霍爾傳感器發展背景

21世紀人類全面進入信息電子化時代，更依賴于外界信息采集技術，作為現代信息技術三大支柱技術之一的傳感器技術，是人類探知自然界信息的觸角。霍爾傳感器是全球排名第三的傳感器產品，它被廣泛應用到工業、汽車業、電腦、手機以及新興消費電子領域。

未來幾年，隨著越來越多的汽車電子和工業設計企業轉移到中國，霍爾傳感器在中國市場的年銷售額保持到20％到30％的高速增長。與此同時，霍爾傳感器的相關技術仍在不斷完善中，可編程霍爾傳感器、智能化霍爾傳感器以及微型霍爾傳感器將有更好的市場前景。

霍爾傳感器的歷史進程

近100多年來，霍爾效應的應用經歷了三個階段：

第一階段

第一階段是從霍爾效應的發現到20世紀40年代前期。最初，由于金屬材料中的電子濃度很大，而霍爾效應十分微弱，所以沒有引起人們的重視。這段時期也有人利用霍爾效應制成磁場傳感器，但實用價值不大，到了1910年有人用金屬鉍制成霍爾元件，作為磁場傳感器。但是，由于當時未找到更合適的材料，研究處于停頓狀態。

第二階段

第二階段是從20世紀40年代中期半導體技術出現之后，隨著半導體材料、制造工藝和技術的應用，出現了各種半導體霍爾元件，特別是鍺的采用推動了霍爾元件的發展，相繼出現了采用分立霍爾元件制造的各種磁場傳感器、磁羅盤、磁頭、電流傳感器、非接觸開關、接近開關、位置、角度、速度、加速度傳感器、壓力變送器、無刷直流電機以及各種函數發生器、運算器等，應用十分廣泛。

第三階段

第三階段是自20世紀60年代開始，隨著集成電路技術的發展，出現了將霍爾半導體元件和相關的信號調節電路集成在一起的霍爾傳感器。進入20世紀80年代，隨著大規模超大規模集成電路和微機械加工技術的進展，霍爾元件從平面向三維方向發展，出現了三端口或四端口固態霍爾傳感器，實現了產品的系列化、加工的批量化、體積的微型化。此外，20世紀70年代末，美國科學家發現了量子霍爾效應并因此獲得了1985年的諾貝爾物理學獎。

霍爾傳感器的定義及原理介紹

霍爾效應傳感器也稱霍爾傳感器，是一個換能器，將變化的磁場轉化為輸出電壓的變化。霍爾傳感器首先是實用于測量磁場，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、霍爾、位置測量、轉速測量和電流測量設備。

其最簡單的形式是，傳感器作為一個模擬換能器，直接返回一個電壓。在已知磁場下，其距霍爾盤的距離可被設定。使用多組傳感器，磁鐵的相關位置可被推斷出。通過導體的電流會產生一個隨電流變化的磁場，并且霍爾效應傳感器可以在不干擾電流情況下而測量電流，典型的構造為將其和繞組磁芯或在被測導體旁的永磁體合成一體。

霍爾效應傳感器通常被用于計量車輪和軸的速度，例如在內燃機點火定時（正時）或轉速表上。其在無刷直流電動機的使用，用來檢測永磁鐵的位置。上圖示中的輪子，帶有兩個等距的磁鐵，傳感器上的電壓在一個周期內將兩次達到峰值，此設置通常被用來校準磁盤驅動的速率。

霍爾電流傳感器工作原理，標準圓環鐵芯有一個缺口，將霍爾傳感器插入缺口中，圓環上繞有線圈，當電流通過線圈時產生磁場，則霍爾傳感器有信號輸出。

霍爾傳感器的分類

霍爾傳感器分為線型霍爾傳感器和開關型霍爾傳感器兩種。霍爾器件具有許多優點，它們的結構牢固，體積小，重量輕，壽命長，安裝方便，功耗小，頻率高（可達1MHZ），耐震動，不怕灰塵、油污、水汽及鹽霧等的污染或腐蝕。霍爾線性器件的精度高、線性度好；霍爾開關器件無觸點、無磨損、輸出波形清晰、無抖動、無回跳、位置重復精度高。

