在各種傳感技術(shù)中，最常用和最廣泛的檢測(cè)磁場(chǎng)的方法是霍爾效應(yīng)法。基于霍爾效應(yīng)，在各種應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)了許多霍爾效應(yīng)傳感器或換能器，它們最常用于感測(cè)接近度、速度、電流和位置。

這是因?yàn)榭梢栽?a target="_blank">集成電路上構(gòu)建霍爾效應(yīng)傳感器，并在同一硅芯片上使用輔助信號(hào)處理電路。由于體積小、堅(jiān)固耐用、易于使用和成本集成等優(yōu)點(diǎn)，霍爾效應(yīng)傳感器是許多磁測(cè)量應(yīng)用的首選。

使用這些霍爾效應(yīng)傳感器的一些應(yīng)用領(lǐng)域包括在工業(yè)控制中用作編碼器、速度傳感器和行程終點(diǎn)傳感器;在計(jì)算機(jī)中用作磁盤(pán)驅(qū)動(dòng)器索引傳感器和無(wú)刷風(fēng)扇的換向;在汽車(chē)中用作防抱死制動(dòng)系統(tǒng) (ABS) 和點(diǎn)火正時(shí)，在消費(fèi)設(shè)備中用作運(yùn)動(dòng)器材等。

關(guān)于霍爾效應(yīng)理論

霍爾效應(yīng)是由Edwin Hall于1879年在約翰霍普金斯大學(xué)通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)的。由于當(dāng)時(shí)有儀器可用，由于實(shí)驗(yàn)的微妙性質(zhì)，從材料獲得的電壓極低(以微伏為單位)。因此，在開(kāi)發(fā)出合適的材料之前，在實(shí)驗(yàn)室之外不可能使用霍爾效應(yīng)。半導(dǎo)體材料的發(fā)展為霍爾效應(yīng)的實(shí)際應(yīng)用制造了高質(zhì)量的換能器。

霍爾效應(yīng)是指放置在磁場(chǎng)中的載流導(dǎo)體的相對(duì)邊緣產(chǎn)生電壓。當(dāng)電流通過(guò)放置在磁場(chǎng)中的導(dǎo)體時(shí)，導(dǎo)體上會(huì)在垂直于磁場(chǎng)和電流的方向上產(chǎn)生電位差，其大小與電流和磁場(chǎng)成正比，這種現(xiàn)象被稱(chēng)為霍爾效應(yīng)，它是許多磁場(chǎng)測(cè)量?jī)x器和設(shè)備的基礎(chǔ)。

這里考慮一個(gè)簡(jiǎn)單的設(shè)置來(lái)說(shuō)明如下所示的霍爾效應(yīng)。導(dǎo)電材料或極板由電池供電，電流(I)流過(guò)它。電壓表的一對(duì)探頭連接到板的側(cè)面，使得在沒(méi)有磁場(chǎng)的情況下測(cè)量的電壓為零。

當(dāng)向極板上施加磁場(chǎng)使其與電流成直角時(shí)，導(dǎo)體中的電流分布會(huì)出現(xiàn)一個(gè)小電壓。該力作用在電流上并將電流聚集到導(dǎo)線或?qū)w的一側(cè)，從而在導(dǎo)體上產(chǎn)生電位差。如果磁場(chǎng)的極性反轉(zhuǎn)，則感應(yīng)電壓也會(huì)反轉(zhuǎn)穿過(guò)極板。這種現(xiàn)象就是霍爾效應(yīng)。

霍爾效應(yīng)是基于外部磁場(chǎng)和移動(dòng)電荷載流子之間的相互作用，通過(guò)磁場(chǎng)作用在移動(dòng)電子上的側(cè)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(chǎng)使電荷的運(yùn)動(dòng)偏轉(zhuǎn)。將扁平導(dǎo)電條放置在磁場(chǎng)中，并將導(dǎo)電條的左右兩側(cè)的附加觸點(diǎn)連接到電壓表。

