霍尔传感器的历史进程/原理/分类/发展趋势/技术难点/应用领域

霍尔传感器发展背景

21世纪人类全面进入信息电子化时代，更依赖于外界信息采集技术，作为现代信息技术三大支柱技术之一的传感器技术，是人类探知自然界信息的触角。霍尔传感器是全球排名第三的传感器产品，它被广泛应用到工业、汽车业、电脑、手机以及新兴消费电子领域。

未来几年，随着越来越多的汽车电子和工业设计企业转移到中国，霍尔传感器在中国市场的年销售额保持到20％到30％的高速增长。与此同时，霍尔传感器的相关技术仍在不断完善中，可编程霍尔传感器、智能化霍尔传感器以及微型霍尔传感器将有更好的市场前景。

霍尔传感器的历史进程

近100多年来，霍尔效应的应用经历了三个阶段：

第一阶段

第一阶段是从霍尔效应的发现到20世纪40年代前期。最初，由于金属材料中的电子浓度很大，而霍尔效应十分微弱，所以没有引起人们的重视。这段时期也有人利用霍尔效应制成磁场传感器，但实用价值不大，到了1910年有人用金属铋制成霍尔元件，作为磁场传感器。但是，由于当时未找到更合适的材料，研究处于停顿状态。

第二阶段

第二阶段是从20世纪40年代中期半导体技术出现之后，随着半导体材料、制造工艺和技术的应用，出现了各种半导体霍尔元件，特别是锗的采用推动了霍尔元件的发展，相继出现了采用分立霍尔元件制造的各种磁场传感器、磁罗盘、磁头、电流传感器、非接触开关、接近开关、位置、角度、速度、加速度传感器、压力变送器、无刷直流电机以及各种函数发生器、运算器等，应用十分广泛。

第三阶段

第三阶段是自20世纪60年代开始，随着集成电路技术的发展，出现了将霍尔半导体元件和相关的信号调节电路集成在一起的霍尔传感器。进入20世纪80年代，随着大规模超大规模集成电路和微机械加工技术的进展，霍尔元件从平面向三维方向发展，出现了三端口或四端口固态霍尔传感器，实现了产品的系列化、加工的批量化、体积的微型化。此外，20世纪70年代末，美国科学家发现了量子霍尔效应并因此获得了1985年的诺贝尔物理学奖。

霍尔传感器的定义及原理介绍

霍尔效应传感器也称霍尔传感器，是一个换能器，将变化的磁场转化为输出电压的变化。霍尔传感器首先是实用于测量磁场，此外还可测量产生和影响磁场的物理量，例如被用于接近开关、霍尔、位置测量、转速测量和电流测量设备。

其最简单的形式是，传感器作为一个模拟换能器，直接返回一个电压。在已知磁场下，其距霍尔盘的距离可被设定。使用多组传感器，磁铁的相关位置可被推断出。通过导体的电流会产生一个随电流变化的磁场，并且霍尔效应传感器可以在不干扰电流情况下而测量电流，典型的构造为将其和绕组磁芯或在被测导体旁的永磁体合成一体。

霍尔效应传感器通常被用于计量车轮和轴的速度，例如在内燃机点火定时（正时）或转速表上。其在无刷直流电动机的使用，用来检测永磁铁的位置。上图示中的轮子，带有两个等距的磁铁，传感器上的电压在一个周期内将两次达到峰值，此设置通常被用来校准磁盘驱动的速率。

霍尔电流传感器工作原理，标准圆环铁芯有一个缺口，将霍尔传感器插入缺口中，圆环上绕有线圈，当电流通过线圈时产生磁场，则霍尔传感器有信号输出。

霍尔传感器的分类

霍尔传感器分为线型霍尔传感器和开关型霍尔传感器两种。霍尔器件具有许多优点，它们的结构牢固，体积小，重量轻，寿命长，安装方便，功耗小，频率高（可达1MHZ），耐震动，不怕灰尘、油污、水汽及盐雾等的污染或腐蚀。霍尔线性器件的精度高、线性度好；霍尔开关器件无触点、无磨损、输出波形清晰、无抖动、无回跳、位置重复精度高。