（一）開關型霍爾傳感器由穩壓器、霍爾元件、差分放大器，斯密特觸發器和輸出級組成，它輸出數字量。開關型霍爾傳感器還有一種特殊的形式，稱為鎖鍵型霍爾傳感器。

（二）線性型霍爾傳感器由霍爾元件、線性放大器和射極跟隨器組成，它輸出模擬量。

線性霍爾傳感器又可分為開環式和閉環式。閉環式霍爾傳感器又稱零磁通霍爾傳感器。線性霍爾傳感器主要用于交直流電流和電壓測量。

1、開關型

其中BOP為工作點“開”的磁感應強度，BRP為釋放點“關”的磁感應強度。

當外加的磁感應強度超過動作點Bop時，傳感器輸出低電平，當磁感應強度降到動作點Bop以下時，傳感器輸出電平不變，一直要降到釋放點BRP時，傳感器才由低電平躍變為高電平。

Bop與BRP之間的滯后使開關動作更為可靠。

2、鎖鍵型

當磁感應強度超過動作點Bop時，傳感器輸出由高電平躍變為低電平，而在外磁場撤消后，其輸出狀態保持不變（即鎖存狀態），必須施加反向磁感應強度達到BRP時，才能使電平產生變化。

3、線性型

輸出電壓與外加磁場強度呈線性關系，在B1～B2的磁感應強度范圍內有較好的線性度，磁感應強度超出此范圍時則呈現飽和狀態。

4、開環式電流傳感器

由于通電螺線管內部存在磁場，其大小與導線中的電流成正比，故可以利用霍爾傳感器測量出磁場，從而確定導線中電流的大小。利用這一原理可以設計制成霍爾電流傳感器。其優點是不與被測電路發生電接觸，不影響被測電路，不消耗被測電源的功率，特別適合于大電流傳感。

霍爾傳感器的發展趨勢

霍爾傳感芯片是全球名列前茅的傳感器產品，在全球磁場傳感器市場所占份額超過了70%，它被廣泛應用到工業、汽車業、電腦、手機以及新興消費電子領域。未來幾年，隨著越來越多的汽車電子和工業設計企業轉移到中國，霍爾傳感器芯片在中國的年銷售額將保持20%到30%的高速增長。

與此同時，霍爾傳感器芯片相關的技術仍在不斷完善，呈現出高集成度、低溫度性漂移、高靈敏度、低失調電壓、新型的霍爾元件結構、微型化發展趨勢。

1.微型化趨勢

市場上很多霍爾傳感器都采用了各種小型封裝。小體積的尺寸非常適合空間較小的應用，例如手機、電動機中的間隙等領域。

2.高度集成

目前，霍爾傳感器已經成為智能傳感器。例如，廠商基本上已經把各種保護電路和補償電路、轉換器集成到了霍爾傳感器上。

3.溫度性能

霍爾傳感器如何在高溫下長時間保持較高的可靠性是一個難題。當霍爾長期處于較高的工作溫度時，芯片與基板之間的引線鍵合將可能出現松動或斷裂等現象，從而影響傳感器的正常工作。在一些工業應用中，工作溫度高達160℃甚至185℃，霍爾傳感器要適合這些場合的應用還需要提高溫度指標。

4.高度靈敏

目前霍爾傳感器最高的靈敏度可以達到幾十高斯。在工業和汽車應用領域中，靈敏度在200高斯到500高斯的霍爾傳感器可以很好的完成應用任務。不斷提高霍爾傳感器的靈敏度可以開啟新的應用市場，因此，這也是業界努力的目標。

5.新的霍爾元件結構

一般線性霍爾傳感器要實現旋轉位置的測量，要采用非常復雜的結構，而好的結構在國際上都有專利。采用這些結構的企業需要繳納專利費。為此，一些企業推出測量水平磁場的霍爾傳感器，它可以更易實現旋轉的測量。

