霍爾傳感器發(fā)展背景

21世紀(jì)人類全面進(jìn)入信息電子化時(shí)代，更依賴于外界信息采集技術(shù)，作為現(xiàn)代信息技術(shù)三大支柱技術(shù)之一的傳感器技術(shù)，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(chǎn)品，它被廣泛應(yīng)用到工業(yè)、汽車業(yè)、電腦、手機(jī)以及新興消費(fèi)電子領(lǐng)域。

未來幾年，隨著越來越多的汽車電子和工業(yè)設(shè)計(jì)企業(yè)轉(zhuǎn)移到中國(guó)，霍爾傳感器在中國(guó)市場(chǎng)的年銷售額保持到20％到30％的高速增長(zhǎng)。與此同時(shí)，霍爾傳感器的相關(guān)技術(shù)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(chǎng)前景。

霍爾傳感器的歷史進(jìn)程

近100多年來，霍爾效應(yīng)的應(yīng)用經(jīng)歷了三個(gè)階段：

第一階段

第一階段是從霍爾效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)到20世紀(jì)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(yīng)十分微弱，所以沒有引起人們的重視。這段時(shí)期也有人利用霍爾效應(yīng)制成磁場(chǎng)傳感器，但實(shí)用價(jià)值不大，到了1910年有人用金屬鉍制成霍爾元件，作為磁場(chǎng)傳感器。但是，由于當(dāng)時(shí)未找到更合適的材料，研究處于停頓狀態(tài)。

第二階段

第二階段是從20世紀(jì)40年代中期半導(dǎo)體技術(shù)出現(xiàn)之后，隨著半導(dǎo)體材料、制造工藝和技術(shù)的應(yīng)用，出現(xiàn)了各種半導(dǎo)體霍爾元件，特別是鍺的采用推動(dòng)了霍爾元件的發(fā)展，相繼出現(xiàn)了采用分立霍爾元件制造的各種磁場(chǎng)傳感器、磁羅盤、磁頭、電流傳感器、非接觸開關(guān)、接近開關(guān)、位置、角度、速度、加速度傳感器、壓力變送器、無刷直流電機(jī)以及各種函數(shù)發(fā)生器、運(yùn)算器等，應(yīng)用十分廣泛。

第三階段

第三階段是自20世紀(jì)60年代開始，隨著集成電路技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了將霍爾半導(dǎo)體元件和相關(guān)的信號(hào)調(diào)節(jié)電路集成在一起的霍爾傳感器。進(jìn)入20世紀(jì)80年代，隨著大規(guī)模超大規(guī)模集成電路和微機(jī)械加工技術(shù)的進(jìn)展，霍爾元件從平面向三維方向發(fā)展，出現(xiàn)了三端口或四端口固態(tài)霍爾傳感器，實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品的系列化、加工的批量化、體積的微型化。此外，20世紀(jì)70年代末，美國(guó)科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了量子霍爾效應(yīng)并因此獲得了1985年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

霍爾傳感器的定義及原理介紹

霍爾效應(yīng)傳感器也稱霍爾傳感器，是一個(gè)換能器，將變化的磁場(chǎng)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(chǎng)，此外還可測(cè)量產(chǎn)生和影響磁場(chǎng)的物理量，例如被用于接近開關(guān)、霍爾、位置測(cè)量、轉(zhuǎn)速測(cè)量和電流測(cè)量設(shè)備。

其最簡(jiǎn)單的形式是，傳感器作為一個(gè)模擬換能器，直接返回一個(gè)電壓。在已知磁場(chǎng)下，其距霍爾盤的距離可被設(shè)定。使用多組傳感器，磁鐵的相關(guān)位置可被推斷出。通過導(dǎo)體的電流會(huì)產(chǎn)生一個(gè)隨電流變化的磁場(chǎng)，并且霍爾效應(yīng)傳感器可以在不干擾電流情況下而測(cè)量電流，典型的構(gòu)造為將其和繞組磁芯或在被測(cè)導(dǎo)體旁的永磁體合成一體。