（一）开关型霍尔传感器由稳压器、霍尔元件、差分放大器，斯密特触发器和输出级组成，它输出数字量。开关型霍尔传感器还有一种特殊的形式，称为锁键型霍尔传感器。

（二）线性型霍尔传感器由霍尔元件、线性放大器和射极跟随器组成，它输出模拟量。

线性霍尔传感器又可分为开环式和闭环式。闭环式霍尔传感器又称零磁通霍尔传感器。线性霍尔传感器主要用于交直流电流和电压测量。

1、开关型

其中BOP为工作点“开”的磁感应强度，BRP为释放点“关”的磁感应强度。

当外加的磁感应强度超过动作点Bop时，传感器输出低电平，当磁感应强度降到动作点Bop以下时，传感器输出电平不变，一直要降到释放点BRP时，传感器才由低电平跃变为高电平。

Bop与BRP之间的滞后使开关动作更为可靠。

2、锁键型

当磁感应强度超过动作点Bop时，传感器输出由高电平跃变为低电平，而在外磁场撤消后，其输出状态保持不变（即锁存状态），必须施加反向磁感应强度达到BRP时，才能使电平产生变化。

3、线性型

输出电压与外加磁场强度呈线性关系，在B1～B2的磁感应强度范围内有较好的线性度，磁感应强度超出此范围时则呈现饱和状态。

4、开环式电流传感器

由于通电螺线管内部存在磁场，其大小与导线中的电流成正比，故可以利用霍尔传感器测量出磁场，从而确定导线中电流的大小。利用这一原理可以设计制成霍尔电流传感器。其优点是不与被测电路发生电接触，不影响被测电路，不消耗被测电源的功率，特别适合于大电流传感。

霍尔传感器的发展趋势

霍尔传感芯片是全球名列前茅的传感器产品，在全球磁场传感器市场所占份额超过了70%，它被广泛应用到工业、汽车业、电脑、手机以及新兴消费电子领域。未来几年，随着越来越多的汽车电子和工业设计企业转移到中国，霍尔传感器芯片在中国的年销售额将保持20%到30%的高速增长。

与此同时，霍尔传感器芯片相关的技术仍在不断完善，呈现出高集成度、低温度性漂移、高灵敏度、低失调电压、新型的霍尔元件结构、微型化发展趋势。

1.微型化趋势

市场上很多霍尔传感器都采用了各种小型封装。小体积的尺寸非常适合空间较小的应用，例如手机、电动机中的间隙等领域。

2.高度集成

目前，霍尔传感器已经成为智能传感器。例如，厂商基本上已经把各种保护电路和补偿电路、转换器集成到了霍尔传感器上。

3.温度性能

霍尔传感器如何在高温下长时间保持较高的可靠性是一个难题。当霍尔长期处于较高的工作温度时，芯片与基板之间的引线键合将可能出现松动或断裂等现象，从而影响传感器的正常工作。在一些工业应用中，工作温度高达160℃甚至185℃，霍尔传感器要适合这些场合的应用还需要提高温度指标。

4.高度灵敏

目前霍尔传感器最高的灵敏度可以达到几十高斯。在工业和汽车应用领域中，灵敏度在200高斯到500高斯的霍尔传感器可以很好的完成应用任务。不断提高霍尔传感器的灵敏度可以开启新的应用市场，因此，这也是业界努力的目标。

5.新的霍尔元件结构

一般线性霍尔传感器要实现旋转位置的测量，要采用非常复杂的结构，而好的结构在国际上都有专利。采用这些结构的企业需要缴纳专利费。为此，一些企业推出测量水平磁场的霍尔传感器，它可以更易实现旋转的测量。