導(dǎo)電條的下端和上端連接到電源，由于磁通量的存在，移動(dòng)的電子在偏轉(zhuǎn)力的作用下向帶的右側(cè)移動(dòng)。這導(dǎo)致右側(cè)比左側(cè)更負(fù)，因此存在電位差。

該電壓稱(chēng)為霍爾電壓，其大小和方向取決于電流和磁場(chǎng)的大小和方向?；魻栯妷簽橛?jì)算公式為：

VH=HIB sinα

其中H是整體靈敏度系數(shù)，它取決于板材料、溫度及其幾何形狀，α是磁場(chǎng)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(shù)，霍爾系數(shù)是每單位電流密度每單位磁場(chǎng)強(qiáng)度的橫向電勢(shì)梯度。因此，霍爾系數(shù)給出為：

H = 1/Ncq、

其中c是光速，N是每單位體積的電子數(shù)。

霍爾效應(yīng)傳感器

如果傳感器使用霍爾效應(yīng)來(lái)感知磁場(chǎng)的存在，這種傳感器稱(chēng)為霍爾效應(yīng)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(gè)四端子外殼中，其中兩個(gè)端子是控制端子，另外兩個(gè)是差分輸出端子。

控制電流施加在控制端子上，而在差分輸出端子觀察輸出。一個(gè)基本的霍爾效應(yīng)傳感器將磁場(chǎng)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。磁系統(tǒng)將位置、速度、電流、溫度等物理量轉(zhuǎn)換為磁場(chǎng)，而磁場(chǎng)又可以由霍爾效應(yīng)傳感器感應(yīng)。

霍爾效應(yīng)傳感器由硅材料制成，主要分為兩種類(lèi)型，即基本傳感器和集成傳感器。有源元件的霍爾系數(shù)和電流密度是制造霍爾效應(yīng)傳感器以產(chǎn)生高輸出電壓時(shí)要考慮的兩個(gè)重要參數(shù)。

因此，高霍爾系數(shù)和低電阻是霍爾元件的兩個(gè)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(yīng)集成電路(IC)傳感器

該集成技術(shù)與霍爾效應(yīng)原理相結(jié)合，產(chǎn)生霍爾效應(yīng)IC開(kāi)關(guān)。與光電或電感傳感器相比，霍爾效應(yīng)IC開(kāi)關(guān)更有效、成本更低且效率更高。

這種傳感器是一個(gè)單一的集成電路芯片，上面內(nèi)置了信號(hào)放大器、霍爾電壓發(fā)生器和施密特觸發(fā)電路等各種元件。這些IC可檢測(cè)鐵磁材料、永磁體或電磁體在施加偏磁的情況下的磁場(chǎng)強(qiáng)度變化。

這些IC用于各種應(yīng)用，例如對(duì)準(zhǔn)控制、速度控制、點(diǎn)火系統(tǒng)、機(jī)械限位開(kāi)關(guān)、機(jī)床、計(jì)算機(jī)、鍵盤(pán)、按鈕、安全系統(tǒng)等。

霍爾效應(yīng)IC采用各種配置的硅CMOS技術(shù)制造。上圖顯示了4引腳封裝的霍爾效應(yīng)傳感器IC。在總共4個(gè)引腳中，有2個(gè)引腳連接到恒壓源，另外兩個(gè)連接到電壓表。

連接布置電路如下圖所示。當(dāng)沒(méi)有磁場(chǎng)時(shí)，測(cè)得的薄板電壓可以忽略不計(jì)。當(dāng)磁場(chǎng)以磁通線與流過(guò)霍爾元件的電流成直角的方式施加在偏置霍爾效應(yīng)傳感器上時(shí)，霍爾IC的輸出端會(huì)產(chǎn)生與大小成比例的電壓到磁場(chǎng)強(qiáng)度。