霍爾效應(yīng)傳感器通常被用于計(jì)量車輪和軸的速度，例如在內(nèi)燃機(jī)點(diǎn)火定時(shí)（正時(shí)）或轉(zhuǎn)速表上。其在無刷直流電動(dòng)機(jī)的使用，用來檢測(cè)永磁鐵的位置。上圖示中的輪子，帶有兩個(gè)等距的磁鐵，傳感器上的電壓在一個(gè)周期內(nèi)將兩次達(dá)到峰值，此設(shè)置通常被用來校準(zhǔn)磁盤驅(qū)動(dòng)的速率。

霍爾電流傳感器工作原理，標(biāo)準(zhǔn)圓環(huán)鐵芯有一個(gè)缺口，將霍爾傳感器插入缺口中，圓環(huán)上繞有線圈，當(dāng)電流通過線圈時(shí)產(chǎn)生磁場(chǎng)，則霍爾傳感器有信號(hào)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(guān)型霍爾傳感器兩種。霍爾器件具有許多優(yōu)點(diǎn)，它們的結(jié)構(gòu)牢固，體積小，重量輕，壽命長(zhǎng)，安裝方便，功耗小，頻率高（可達(dá)1MHZ），耐震動(dòng)，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(guān)器件無觸點(diǎn)、無磨損、輸出波形清晰、無抖動(dòng)、無回跳、位置重復(fù)精度高。

（一）開關(guān)型霍爾傳感器由穩(wěn)壓器、霍爾元件、差分放大器，斯密特觸發(fā)器和輸出級(jí)組成，它輸出數(shù)字量。開關(guān)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(huán)式和閉環(huán)式。閉環(huán)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(cè)量。

1、開關(guān)型

其中BOP為工作點(diǎn)“開”的磁感應(yīng)強(qiáng)度，BRP為釋放點(diǎn)“關(guān)”的磁感應(yīng)強(qiáng)度。

當(dāng)外加的磁感應(yīng)強(qiáng)度超過動(dòng)作點(diǎn)Bop時(shí)，傳感器輸出低電平，當(dāng)磁感應(yīng)強(qiáng)度降到動(dòng)作點(diǎn)Bop以下時(shí)，傳感器輸出電平不變，一直要降到釋放點(diǎn)BRP時(shí)，傳感器才由低電平躍變?yōu)楦唠娖健?/p>

Bop與BRP之間的滯后使開關(guān)動(dòng)作更為可靠。

2、鎖鍵型

當(dāng)磁感應(yīng)強(qiáng)度超過動(dòng)作點(diǎn)Bop時(shí)，傳感器輸出由高電平躍變?yōu)榈碗娖剑谕獯艌?chǎng)撤消后，其輸出狀態(tài)保持不變（即鎖存狀態(tài)），必須施加反向磁感應(yīng)強(qiáng)度達(dá)到BRP時(shí)，才能使電平產(chǎn)生變化。

3、線性型

輸出電壓與外加磁場(chǎng)強(qiáng)度呈線性關(guān)系，在B1～B2的磁感應(yīng)強(qiáng)度范圍內(nèi)有較好的線性度，磁感應(yīng)強(qiáng)度超出此范圍時(shí)則呈現(xiàn)飽和狀態(tài)。

4、開環(huán)式電流傳感器

由于通電螺線管內(nèi)部存在磁場(chǎng)，其大小與導(dǎo)線中的電流成正比，故可以利用霍爾傳感器測(cè)量出磁場(chǎng)，從而確定導(dǎo)線中電流的大小。利用這一原理可以設(shè)計(jì)制成霍爾電流傳感器。其優(yōu)點(diǎn)是不與被測(cè)電路發(fā)生電接觸，不影響被測(cè)電路，不消耗被測(cè)電源的功率，特別適合于大電流傳感。

霍爾傳感器的發(fā)展趨勢(shì)