霍尔传感器的技术难点

霍尔芯片的主要指标有：灵敏度、精确度、温度漂移、失调、线性度、动态范围等。对磁场精度要求不高的霍尔芯片已经有一批相当成熟的产品，但是霍尔盘的缺陷限制了其在高精度测量场合中的应用。

温度漂移和失调电压是霍尔盘最主要的缺陷，温度漂移使霍尔传感器的线性度变差，失调电压易使处理电路饱和，影响测量范围。研究者主要从两个方面改进霍尔芯片性能：霍尔盘、信号处理电路。

霍尔盘

理想霍尔盘应该具有高灵敏度、无失调电压、无温度漂移的特点。但在实际应用中，由于霍尔盘制造工艺的误差，会有一定的失调电压，同时制作霍尔盘的材料受温度影响，会使灵敏度和失调电压随温度变化。选择合适的霍尔盘材料可以减小灵敏度和失调电压的温度漂移。同时合适的霍尔盘形状，也可以减小制造误差，从而减小失调电压。

根据霍尔效应可知，任何四端口导电的材料都可以产生霍尔电势。但并不是任何材料，任何形状的霍尔盘都可以在实际中应用。在实际应用中，霍尔盘应有高的灵敏度和低的失调电压。霍尔效应最初是在研究金属时发现的，但是由于金属中电子浓度很高，霍尔效应很弱，金属不适合作为霍尔盘的材料。在20世纪40年代中期，随着半导体技术的出现，半导体用作霍尔盘的材料得到了很大的发展。

霍尔盘的几何形状会影响霍尔盘灵敏度和失调电压漂移，为方便信号采集和后续处理，霍尔盘一般都设计成对称形式，有方型、圆型、八角型和十字交叉型等。

失调电压消除

由于制造工艺误差和外界环境变化，在外界磁场强度为零时，霍尔盘会有一个不为零的输出电压，这个电压就是霍尔盘失调电压。霍尔盘的失调是霍尔盘与生俱来的，本身无法消除，必须通过后续处理电路消除。

H.Blanchard提出了一种静态正交耦合消除失调电压的方法，这种方法的思想是从互相垂直的两个方向向霍尔盘注入电流时，失调电压的极性相反。因而，可以使用两个完全相同的霍尔盘，从两个垂直方向输入电流，把输出进行相加，从而可以消除失调电压。

但这种方法的缺点是：由于工艺制造的误差，霍尔盘会有一定的差别，失调电压不可能完全消除。Paun采用了旋转电流技术，很大程度上抑制了失调电压。

温度漂移补偿

霍尔盘的灵敏度会随着温度、器件老化和压力而变化，特别是器件完成封装之后这些效应的影响会加强。霍尔盘灵敏度的漂移会影响霍尔芯片的线性度，限制霍尔芯片在高精度测量场合中的应用。

许多高校和公司都提出了解决方法，LEM公司采用了查表法补偿霍尔盘的温度漂移。首先，测出霍尔盘灵敏度变化量与温度变化量的关系，存储在寄存器中。当温度变化时，根据温度变化量，从寄存器中得到灵敏度变化量，用该值补偿灵敏度温度漂移。此方法属于开环补偿。

另外一种方法是闭环回路补偿，其方法是：在芯片内部能够产生一个不随温度变化参考磁场，此参考磁场通过霍尔盘产生参考电压，通过反馈回路使该参考电压不随温度变化，同时补偿掉敏感度的温度漂移。

霍尔传感器的应用领域

1.霍尔传感器在汽车工业上的应用

霍尔传感器技术在汽车工业中有着广泛的应用，包括动力、车身控制、牵引力控制以及防抱死制动系统。为了满足不同系统的需要，霍尔传感器有开关式、模拟式和数字式传感器三种形式。