主要類(lèi)型

霍爾效應(yīng)傳感器需要一個(gè)信號(hào)調(diào)理電路，以使其輸出可用于許多其他應(yīng)用。該信號(hào)條件電路進(jìn)行放大、電壓調(diào)節(jié)、溫度補(bǔ)償、線性等。目前主要有兩種類(lèi)型的霍爾效應(yīng)傳感器，即模擬霍爾效應(yīng)傳感器和雙極性霍爾效應(yīng)傳感器。

1、模擬霍爾效應(yīng)傳感器

與基本霍爾傳感器相比，模擬霍爾效應(yīng)傳感器在更寬的電壓范圍內(nèi)工作，并且在嘈雜的環(huán)境中也很穩(wěn)定。下圖顯示了模擬輸出霍爾效應(yīng)器件，它產(chǎn)生的模擬電壓與它所暴露的磁場(chǎng)成正比。

放大器具有偏置或固定偏移，因此當(dāng)磁場(chǎng)不存在時(shí)，偏置電壓出現(xiàn)在輸出端，這被認(rèn)為是零電壓?；魻栐幍拇艌?chǎng)可以是正的也可以是負(fù)的。因此，當(dāng)感測(cè)到正磁場(chǎng)時(shí)，輸出電壓增加到高于零值，而當(dāng)感測(cè)到負(fù)磁場(chǎng)時(shí)，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(nèi)，因此，在達(dá)到電源限制之前，放大器將開(kāi)始飽和，如上圖所示。需要注意的是，飽和發(fā)生在放大器中，而不發(fā)生在霍爾元件中，因此較大的磁場(chǎng)不會(huì)對(duì)霍爾效應(yīng)傳感器造成損壞。

此外，這些傳感器相對(duì)于磁場(chǎng)不是很線性，因此它們需要適當(dāng)?shù)男?zhǔn)才能進(jìn)行高精度測(cè)量。與此同時(shí)，通過(guò)在差分放大器的輸出端增加推挽晶體管、集電極開(kāi)路或發(fā)射極開(kāi)路，增加了器件的接口靈活性。

2、雙極性霍爾效應(yīng)傳感器

這些傳感器的輸出有兩個(gè)極性：開(kāi)或關(guān)，這些傳感器也稱(chēng)為數(shù)字輸出霍爾效應(yīng)傳感器。此外，放大器包含具有閾值電平的內(nèi)置滯后的施密特觸發(fā)器。該施密特觸發(fā)器裝置通過(guò)將差分放大器輸出與固定基準(zhǔn)進(jìn)行比較，將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字輸出。

因此，當(dāng)差分放大器輸出大于參考值或預(yù)設(shè)值時(shí)，施密特觸發(fā)器打開(kāi)，而低于參考值時(shí)，施密特觸發(fā)器關(guān)閉。

作為磁場(chǎng)函數(shù)的兩電平輸出信號(hào)如下圖所示。在這種情況下，磁滯通過(guò)引入死區(qū)消除了可避免的振蕩，在死區(qū)中，在參考值或預(yù)設(shè)值通過(guò)后，動(dòng)作被禁用。

主要應(yīng)用

根據(jù)應(yīng)用的不同，霍爾效應(yīng)傳感器有多種配置。這些是非常流行的測(cè)量設(shè)備，用于工業(yè)過(guò)程控制、生物醫(yī)學(xué)、汽車(chē)、電信、自動(dòng)柜員機(jī)等各種應(yīng)用領(lǐng)域。

霍爾效應(yīng)傳感器被廣泛用作位置傳感器、液位測(cè)量、限位開(kāi)關(guān)和流量測(cè)量。一些器件基于霍爾效應(yīng)工作，例如霍爾效應(yīng)電流傳感器、霍爾效應(yīng)葉片開(kāi)關(guān)和霍爾效應(yīng)磁場(chǎng)強(qiáng)度傳感器。其中的一些應(yīng)用如下所述。