霍爾傳感芯片是全球名列前茅的傳感器產(chǎn)品，在全球磁場(chǎng)傳感器市場(chǎng)所占份額超過了70%，它被廣泛應(yīng)用到工業(yè)、汽車業(yè)、電腦、手機(jī)以及新興消費(fèi)電子領(lǐng)域。未來幾年，隨著越來越多的汽車電子和工業(yè)設(shè)計(jì)企業(yè)轉(zhuǎn)移到中國(guó)，霍爾傳感器芯片在中國(guó)的年銷售額將保持20%到30%的高速增長(zhǎng)。

與此同時(shí)，霍爾傳感器芯片相關(guān)的技術(shù)仍在不斷完善，呈現(xiàn)出高集成度、低溫度性漂移、高靈敏度、低失調(diào)電壓、新型的霍爾元件結(jié)構(gòu)、微型化發(fā)展趨勢(shì)。

1.微型化趨勢(shì)

市場(chǎng)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(yīng)用，例如手機(jī)、電動(dòng)機(jī)中的間隙等領(lǐng)域。

2.高度集成

目前，霍爾傳感器已經(jīng)成為智能傳感器。例如，廠商基本上已經(jīng)把各種保護(hù)電路和補(bǔ)償電路、轉(zhuǎn)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(zhǎng)時(shí)間保持較高的可靠性是一個(gè)難題。當(dāng)霍爾長(zhǎng)期處于較高的工作溫度時(shí)，芯片與基板之間的引線鍵合將可能出現(xiàn)松動(dòng)或斷裂等現(xiàn)象，從而影響傳感器的正常工作。在一些工業(yè)應(yīng)用中，工作溫度高達(dá)160℃甚至185℃，霍爾傳感器要適合這些場(chǎng)合的應(yīng)用還需要提高溫度指標(biāo)。

4.高度靈敏

目前霍爾傳感器最高的靈敏度可以達(dá)到幾十高斯。在工業(yè)和汽車應(yīng)用領(lǐng)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(yīng)用任務(wù)。不斷提高霍爾傳感器的靈敏度可以開啟新的應(yīng)用市場(chǎng)，因此，這也是業(yè)界努力的目標(biāo)。

5.新的霍爾元件結(jié)構(gòu)

一般線性霍爾傳感器要實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)位置的測(cè)量，要采用非常復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，而好的結(jié)構(gòu)在國(guó)際上都有專利。采用這些結(jié)構(gòu)的企業(yè)需要繳納專利費(fèi)。為此，一些企業(yè)推出測(cè)量水平磁場(chǎng)的霍爾傳感器，它可以更易實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)的測(cè)量。

霍爾傳感器的技術(shù)難點(diǎn)

霍爾芯片的主要指標(biāo)有：靈敏度、精確度、溫度漂移、失調(diào)、線性度、動(dòng)態(tài)范圍等。對(duì)磁場(chǎng)精度要求不高的霍爾芯片已經(jīng)有一批相當(dāng)成熟的產(chǎn)品，但是霍爾盤的缺陷限制了其在高精度測(cè)量場(chǎng)合中的應(yīng)用。

溫度漂移和失調(diào)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(diào)電壓易使處理電路飽和，影響測(cè)量范圍。研究者主要從兩個(gè)方面改進(jìn)霍爾芯片性能：霍爾盤、信號(hào)處理電路。

霍爾盤

理想霍爾盤應(yīng)該具有高靈敏度、無失調(diào)電壓、無溫度漂移的特點(diǎn)。但在實(shí)際應(yīng)用中，由于霍爾盤制造工藝的誤差，會(huì)有一定的失調(diào)電壓，同時(shí)制作霍爾盤的材料受溫度影響，會(huì)使靈敏度和失調(diào)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(diào)電壓的溫度漂移。同時(shí)合適的霍爾盤形狀，也可以減小制造誤差，從而減小失調(diào)電壓。