霍爾傳感器的技術難點

霍爾芯片的主要指標有：靈敏度、精確度、溫度漂移、失調、線性度、動態范圍等。對磁場精度要求不高的霍爾芯片已經有一批相當成熟的產品，但是霍爾盤的缺陷限制了其在高精度測量場合中的應用。

溫度漂移和失調電壓是霍爾盤最主要的缺陷，溫度漂移使霍爾傳感器的線性度變差，失調電壓易使處理電路飽和，影響測量范圍。研究者主要從兩個方面改進霍爾芯片性能：霍爾盤、信號處理電路。

霍爾盤

理想霍爾盤應該具有高靈敏度、無失調電壓、無溫度漂移的特點。但在實際應用中，由于霍爾盤制造工藝的誤差，會有一定的失調電壓，同時制作霍爾盤的材料受溫度影響，會使靈敏度和失調電壓隨溫度變化。選擇合適的霍爾盤材料可以減小靈敏度和失調電壓的溫度漂移。同時合適的霍爾盤形狀，也可以減小制造誤差，從而減小失調電壓。

根據霍爾效應可知，任何四端口導電的材料都可以產生霍爾電勢。但并不是任何材料，任何形狀的霍爾盤都可以在實際中應用。在實際應用中，霍爾盤應有高的靈敏度和低的失調電壓。霍爾效應最初是在研究金屬時發現的，但是由于金屬中電子濃度很高，霍爾效應很弱，金屬不適合作為霍爾盤的材料。在20世紀40年代中期，隨著半導體技術的出現，半導體用作霍爾盤的材料得到了很大的發展。

霍爾盤的幾何形狀會影響霍爾盤靈敏度和失調電壓漂移，為方便信號采集和后續處理，霍爾盤一般都設計成對稱形式，有方型、圓型、八角型和十字交叉型等。

失調電壓消除

由于制造工藝誤差和外界環境變化，在外界磁場強度為零時，霍爾盤會有一個不為零的輸出電壓，這個電壓就是霍爾盤失調電壓。霍爾盤的失調是霍爾盤與生俱來的，本身無法消除，必須通過后續處理電路消除。

H.Blanchard提出了一種靜態正交耦合消除失調電壓的方法，這種方法的思想是從互相垂直的兩個方向向霍爾盤注入電流時，失調電壓的極性相反。因而，可以使用兩個完全相同的霍爾盤，從兩個垂直方向輸入電流，把輸出進行相加，從而可以消除失調電壓。

但這種方法的缺點是：由于工藝制造的誤差，霍爾盤會有一定的差別，失調電壓不可能完全消除。Paun采用了旋轉電流技術，很大程度上抑制了失調電壓。

溫度漂移補償

霍爾盤的靈敏度會隨著溫度、器件老化和壓力而變化，特別是器件完成封裝之后這些效應的影響會加強。霍爾盤靈敏度的漂移會影響霍爾芯片的線性度，限制霍爾芯片在高精度測量場合中的應用。

許多高校和公司都提出了解決方法，LEM公司采用了查表法補償霍爾盤的溫度漂移。首先，測出霍爾盤靈敏度變化量與溫度變化量的關系，存儲在寄存器中。當溫度變化時，根據溫度變化量，從寄存器中得到靈敏度變化量，用該值補償靈敏度溫度漂移。此方法屬于開環補償。

另外一種方法是閉環回路補償，其方法是：在芯片內部能夠產生一個不隨溫度變化參考磁場，此參考磁場通過霍爾盤產生參考電壓，通過反饋回路使該參考電壓不隨溫度變化，同時補償掉敏感度的溫度漂移。

霍爾傳感器的應用領域

1.霍爾傳感器在汽車工業上的應用

霍爾傳感器技術在汽車工業中有著廣泛的應用，包括動力、車身控制、牽引力控制以及防抱死制動系統。為了滿足不同系統的需要，霍爾傳感器有開關式、模擬式和數字式傳感器三種形式。

霍爾傳感器可以采用金屬和半導體等制成，效應質量的改變取決于導體的材料，材料會直接影響流過傳感器的正離子和電子。制造霍爾元件時，汽車工業通常使用三種半導體材料，即砷化鎵、銻化銦以及砷化銦。最常用的半導體材料當屬砷化銦。

