入门：霍尔效应传感器的基础知识

在各种传感技术中，最常用和最广泛的检测磁场的方法是霍尔效应法。基于霍尔效应，在各种应用中发现了许多霍尔效应传感器或换能器，它们最常用于感测接近度、速度、电流和位置。

这是因为可以在集成电路上构建霍尔效应传感器，并在同一硅芯片上使用辅助信号处理电路。由于体积小、坚固耐用、易于使用和成本集成等优点，霍尔效应传感器是许多磁测量应用的首选。

使用这些霍尔效应传感器的一些应用领域包括在工业控制中用作编码器、速度传感器和行程终点传感器；在计算机中用作磁盘驱动器索引传感器和无刷风扇的换向；在汽车中用作防抱死制动系统 （ABS） 和点火正时，在消费设备中用作运动器材等。

关于霍尔效应理论

霍尔效应是由Edwin Hall于1879年在约翰霍普金斯大学通过实验发现的。由于当时有仪器可用，由于实验的微妙性质，从材料获得的电压极低（以微伏为单位）。因此，在开发出合适的材料之前，在实验室之外不可能使用霍尔效应。半导体材料的发展为霍尔效应的实际应用制造了高质量的换能器。

霍尔效应是指放置在磁场中的载流导体的相对边缘产生电压。当电流通过放置在磁场中的导体时，导体上会在垂直于磁场和电流的方向上产生电位差，其大小与电流和磁场成正比，这种现象被称为霍尔效应，它是许多磁场测量仪器和设备的基础。

这里考虑一个简单的设置来说明如下所示的霍尔效应。导电材料或极板由电池供电，电流（I）流过它。电压表的一对探头连接到板的侧面，使得在没有磁场的情况下测量的电压为零。

当向极板上施加磁场使其与电流成直角时，导体中的电流分布会出现一个小电压。该力作用在电流上并将电流聚集到导线或导体的一侧，从而在导体上产生电位差。如果磁场的极性反转，则感应电压也会反转穿过极板。这种现象就是霍尔效应。　

霍尔效应是基于外部磁场和移动电荷载流子之间的相互作用，通过磁场作用在移动电子上的侧向力为：F=qvB。

其中B是磁通量密度，v是电子的速度，q是电子电荷。在上图中，正式由于其中磁场使电荷的运动偏转。将扁平导电条放置在磁场中，并将导电条的左右两侧的附加触点连接到电压表。

导电条的下端和上端连接到电源，由于磁通量的存在，移动的电子在偏转力的作用下向带的右侧移动。这导致右侧比左侧更负，因此存在电位差。

该电压称为霍尔电压，其大小和方向取决于电流和磁场的大小和方向。霍尔电压为计算公式为：

VH=HIB sinα

其中H是整体灵敏度系数，它取决于板材料、温度及其几何形状，α是磁场矢量和霍尔板之间的角度，I是电流密度。

另外，整体灵敏度取决于霍尔系数，霍尔系数是每单位电流密度每单位磁场强度的横向电势梯度。因此，霍尔系数给出为：

H = 1/Ncq、

其中c是光速，N是每单位体积的电子数。

霍尔效应传感器

如果传感器使用霍尔效应来感知磁场的存在，这种传感器称为霍尔效应传感器。磁传感器的基本元件是霍尔元件，这些传感器通常封装在一个四端子外壳中，其中两个端子是控制端子，另外两个是差分输出端子。控制电流施加在控制端子上，而在差分输出端子观察输出。一个基本的霍尔效应传感器将磁场转换为电信号。磁系统将位置、速度、电流、温度等物理量转换为磁场，而磁场又可以由霍尔效应传感器感应。

霍尔效应传感器由硅材料制成，主要分为两种类型，即基本传感器和集成传感器。有源元件的霍尔系数和电流密度是制造霍尔效应传感器以产生高输出电压时要考虑的两个重要参数。

因此，高霍尔系数和低电阻是霍尔元件的两个重要要求。用于制造这些传感器元件的一些材料包括InSb、Ge、InAs和GaAs。

霍尔效应集成电路（IC）传感器

该集成技术与霍尔效应原理相结合，产生霍尔效应IC开关。与光电或电感传感器相比，霍尔效应IC开关更有效、成本更低且效率更高。

这种传感器是一个单一的集成电路芯片，上面内置了信号放大器、霍尔电压发生器和施密特触发电路等各种元件。这些IC可检测铁磁材料、永磁体或电磁体在施加偏磁的情况下的磁场强度变化。