1、位置傳感器

霍爾效應(yīng)傳感器用于感測(cè)滑動(dòng)運(yùn)動(dòng)，在這種類(lèi)型的傳感器中，霍爾元件和磁體之間將有一個(gè)嚴(yán)格控制的間隙，具體如下圖所示：

當(dāng)磁體在固定間隙處來(lái)回移動(dòng)時(shí)，感應(yīng)磁場(chǎng)將發(fā)生變化。當(dāng)元素接近北極時(shí)，該場(chǎng)將為負(fù)，當(dāng)元素接近南極時(shí)，該磁場(chǎng)將為正。

這些傳感器也稱(chēng)為接近傳感器，用于精確定位。下圖顯示了四個(gè)數(shù)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(gè)磁鐵驅(qū)動(dòng)。

當(dāng)磁鐵在可接受的尺寸范圍內(nèi)移動(dòng)時(shí)，這些傳感器會(huì)產(chǎn)生信號(hào)。從參考表面開(kāi)始，這些信號(hào)代表測(cè)量的距離。這種類(lèi)型的布置也稱(chēng)為多位置感測(cè)，此類(lèi)應(yīng)用的最佳示例是檢測(cè)照片處理設(shè)備的各種鏡頭位置。

2、流量測(cè)量

下圖顯示了用于流量測(cè)量的霍爾效應(yīng)傳感器。該腔室設(shè)有流體流入和流出的開(kāi)口，流體流過(guò)這些開(kāi)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(lái)回移動(dòng)。

隨著通過(guò)腔室的流速增加，彈簧加載的槳葉轉(zhuǎn)動(dòng)螺紋軸。因此，當(dāng)軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，磁性組件會(huì)向上升高，從而使傳感器通電。當(dāng)流量減少時(shí)，彈簧線圈會(huì)導(dǎo)致磁性組件下降。因此，換能器輸出降低。整個(gè)布置經(jīng)過(guò)校準(zhǔn)，使得測(cè)得的電壓和流速之間存在線性關(guān)系。

3、液位測(cè)量

在這種方法中，霍爾效應(yīng)傳感器用于確定浮子的高度，從而測(cè)量罐中的液位。下圖說(shuō)明了浮子和霍爾效應(yīng)元件在罐中的布置。浮子附有一塊磁鐵，這樣它的驅(qū)動(dòng)就會(huì)改變離霍爾元件遠(yuǎn)近的磁場(chǎng)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(dāng)液位下降時(shí)，該電壓降低。因此，該系統(tǒng)提供了簡(jiǎn)單的液位測(cè)量，無(wú)需在罐內(nèi)進(jìn)行任何電氣連接。

4、轉(zhuǎn)速傳感器

轉(zhuǎn)速或RPM感應(yīng)是霍爾效應(yīng)傳感器最常見(jiàn)的應(yīng)用。在速度傳感中，霍爾效應(yīng)傳感器以面向旋轉(zhuǎn)磁鐵的方式固定放置。該旋轉(zhuǎn)磁鐵產(chǎn)生操作傳感器或霍爾元件所需的磁場(chǎng)。

旋轉(zhuǎn)磁鐵的排列方式可以不同，這取決于應(yīng)用的便利性。其中一些布置是將單個(gè)磁體安裝在軸或輪轂上或通過(guò)使用環(huán)形磁體。霍爾傳感器每次面對(duì)磁鐵時(shí)都會(huì)發(fā)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(shù)字或線性模擬輸出傳感器。

5、無(wú)刷直流電機(jī)傳感器

無(wú)刷直流電機(jī)的功率分配由電子換向控制，而不是機(jī)械換向。三個(gè)雙極性霍爾效應(yīng)傳感器放置在定子一端靠近轉(zhuǎn)子磁極面的位置，以執(zhí)行電子換向。為了操作這些傳感器，永磁材料安裝在轉(zhuǎn)子軸上。這些傳感器測(cè)量旋轉(zhuǎn)磁鐵的位置，以便確定何時(shí)應(yīng)將電流施加到電機(jī)線圈的電流上，從而使磁鐵朝正確的方向旋轉(zhuǎn)。