霍爾傳感器的形式決定了放大電路的不同，其輸出要適應所控制的裝置。這個輸出可能是模擬式，如加速位置傳感器或節氣門位置傳感器，也可能是數字式。如曲軸或凸輪軸位置傳感器。

當霍爾元件用于模擬式傳感器時，這個傳感器可以用于空調系統中的溫度表或動力控制系統中的節氣門位置傳感器。霍爾元件與微分放大器連接，放大器與NPN晶體管連接。磁鐵固定在旋轉軸上，軸在旋轉時，霍爾元件上的磁場加強。其產生的霍爾電壓與磁場強度成比例。

當霍爾元件用于數字信號時，例如曲軸位置傳感器、凸輪軸位置傳感器或車速傳感器，必須首先改變電路。霍爾元件與微分放大器連接，微分放大器與施密特觸發器連接。在這種配置中。傳感器輸出一個開或關的信號。

在多數汽車電路中，霍爾傳感器是電流吸收器或者使信號電路接地。要完成這項工作，需要一個NPN晶體管與施密特觸發器的輸出連接。磁場穿過霍爾元件，一個觸發器輪上的葉片在磁場和霍爾元件之間通過。

2.霍爾傳感器在出租車計價器上的應用

霍爾傳感器在出租車計價器上的應用：通過安裝在車輪上的霍爾傳感器A44E檢測到的信號，送到單片機，經處理計算，送給顯示單元，這樣便完成了里程計算。

檢測原理，P3.2口作為信號的輸入端，內部采用外部中斷0，車輪每轉一圈（設車輪的周長是1m），霍爾開關就檢測并輸出信號，引起單片機的中斷，對脈沖計數，當計數達到1000次時，也就是1km，單片機就控制將金額自動增加。

每當霍爾傳感器輸出一個低電平信號就使單片機中斷一次，當里程計數器對里程脈沖計滿1000次時，就有程序將當前總額累加，使微機進入里程計數中斷服務程序中。在該程序中，需要完成當前行駛里程數和總額的累加操作，并將結果存入里程和總額寄存器中。

3.霍爾電流傳感器在變頻器上的應用

在有電流流過的導線周圍會感生出磁場，再用霍爾器件檢測由電流感生的磁場，即可測出產生這個磁場的電流的量值。由此就可以構成霍爾電流、電壓傳感器。

因為霍爾器件的輸出電壓與加在它上面的磁感應強度以及流過其中的工作電流的乘積成比例，是一個具有乘法器功能的器件，并且可與各種邏輯電路直接接口，還可以直接驅動各種性質的負載。因為霍爾器件的應用原理簡單，信號處理方便，器件本身又具有一系列的獨特優點，所以在變頻器中也發揮了非常重要的作用。

在變頻器中，霍爾電流傳感器的主要作用是保護昂貴的大功率晶體管。由于霍爾電流傳感器的響應時間短于1μs，因此，出現過載短路時，在晶體管未達到極限溫度之前即可切斷電源，使晶體管得到可靠的保護。

隨著工業物聯網的發展，霍爾傳感器的發揮空間也越來越大，但對它的穩定性和安全性要求也更高，畢竟工業不同于消費領域，不允許機器突然斷電或停止運行。根據市場需求，未來的霍爾傳感器將更小，這樣才能滿足更多應用領域，同時智能化，這樣才能滿足大數據時代的物聯網需求。

霍爾傳感器的未來展望

時代在發展，科技在進步。任何事物都在不斷地更新換代。不然就會被淘汰掉。霍爾傳感器也不例外。隨著社會的發展越來越快，更多的高科技產品離不開霍爾元件的控制，因此要不斷地創新才能永久發展。

此外，霍爾傳感器應用的領域不同，因此各個市場對它的要求也不盡相同。隨著各個行業的終端應用產品不斷發展，霍爾傳感器的微型化、高集成化、高靈敏度、耐溫性發展特性也會越來越凸顯。
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