这些IC用于各种应用，例如对准控制、速度控制、点火系统、机械限位开关、机床、计算机、键盘、按钮、安全系统等。

霍尔效应IC采用各种配置的硅CMOS技术制造。上图显示了4引脚封装的霍尔效应传感器IC。在总共4个引脚中，有2个引脚连接到恒压源，另外两个连接到电压表。连接布置电路如下图所示。当没有磁场时，测得的薄板电压可以忽略不计。当磁场以磁通线与流过霍尔元件的电流成直角的方式施加在偏置霍尔效应传感器上时，霍尔IC的输出端会产生与大小成比例的电压到磁场强度。

主要类型

霍尔效应传感器需要一个信号调理电路，以使其输出可用于许多其他应用。该信号条件电路进行放大、电压调节、温度补偿、线性等。目前主要有两种类型的霍尔效应传感器，即模拟霍尔效应传感器和双极性霍尔效应传感器。

1、模拟霍尔效应传感器

与基本霍尔传感器相比，模拟霍尔效应传感器在更宽的电压范围内工作，并且在嘈杂的环境中也很稳定。下图显示了模拟输出霍尔效应器件，它产生的模拟电压与它所暴露的磁场成正比。

放大器具有偏置或固定偏移，因此当磁场不存在时，偏置电压出现在输出端，这被认为是零电压。霍尔元件处的磁场可以是正的也可以是负的。因此，当感测到正磁场时，输出电压增加到高于零值，而当感测到负磁场时，输出降低到零值以下。

使用这些传感器，输出电压在电源施加的限制范围内，因此，在达到电源限制之前，放大器将开始饱和，如上图所示。需要注意的是，饱和发生在放大器中，而不发生在霍尔元件中，因此较大的磁场不会对霍尔效应传感器造成损坏。

此外，这些传感器相对于磁场不是很线性，因此它们需要适当的校准才能进行高精度测量。与此同时，通过在差分放大器的输出端增加推挽晶体管、集电极开路或发射极开路，增加了器件的接口灵活性。

2、双极性霍尔效应传感器

这些传感器的输出有两个极性：开或关，这些传感器也称为数字输出霍尔效应传感器。此外，放大器包含具有阈值电平的内置滞后的施密特触发器。该施密特触发器装置通过将差分放大器输出与固定基准进行比较，将模拟信号转换为数字输出。

因此，当差分放大器输出大于参考值或预设值时，施密特触发器打开，而低于参考值时，施密特触发器关闭。

作为磁场函数的两电平输出信号如下图所示。在这种情况下，磁滞通过引入死区消除了可避免的振荡，在死区中，在参考值或预设值通过后，动作被禁用。

主要应用

根据应用的不同，霍尔效应传感器有多种配置。这些是非常流行的测量设备，用于工业过程控制、生物医学、汽车、电信、自动柜员机等各种应用领域。

霍尔效应传感器被广泛用作位置传感器、液位测量、限位开关和流量测量。一些器件基于霍尔效应工作，例如霍尔效应电流传感器、霍尔效应叶片开关和霍尔效应磁场强度传感器。其中的一些应用如下所述。

1、位置传感器

霍尔效应传感器用于感测滑动运动，在这种类型的传感器中，霍尔元件和磁体之间将有一个严格控制的间隙，具体如下图所示：

当磁体在固定间隙处来回移动时，感应磁场将发生变化。当元素接近北极时，该场将为负，当元素接近南极时，该磁场将为正。

这些传感器也称为接近传感器，用于精确定位。下图显示了四个数字输出双极传感器，它们被拧入铝制外壳并由安装在杆上的一个磁铁驱动。

当磁铁在可接受的尺寸范围内移动时，这些传感器会产生信号。从参考表面开始，这些信号代表测量的距离。这种类型的布置也称为多位置感测，此类应用的最佳示例是检测照片处理设备的各种镜头位置。

