入門：霍爾效應傳感器的基礎知識

在各種傳感技術中，最常用和最廣泛的檢測磁場的方法是霍爾效應法?；诨魻栃?，在各種應用中發現了許多霍爾效應傳感器或換能器，它們最常用于感測接近度、速度、電流和位置。

這是因為可以在集成電路上構建霍爾效應傳感器，并在同一硅芯片上使用輔助信號處理電路。由于體積小、堅固耐用、易于使用和成本集成等優點，霍爾效應傳感器是許多磁測量應用的首選。

使用這些霍爾效應傳感器的一些應用領域包括在工業控制中用作編碼器、速度傳感器和行程終點傳感器；在計算機中用作磁盤驅動器索引傳感器和無刷風扇的換向；在汽車中用作防抱死制動系統 （ABS） 和點火正時，在消費設備中用作運動器材等。

關于霍爾效應理論

霍爾效應是由Edwin Hall于1879年在約翰霍普金斯大學通過實驗發現的。由于當時有儀器可用，由于實驗的微妙性質，從材料獲得的電壓極低（以微伏為單位）。因此，在開發出合適的材料之前，在實驗室之外不可能使用霍爾效應。半導體材料的發展為霍爾效應的實際應用制造了高質量的換能器。

霍爾效應是指放置在磁場中的載流導體的相對邊緣產生電壓。當電流通過放置在磁場中的導體時，導體上會在垂直于磁場和電流的方向上產生電位差，其大小與電流和磁場成正比，這種現象被稱為霍爾效應，它是許多磁場測量儀器和設備的基礎。

這里考慮一個簡單的設置來說明如下所示的霍爾效應。導電材料或極板由電池供電，電流（I）流過它。電壓表的一對探頭連接到板的側面，使得在沒有磁場的情況下測量的電壓為零。

當向極板上施加磁場使其與電流成直角時，導體中的電流分布會出現一個小電壓。該力作用在電流上并將電流聚集到導線或導體的一側，從而在導體上產生電位差。如果磁場的極性反轉，則感應電壓也會反轉穿過極板。這種現象就是霍爾效應。

霍爾效應是基于外部磁場和移動電荷載流子之間的相互作用，通過磁場作用在移動電子上的側向力為：F=qvB。

其中B是磁通量密度，v是電子的速度，q是電子電荷。在上圖中，正式由于其中磁場使電荷的運動偏轉。將扁平導電條放置在磁場中，并將導電條的左右兩側的附加觸點連接到電壓表。

導電條的下端和上端連接到電源，由于磁通量的存在，移動的電子在偏轉力的作用下向帶的右側移動。這導致右側比左側更負，因此存在電位差。

該電壓稱為霍爾電壓，其大小和方向取決于電流和磁場的大小和方向?；魻栯妷簽橛嬎愎綖椋?/p>

VH=HIB sinα

其中H是整體靈敏度系數，它取決于板材料、溫度及其幾何形狀，α是磁場矢量和霍爾板之間的角度，I是電流密度。

另外，整體靈敏度取決于霍爾系數，霍爾系數是每單位電流密度每單位磁場強度的橫向電勢梯度。因此，霍爾系數給出為：

H = 1/Ncq、

其中c是光速，N是每單位體積的電子數。

霍爾效應傳感器

如果傳感器使用霍爾效應來感知磁場的存在，這種傳感器稱為霍爾效應傳感器。磁傳感器的基本元件是霍爾元件，這些傳感器通常封裝在一個四端子外殼中，其中兩個端子是控制端子，另外兩個是差分輸出端子?？刂齐娏魇┘釉诳刂贫俗由?，而在差分輸出端子觀察輸出。一個基本的霍爾效應傳感器將磁場轉換為電信號。磁系統將位置、速度、電流、溫度等物理量轉換為磁場，而磁場又可以由霍爾效應傳感器感應。

霍爾效應傳感器由硅材料制成，主要分為兩種類型，即基本傳感器和集成傳感器。有源元件的霍爾系數和電流密度是制造霍爾效應傳感器以產生高輸出電壓時要考慮的兩個重要參數。

因此，高霍爾系數和低電阻是霍爾元件的兩個重要要求。用于制造這些傳感器元件的一些材料包括InSb、Ge、InAs和GaAs。

霍爾效應集成電路（IC）傳感器

該集成技術與霍爾效應原理相結合，產生霍爾效應IC開關。與光電或電感傳感器相比，霍爾效應IC開關更有效、成本更低且效率更高。

這種傳感器是一個單一的集成電路芯片，上面內置了信號放大器、霍爾電壓發生器和施密特觸發電路等各種元件。這些IC可檢測鐵磁材料、永磁體或電磁體在施加偏磁的情況下的磁場強度變化。

