在各種傳感技術(shù)中，最常用和最廣泛的檢測(cè)磁場的方法是霍爾效應(yīng)法?；诨魻栃?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)中用作磁盤驅(qū)動(dòng)器索引傳感器和無刷風(fēng)扇的換向；在汽車中用作防抱死制動(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)是指放置在磁場中的載流導(dǎo)體的相對(duì)邊緣產(chǎn)生電壓。當(dāng)電流通過放置在磁場中的導(dǎo)體時(shí)，導(dǎo)體上會(huì)在垂直于磁場和電流的方向上產(chǎn)生電位差，其大小與電流和磁場成正比，這種現(xiàn)象被稱為霍爾效應(yīng)，它是許多磁場測(cè)量儀器和設(shè)備的基礎(chǔ)。

這里考慮一個(gè)簡單的設(shè)置來說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）流過它。電壓表的一對(duì)探頭連接到板的側(cè)面，使得在沒有磁場的情況下測(cè)量的電壓為零。

當(dāng)向極板上施加磁場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。如果磁場的極性反轉(zhuǎn)，則感應(yīng)電壓也會(huì)反轉(zhuǎn)穿過極板。這種現(xiàn)象就是霍爾效應(yīng)。

霍爾效應(yīng)是基于外部磁場和移動(dòng)電荷載流子之間的相互作用，通過磁場作用在移動(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，正式由于其中磁場使電荷的運(yùn)動(dòng)偏轉(zhuǎn)。將扁平導(dǎo)電條放置在磁場中，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?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)來感知磁場的存在，這種傳感器稱為霍爾效應(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?？刂齐娏魇┘釉诳刂贫俗由?，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，而磁場又可以由霍爾效應(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開關(guān)。與光電或電感傳感器相比，霍爾效應(yīng)IC開關(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)械限位開關(guān)、機(jī)床、計(jì)算機(jī)、鍵盤、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)沒有磁場時(shí)，測(cè)得的薄板電壓可以忽略不計(jì)。當(dāng)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(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強(qiáng)度。

主要類型

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成正比。

放大器具有偏置或固定偏移，因此當(dāng)磁場不存在時(shí)，偏置電壓出現(xiàn)在輸出端，這被認(rèn)為是零電壓?；魻栐幍拇艌隹梢允钦囊部梢允秦?fù)的。因此，當(dāng)感測(cè)到正磁場時(shí)，輸出電壓增加到高于零值，而當(dāng)感測(cè)到負(fù)磁場時(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)，通過在差分放大器的輸出端增加推挽晶體管、集電極開路或發(fā)射極開路，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：開或關(guān)，這些傳感器也稱為數(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，而低于參考值時(shí)，施密特觸發(fā)器關(guān)閉。

作為磁場函數(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)過程控制、生物醫(yī)學(xué)、汽車、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)葉片開關(guān)和霍爾效應(yīng)磁場強(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回移動(dòng)時(shí)，感應(yīng)磁場將發(fā)生變化。當(dāng)元素接近北極時(shí)，該場將為負(fù)，當(dāng)元素接近南極時(shí)，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(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)。從參考表面開始，這些信號(hào)代表測(cè)量的距離。這種類型的布置也稱為多位置感測(cè)，此類應(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(dòng)。

隨著通過腔室的流速增加，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)提供了簡單的液位測(cè)量，無需在罐內(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。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使用環(huán)形磁體?；魻杺鞲衅髅看蚊鎸?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、無刷直流電機(jī)傳感器

無刷直流電機(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)?；魻栃?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)體始終被磁場包圍，因此在該磁場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)體周圍的磁場強(qiáng)度成比例。

通過將霍爾效應(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(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，它將變化的磁場轉(zhuǎn)化為輸出電壓的變化。霍爾傳感器首先是實(shí)用于測(cè)量磁場，此外還可測(cè)量產(chǎn)生和影響磁場的物理量，例如被用于接近開關(guān)、位置測(cè)量、轉(zhuǎn)速測(cè)量和電流測(cè)量設(shè)備。

審核編輯 黃宇