上測得脈沖信號。根據(jù)脈沖信號的分布可以測出車輛的運(yùn)動速度。

2．各種實(shí)用電路：

開關(guān)型霍爾傳感器尺寸小、工作電壓范圍寬，工作可靠，價格便宜，因此獲得極為廣泛的應(yīng)用。

下面列舉一個實(shí)例說明：

汽車車門狀態(tài)顯示：

現(xiàn)在汽車一般都有該功能了。這里使用了霍爾傳感器，只要再配置一塊小永久磁鐵就很容易做成車門是否關(guān)好的指示器，配置電路示意如下：

三片開關(guān)型霍爾傳感器分別裝在汽車的四個門框上，在車門適當(dāng)位置各固定一塊磁鋼，當(dāng)車門開著時，磁鋼遠(yuǎn)離霍爾開關(guān)，輸出端為高電平。若四個門中有一個未關(guān)好，則或非門輸出為低電平，紅燈亮，表示還有門未關(guān)好，若三個門都關(guān)好，則或非門輸出為高電平，綠燈亮，表示車門關(guān)好，司機(jī)可放心開車。

霍爾傳感器展望

霍爾傳感器在中國市場增長率為兩位數(shù)，在我們的日常生活中，霍爾傳感器被廣泛應(yīng)用。例如，在翻蓋或是滑蓋的手機(jī)中，用來檢測手機(jī)蓋翻開或是滑動的器件就是霍爾傳感器；再如，在電腦鍵盤上，實(shí)現(xiàn)光標(biāo)移動的滾動鍵就是由霍爾傳感器組成的；還有，在汽車變速箱、電動門窗等需要電機(jī)的部件中也有霍爾傳感器應(yīng)用。我們在每天的生活中都在與霍爾傳感器打交道。

霍爾傳感器應(yīng)用的領(lǐng)域不同，因此各個市場對它的要求也不盡相同。手機(jī)市場對霍爾傳感器的主要要求包括尺寸、功耗和可調(diào)節(jié)的閾值。在工業(yè)和汽車應(yīng)用方面，霍爾傳感器首先要滿足工業(yè)或汽車認(rèn)證對器件的要求，例如安全性、穩(wěn)定性和溫度范圍要達(dá)到相應(yīng)的級別。

隨著這些終端應(yīng)用產(chǎn)品的不斷發(fā)展，霍爾傳感器也呈現(xiàn)微型化、高集成化、高靈敏度、耐溫性發(fā)展。