這些IC用于各種應用，例如對準控制、速度控制、點火系統、機械限位開關、機床、計算機、鍵盤、按鈕、安全系統等。

霍爾效應IC采用各種配置的硅CMOS技術制造。上圖顯示了4引腳封裝的霍爾效應傳感器IC。在總共4個引腳中，有2個引腳連接到恒壓源，另外兩個連接到電壓表。連接布置電路如下圖所示。當沒有磁場時，測得的薄板電壓可以忽略不計。當磁場以磁通線與流過霍爾元件的電流成直角的方式施加在偏置霍爾效應傳感器上時，霍爾IC的輸出端會產生與大小成比例的電壓到磁場強度。

主要類型

霍爾效應傳感器需要一個信號調理電路，以使其輸出可用于許多其他應用。該信號條件電路進行放大、電壓調節、溫度補償、線性等。目前主要有兩種類型的霍爾效應傳感器，即模擬霍爾效應傳感器和雙極性霍爾效應傳感器。

1、模擬霍爾效應傳感器

與基本霍爾傳感器相比，模擬霍爾效應傳感器在更寬的電壓范圍內工作，并且在嘈雜的環境中也很穩定。下圖顯示了模擬輸出霍爾效應器件，它產生的模擬電壓與它所暴露的磁場成正比。

放大器具有偏置或固定偏移，因此當磁場不存在時，偏置電壓出現在輸出端，這被認為是零電壓?；魻栐幍拇艌隹梢允钦囊部梢允秦摰?。因此，當感測到正磁場時，輸出電壓增加到高于零值，而當感測到負磁場時，輸出降低到零值以下。

使用這些傳感器，輸出電壓在電源施加的限制范圍內，因此，在達到電源限制之前，放大器將開始飽和，如上圖所示。需要注意的是，飽和發生在放大器中，而不發生在霍爾元件中，因此較大的磁場不會對霍爾效應傳感器造成損壞。

此外，這些傳感器相對于磁場不是很線性，因此它們需要適當的校準才能進行高精度測量。與此同時，通過在差分放大器的輸出端增加推挽晶體管、集電極開路或發射極開路，增加了器件的接口靈活性。

2、雙極性霍爾效應傳感器

這些傳感器的輸出有兩個極性：開或關，這些傳感器也稱為數字輸出霍爾效應傳感器。此外，放大器包含具有閾值電平的內置滯后的施密特觸發器。該施密特觸發器裝置通過將差分放大器輸出與固定基準進行比較，將模擬信號轉換為數字輸出。

因此，當差分放大器輸出大于參考值或預設值時，施密特觸發器打開，而低于參考值時，施密特觸發器關閉。

作為磁場函數的兩電平輸出信號如下圖所示。在這種情況下，磁滯通過引入死區消除了可避免的振蕩，在死區中，在參考值或預設值通過后，動作被禁用。

主要應用

根據應用的不同，霍爾效應傳感器有多種配置。這些是非常流行的測量設備，用于工業過程控制、生物醫學、汽車、電信、自動柜員機等各種應用領域。

霍爾效應傳感器被廣泛用作位置傳感器、液位測量、限位開關和流量測量。一些器件基于霍爾效應工作，例如霍爾效應電流傳感器、霍爾效應葉片開關和霍爾效應磁場強度傳感器。其中的一些應用如下所述。

1、位置傳感器

霍爾效應傳感器用于感測滑動運動，在這種類型的傳感器中，霍爾元件和磁體之間將有一個嚴格控制的間隙，具體如下圖所示：

當磁體在固定間隙處來回移動時，感應磁場將發生變化。當元素接近北極時，該場將為負，當元素接近南極時，該磁場將為正。

這些傳感器也稱為接近傳感器，用于精確定位。下圖顯示了四個數字輸出雙極傳感器，它們被擰入鋁制外殼并由安裝在桿上的一個磁鐵驅動。

當磁鐵在可接受的尺寸范圍內移動時，這些傳感器會產生信號。從參考表面開始，這些信號代表測量的距離。這種類型的布置也稱為多位置感測，此類應用的最佳示例是檢測照片處理設備的各種鏡頭位置。

2、流量測量

下圖顯示了用于流量測量的霍爾效應傳感器。該腔室設有流體流入和流出的開口，流體流過這些開口。帶有螺紋軸布置的彈簧加載槳使磁性組件朝向霍爾磁體來回移動。

隨著通過腔室的流速增加，彈簧加載的槳葉轉動螺紋軸。因此，當軸轉動時，磁性組件會向上升高，從而使傳感器通電。當流量減少時，彈簧線圈會導致磁性組件下降。因此，換能器輸出降低。整個布置經過校準，使得測得的電壓和流速之間存在線性關系。