根據(jù)霍爾效應(yīng)可知，任何四端口導(dǎo)電的材料都可以產(chǎn)生霍爾電勢(shì)。但并不是任何材料，任何形狀的霍爾盤都可以在實(shí)際中應(yīng)用。在實(shí)際應(yīng)用中，霍爾盤應(yīng)有高的靈敏度和低的失調(diào)電壓。霍爾效應(yīng)最初是在研究金屬時(shí)發(fā)現(xiàn)的，但是由于金屬中電子濃度很高，霍爾效應(yīng)很弱，金屬不適合作為霍爾盤的材料。在20世紀(jì)40年代中期，隨著半導(dǎo)體技術(shù)的出現(xiàn)，半導(dǎo)體用作霍爾盤的材料得到了很大的發(fā)展。

霍爾盤的幾何形狀會(huì)影響霍爾盤靈敏度和失調(diào)電壓漂移，為方便信號(hào)采集和后續(xù)處理，霍爾盤一般都設(shè)計(jì)成對(duì)稱形式，有方型、圓型、八角型和十字交叉型等。

失調(diào)電壓消除

由于制造工藝誤差和外界環(huán)境變化，在外界磁場(chǎng)強(qiáng)度為零時(shí)，霍爾盤會(huì)有一個(gè)不為零的輸出電壓，這個(gè)電壓就是霍爾盤失調(diào)電壓。霍爾盤的失調(diào)是霍爾盤與生俱來的，本身無法消除，必須通過后續(xù)處理電路消除。

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

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

溫度漂移補(bǔ)償

霍爾盤的靈敏度會(huì)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(yīng)的影響會(huì)加強(qiáng)。霍爾盤靈敏度的漂移會(huì)影響霍爾芯片的線性度，限制霍爾芯片在高精度測(cè)量場(chǎng)合中的應(yīng)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(bǔ)償霍爾盤的溫度漂移。首先，測(cè)出霍爾盤靈敏度變化量與溫度變化量的關(guān)系，存儲(chǔ)在寄存器中。當(dāng)溫度變化時(shí)，根據(jù)溫度變化量，從寄存器中得到靈敏度變化量，用該值補(bǔ)償靈敏度溫度漂移。此方法屬于開環(huán)補(bǔ)償。

另外一種方法是閉環(huán)回路補(bǔ)償，其方法是：在芯片內(nèi)部能夠產(chǎn)生一個(gè)不隨溫度變化參考磁場(chǎng)，此參考磁場(chǎng)通過霍爾盤產(chǎn)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(shí)補(bǔ)償?shù)裘舾卸鹊臏囟绕啤?/p>

霍爾傳感器的應(yīng)用領(lǐng)域

1.霍爾傳感器在汽車工業(yè)上的應(yīng)用

霍爾傳感器技術(shù)在汽車工業(yè)中有著廣泛的應(yīng)用，包括動(dòng)力、車身控制、牽引力控制以及防抱死制動(dòng)系統(tǒng)。為了滿足不同系統(tǒng)的需要，霍爾傳感器有開關(guān)式、模擬式和數(shù)字式傳感器三種形式。

霍爾傳感器可以采用金屬和半導(dǎo)體等制成，效應(yīng)質(zhì)量的改變?nèi)Q于導(dǎo)體的材料，材料會(huì)直接影響流過傳感器的正離子和電子。制造霍爾元件時(shí)，汽車工業(yè)通常使用三種半導(dǎo)體材料，即砷化鎵、銻化銦以及砷化銦。最常用的半導(dǎo)體材料當(dāng)屬砷化銦。

霍爾傳感器的形式?jīng)Q定了放大電路的不同，其輸出要適應(yīng)所控制的裝置。這個(gè)輸出可能是模擬式，如加速位置傳感器或節(jié)氣門位置傳感器，也可能是數(shù)字式。如曲軸或凸輪軸位置傳感器。

當(dāng)霍爾元件用于模擬式傳感器時(shí)，這個(gè)傳感器可以用于空調(diào)系統(tǒng)中的溫度表或動(dòng)力控制系統(tǒng)中的節(jié)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(zhuǎn)軸上，軸在旋轉(zhuǎn)時(shí)，霍爾元件上的磁場(chǎng)加強(qiáng)。其產(chǎn)生的霍爾電壓與磁場(chǎng)強(qiáng)度成比例。