霍尔传感器可以采用金属和半导体等制成，效应质量的改变取决于导体的材料，材料会直接影响流过传感器的正离子和电子。制造霍尔元件时，汽车工业通常使用三种半导体材料，即砷化镓、锑化铟以及砷化铟。最常用的半导体材料当属砷化铟。

霍尔传感器的形式决定了放大电路的不同，其输出要适应所控制的装置。这个输出可能是模拟式，如加速位置传感器或节气门位置传感器，也可能是数字式。如曲轴或凸轮轴位置传感器。

当霍尔元件用于模拟式传感器时，这个传感器可以用于空调系统中的温度表或动力控制系统中的节气门位置传感器。霍尔元件与微分放大器连接，放大器与NPN晶体管连接。磁铁固定在旋转轴上，轴在旋转时，霍尔元件上的磁场加强。其产生的霍尔电压与磁场强度成比例。

当霍尔元件用于数字信号时，例如曲轴位置传感器、凸轮轴位置传感器或车速传感器，必须首先改变电路。霍尔元件与微分放大器连接，微分放大器与施密特触发器连接。在这种配置中。传感器输出一个开或关的信号。

在多数汽车电路中，霍尔传感器是电流吸收器或者使信号电路接地。要完成这项工作，需要一个NPN晶体管与施密特触发器的输出连接。磁场穿过霍尔元件，一个触发器轮上的叶片在磁场和霍尔元件之间通过。

2.霍尔传感器在出租车计价器上的应用

霍尔传感器在出租车计价器上的应用：通过安装在车轮上的霍尔传感器A44E检测到的信号，送到单片机，经处理计算，送给显示单元，这样便完成了里程计算。

检测原理，P3.2口作为信号的输入端，内部采用外部中断0，车轮每转一圈（设车轮的周长是1m），霍尔开关就检测并输出信号，引起单片机的中断，对脉冲计数，当计数达到1000次时，也就是1km，单片机就控制将金额自动增加。

每当霍尔传感器输出一个低电平信号就使单片机中断一次，当里程计数器对里程脉冲计满1000次时，就有程序将当前总额累加，使微机进入里程计数中断服务程序中。在该程序中，需要完成当前行驶里程数和总额的累加操作，并将结果存入里程和总额寄存器中。

3.霍尔电流传感器在变频器上的应用

在有电流流过的导线周围会感生出磁场，再用霍尔器件检测由电流感生的磁场，即可测出产生这个磁场的电流的量值。由此就可以构成霍尔电流、电压传感器。

因为霍尔器件的输出电压与加在它上面的磁感应强度以及流过其中的工作电流的乘积成比例，是一个具有乘法器功能的器件，并且可与各种逻辑电路直接接口，还可以直接驱动各种性质的负载。因为霍尔器件的应用原理简单，信号处理方便，器件本身又具有一系列的独特优点，所以在变频器中也发挥了非常重要的作用。

在变频器中，霍尔电流传感器的主要作用是保护昂贵的大功率晶体管。由于霍尔电流传感器的响应时间短于1μs，因此，出现过载短路时，在晶体管未达到极限温度之前即可切断电源，使晶体管得到可靠的保护。

随着工业物联网的发展，霍尔传感器的发挥空间也越来越大，但对它的稳定性和安全性要求也更高，毕竟工业不同于消费领域，不允许机器突然断电或停止运行。根据市场需求，未来的霍尔传感器将更小，这样才能满足更多应用领域，同时智能化，这样才能满足大数据时代的物联网需求。

霍尔传感器的未来展望

时代在发展，科技在进步。任何事物都在不断地更新换代。不然就会被淘汰掉。霍尔传感器也不例外。随着社会的发展越来越快，更多的高科技产品离不开霍尔元件的控制，因此要不断地创新才能永久发展。

此外，霍尔传感器应用的领域不同，因此各个市场对它的要求也不尽相同。随着各个行业的终端应用产品不断发展，霍尔传感器的微型化、高集成化、高灵敏度、耐温性发展特性也会越来越凸显。
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