3、液位測量

在這種方法中，霍爾效應傳感器用于確定浮子的高度，從而測量罐中的液位。下圖說明了浮子和霍爾效應元件在罐中的布置。浮子附有一塊磁鐵，這樣它的驅動就會改變離霍爾元件遠近的磁場距離。

隨著液位上升，磁鐵移近傳感器，因此輸出電壓增加，而當液位下降時，該電壓降低。因此，該系統提供了簡單的液位測量，無需在罐內進行任何電氣連接。

4、轉速傳感器

轉速或RPM感應是霍爾效應傳感器最常見的應用。在速度傳感中，霍爾效應傳感器以面向旋轉磁鐵的方式固定放置。該旋轉磁鐵產生操作傳感器或霍爾元件所需的磁場。旋轉磁鐵的排列方式可以不同，這取決于應用的便利性。其中一些布置是將單個磁體安裝在軸或輪轂上或通過使用環形磁體?；魻杺鞲衅髅看蚊鎸Υ盆F時都會發出輸出脈沖。

此外，這些脈沖由處理器控制以確定并顯示RPM中的速度。這些傳感器可以是數字或線性模擬輸出傳感器。

5、無刷直流電機傳感器

無刷直流電機的功率分配由電子換向控制，而不是機械換向。三個雙極性霍爾效應傳感器放置在定子一端靠近轉子磁極面的位置，以執行電子換向。為了操作這些傳感器，永磁材料安裝在轉子軸上。這些傳感器測量旋轉磁鐵的位置，以便確定何時應將電流施加到電機線圈的電流上，從而使磁鐵朝正確的方向旋轉?；魻栃獋鞲衅鞲袦y到的信息饋送到邏輯電路，該邏輯電路進一步編碼該信息并控制驅動電路。這種類型的反饋機制由霍爾效應傳感器提供，用于測量用于許多BLDC電機控制應用的轉子的速度和位置，因為它具有更大的靈活性。

6、電流傳感器

霍爾效應電流傳感器用于測量交流和直流電流。通過使用線性模擬霍爾效應傳感器，可以測量從250mA到數千安培的電流。

這種隔離的模擬輸出電壓被進一步數字化，并且通過添加放大器進行電平轉換和溫度補償。載流導體始終被磁場包圍，因此在該磁場附近放置線性霍爾效應傳感器，然后在傳感器的輸出端產生電壓，如下圖所示。該電壓與導體周圍的磁場強度成比例。

通過將霍爾效應傳感器與電磁鐵結合使用，可以獲得更靈敏、更高效的隔離式電流傳感裝置。這種布置由一個開槽鐵氧體環形磁芯和一個位于間隙中的霍爾效應 IC傳感器組成。傳感器被磁芯包圍，因此磁芯充當通量集中器，因為它將感應磁場聚焦到霍爾元件放置的位置，如下圖所示。

通過改變磁芯上的繞組數量，該傳感器可以測量幾安培到幾千安培的電流?；魻栃獋鞲衅鞯妮敵鲭妷号c流過繞組的電流成正比，因此與電流測量值成正比。

7、溫度或壓力傳感器

霍爾效應傳感器也可用作壓力和溫度傳感器，這些傳感器與帶有適當磁鐵的壓力偏轉膜片結合在一起，波紋管的磁性組件來回致動霍爾效應元件。在壓力測量的情況下，波紋管受到膨脹和收縮。波紋管的變化導致磁性組件移動靠近霍爾效應元件。因此，產生的輸出電壓與施加的壓力成正比。在溫度測量的情況下，波紋管組件用具有已知熱膨脹特性的氣體密封。當腔室被加熱時，波紋管內的氣體會膨脹，這會導致傳感器產生與溫度成比例的電壓。

總結

通過上文的介紹不難看出，霍爾效應傳感器是根據霍爾效應制作的一種磁場傳感器，可以廣泛地應用于工業自動化技術、檢測技術及信息處理等方面?；魻栃茄芯堪雽w材料性能的基本方法。另外，霍爾效應傳感器也是一個換能器，它將變化的磁場轉化為輸出電壓的變化?；魻杺鞲衅魇紫仁菍嵱糜跍y量磁場，此外還可測量產生和影響磁場的物理量，例如被用于接近開關、位置測量、轉速測量和電流測量設備。

審核編輯 黃宇