2、流量测量

下图显示了用于流量测量的霍尔效应传感器。该腔室设有流体流入和流出的开口，流体流过这些开口。带有螺纹轴布置的弹簧加载桨使磁性组件朝向霍尔磁体来回移动。

随着通过腔室的流速增加，弹簧加载的桨叶转动螺纹轴。因此，当轴转动时，磁性组件会向上升高，从而使传感器通电。当流量减少时，弹簧线圈会导致磁性组件下降。因此，换能器输出降低。整个布置经过校准，使得测得的电压和流速之间存在线性关系。

3、液位测量

在这种方法中，霍尔效应传感器用于确定浮子的高度，从而测量罐中的液位。下图说明了浮子和霍尔效应元件在罐中的布置。浮子附有一块磁铁，这样它的驱动就会改变离霍尔元件远近的磁场距离。

随着液位上升，磁铁移近传感器，因此输出电压增加，而当液位下降时，该电压降低。因此，该系统提供了简单的液位测量，无需在罐内进行任何电气连接。

4、转速传感器

转速或RPM感应是霍尔效应传感器最常见的应用。在速度传感中，霍尔效应传感器以面向旋转磁铁的方式固定放置。该旋转磁铁产生操作传感器或霍尔元件所需的磁场。旋转磁铁的排列方式可以不同，这取决于应用的便利性。其中一些布置是将单个磁体安装在轴或轮毂上或通过使用环形磁体。霍尔传感器每次面对磁铁时都会发出输出脉冲。

此外，这些脉冲由处理器控制以确定并显示RPM中的速度。这些传感器可以是数字或线性模拟输出传感器。

5、无刷直流电机传感器

无刷直流电机的功率分配由电子换向控制，而不是机械换向。三个双极性霍尔效应传感器放置在定子一端靠近转子磁极面的位置，以执行电子换向。为了操作这些传感器，永磁材料安装在转子轴上。这些传感器测量旋转磁铁的位置，以便确定何时应将电流施加到电机线圈的电流上，从而使磁铁朝正确的方向旋转。霍尔效应传感器感测到的信息馈送到逻辑电路，该逻辑电路进一步编码该信息并控制驱动电路。这种类型的反馈机制由霍尔效应传感器提供，用于测量用于许多BLDC电机控制应用的转子的速度和位置，因为它具有更大的灵活性。

6、电流传感器

霍尔效应电流传感器用于测量交流和直流电流。通过使用线性模拟霍尔效应传感器，可以测量从250mA到数千安培的电流。

这种隔离的模拟输出电压被进一步数字化，并且通过添加放大器进行电平转换和温度补偿。载流导体始终被磁场包围，因此在该磁场附近放置线性霍尔效应传感器，然后在传感器的输出端产生电压，如下图所示。该电压与导体周围的磁场强度成比例。

通过将霍尔效应传感器与电磁铁结合使用，可以获得更灵敏、更高效的隔离式电流传感装置。这种布置由一个开槽铁氧体环形磁芯和一个位于间隙中的霍尔效应 IC传感器组成。传感器被磁芯包围，因此磁芯充当通量集中器，因为它将感应磁场聚焦到霍尔元件放置的位置，如下图所示。

通过改变磁芯上的绕组数量，该传感器可以测量几安培到几千安培的电流。霍尔效应传感器的输出电压与流过绕组的电流成正比，因此与电流测量值成正比。

7、温度或压力传感器

霍尔效应传感器也可用作压力和温度传感器，这些传感器与带有适当磁铁的压力偏转膜片结合在一起，波纹管的磁性组件来回致动霍尔效应元件。在压力测量的情况下，波纹管受到膨胀和收缩。波纹管的变化导致磁性组件移动靠近霍尔效应元件。因此，产生的输出电压与施加的压力成正比。在温度测量的情况下，波纹管组件用具有已知热膨胀特性的气体密封。当腔室被加热时，波纹管内的气体会膨胀，这会导致传感器产生与温度成比例的电压。

总结

通过上文的介绍不难看出，霍尔效应传感器是根据霍尔效应制作的一种磁场传感器，可以广泛地应用于工业自动化技术、检测技术及信息处理等方面。霍尔效应是研究半导体材料性能的基本方法。另外，霍尔效应传感器也是一个换能器，它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、位置测量、转速测量和电流测量设备。

审核编辑 黄宇