當(dāng)霍爾元件用于數(shù)字信號(hào)時(shí)，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(fā)器連接。在這種配置中。傳感器輸出一個(gè)開或關(guān)的信號(hào)。

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

2.霍爾傳感器在出租車計(jì)價(jià)器上的應(yīng)用

霍爾傳感器在出租車計(jì)價(jià)器上的應(yīng)用：通過安裝在車輪上的霍爾傳感器A44E檢測(cè)到的信號(hào)，送到單片機(jī)，經(jīng)處理計(jì)算，送給顯示單元，這樣便完成了里程計(jì)算。

檢測(cè)原理，P3.2口作為信號(hào)的輸入端，內(nèi)部采用外部中斷0，車輪每轉(zhuǎn)一圈（設(shè)車輪的周長(zhǎng)是1m），霍爾開關(guān)就檢測(cè)并輸出信號(hào)，引起單片機(jī)的中斷，對(duì)脈沖計(jì)數(shù)，當(dāng)計(jì)數(shù)達(dá)到1000次時(shí)，也就是1km，單片機(jī)就控制將金額自動(dòng)增加。

每當(dāng)霍爾傳感器輸出一個(gè)低電平信號(hào)就使單片機(jī)中斷一次，當(dāng)里程計(jì)數(shù)器對(duì)里程脈沖計(jì)滿1000次時(shí)，就有程序?qū)?dāng)前總額累加，使微機(jī)進(jìn)入里程計(jì)數(shù)中斷服務(wù)程序中。在該程序中，需要完成當(dāng)前行駛里程數(shù)和總額的累加操作，并將結(jié)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(yīng)用

在有電流流過的導(dǎo)線周圍會(huì)感生出磁場(chǎng)，再用霍爾器件檢測(cè)由電流感生的磁場(chǎng)，即可測(cè)出產(chǎn)生這個(gè)磁場(chǎng)的電流的量值。由此就可以構(gòu)成霍爾電流、電壓傳感器。

因?yàn)榛魻柶骷妮敵鲭妷号c加在它上面的磁感應(yīng)強(qiáng)度以及流過其中的工作電流的乘積成比例，是一個(gè)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(qū)動(dòng)各種性質(zhì)的負(fù)載。因?yàn)榛魻柶骷膽?yīng)用原理簡(jiǎn)單，信號(hào)處理方便，器件本身又具有一系列的獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)，所以在變頻器中也發(fā)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(hù)昂貴的大功率晶體管。由于霍爾電流傳感器的響應(yīng)時(shí)間短于1μs，因此，出現(xiàn)過載短路時(shí)，在晶體管未達(dá)到極限溫度之前即可切斷電源，使晶體管得到可靠的保護(hù)。

隨著工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，霍爾傳感器的發(fā)揮空間也越來越大，但對(duì)它的穩(wěn)定性和安全性要求也更高，畢竟工業(yè)不同于消費(fèi)領(lǐng)域，不允許機(jī)器突然斷電或停止運(yùn)行。根據(jù)市場(chǎng)需求，未來的霍爾傳感器將更小，這樣才能滿足更多應(yīng)用領(lǐng)域，同時(shí)智能化，這樣才能滿足大數(shù)據(jù)時(shí)代的物聯(lián)網(wǎng)需求。

霍爾傳感器的未來展望

時(shí)代在發(fā)展，科技在進(jìn)步。任何事物都在不斷地更新?lián)Q代。不然就會(huì)被淘汰掉。霍爾傳感器也不例外。隨著社會(huì)的發(fā)展越來越快，更多的高科技產(chǎn)品離不開霍爾元件的控制，因此要不斷地創(chuàng)新才能永久發(fā)展。

此外，霍爾傳感器應(yīng)用的領(lǐng)域不同，因此各個(gè)市場(chǎng)對(duì)它的要求也不盡相同。隨著各個(gè)行業(yè)的終端應(yīng)用產(chǎn)品不斷發(fā)展，霍爾傳感器的微型化、高集成化、高靈敏度、耐溫性發(fā)展特性也會(huì)越來越凸顯。
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