霍爾效應(yīng)傳感器感測(cè)到的信息饋送到邏輯電路，該邏輯電路進(jìn)一步編碼該信息并控制驅(qū)動(dòng)電路。這種類(lèi)型的反饋機(jī)制由霍爾效應(yīng)傳感器提供，用于測(cè)量用于許多BLDC電機(jī)控制應(yīng)用的轉(zhuǎn)子的速度和位置，因?yàn)樗哂懈蟮撵`活性。

6、電流傳感器

霍爾效應(yīng)電流傳感器用于測(cè)量交流和直流電流。通過(guò)使用線性模擬霍爾效應(yīng)傳感器，可以測(cè)量從250mA到數(shù)千安培的電流。

這種隔離的模擬輸出電壓被進(jìn)一步數(shù)字化，并且通過(guò)添加放大器進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換和溫度補(bǔ)償。載流導(dǎo)體始終被磁場(chǎng)包圍，因此在該磁場(chǎng)附近放置線性霍爾效應(yīng)傳感器，然后在傳感器的輸出端產(chǎn)生電壓，如下圖所示。該電壓與導(dǎo)體周?chē)拇艌?chǎng)強(qiáng)度成比例。

通過(guò)將霍爾效應(yīng)傳感器與電磁鐵結(jié)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(gè)開(kāi)槽鐵氧體環(huán)形磁芯和一個(gè)位于間隙中的霍爾效應(yīng) IC傳感器組成。

傳感器被磁芯包圍，因此磁芯充當(dāng)通量集中器，因?yàn)樗鼘⒏袘?yīng)磁場(chǎng)聚焦到霍爾元件放置的位置，如下圖所示。

通過(guò)改變磁芯上的繞組數(shù)量，該傳感器可以測(cè)量幾安培到幾千安培的電流?；魻栃?yīng)傳感器的輸出電壓與流過(guò)繞組的電流成正比，因此與電流測(cè)量值成正比。

7、溫度或壓力傳感器

霍爾效應(yīng)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(dāng)磁鐵的壓力偏轉(zhuǎn)膜片結(jié)合在一起，波紋管的磁性組件來(lái)回致動(dòng)霍爾效應(yīng)元件。

在壓力測(cè)量的情況下，波紋管受到膨脹和收縮。波紋管的變化導(dǎo)致磁性組件移動(dòng)靠近霍爾效應(yīng)元件。因此，產(chǎn)生的輸出電壓與施加的壓力成正比。

在溫度測(cè)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(dāng)腔室被加熱時(shí)，波紋管內(nèi)的氣體會(huì)膨脹，這會(huì)導(dǎo)致傳感器產(chǎn)生與溫度成比例的電壓。

總結(jié)

通過(guò)上文的介紹不難看出，霍爾效應(yīng)傳感器是根據(jù)霍爾效應(yīng)制作的一種磁場(chǎng)傳感器，可以廣泛地應(yīng)用于工業(yè)自動(dòng)化技術(shù)、檢測(cè)技術(shù)及信息處理等方面?；魻栃?yīng)是研究半導(dǎo)體材料性能的基本方法。

另外，霍爾效應(yīng)傳感器也是一個(gè)換能器，它將變化的磁場(chǎng)轉(zhuǎn)化為輸出電壓的變化?；魻杺鞲衅魇紫仁菍?shí)用于測(cè)量磁場(chǎng)，此外還可測(cè)量產(chǎn)生和影響磁場(chǎng)的物理量，例如被用于接近開(kāi)關(guān)、位置測(cè)量、轉(zhuǎn)速測(cè)量和電流測(cè)量設(shè)備。