霍爾傳感器測磁場：如何利用霍爾元件來測量磁場？

原標題：如何利用霍爾元件來測量磁場？

霍爾元件分為線性特性和開關特性兩種，磁通計中的傳 感器大多采用具有線性特性的霍爾元件，開關特性隨磁體本 身的材料及形狀不同而異，低磁場時磁通飽和，直流無刷電動 機的控制一般采用具有開關元件的霍爾傳感器。它還會產生 不等位電勢，相應的也會有不等位電阻，原因是：霍爾電極安 裝不對稱或不在同一等電位上；半導體材料不均勻；激勵電極 接觸不良造成激勵電流不均勻。霍爾元件還存在負載特性， 當霍爾電極間串聯有負載時，由于要流過霍爾電流，故在其內 阻上產生壓降，實際的霍爾電勢比理論值略低。

2 測量方法與電路

霍爾傳感器的基本測量電路，電源 E 提供激勵電流，可變 電阻 RP 用于調節激勵電流 I 的大小，RL 為輸出霍爾電勢 uH 的負載電阻，一般用于表征顯示儀表、記錄裝置或放大器的輸 入阻抗。

3 霍爾元件不等位電勢進行補償

不等位電勢與霍爾電勢以及具有一定相同的數量級，有時我們甚至超 過霍爾電勢，而實用中要消除不等位電勢是極其嚴重困難的，因而 必須通過采用經濟補償管理辦法。分析等位基因的潛力，可以是霍爾效應元件或類似的橋梁，通過分析等位基因補償潛在的電橋平衡。 當電橋平衡時，不等位電勢為零。實際上，由于激勵電極 不在同一等位面上，此四個電阻阻值不相等，電橋不平衡，不 等位電勢不為零，可以根據兩電極電位的高低，判斷應在某一 橋壁上并聯一定的電阻，使電橋達到平衡，不等位電勢為零。

4 恒流源供電

根據霍爾效應的原理，在電磁檢測時當輸入電流恒定，霍 爾傳感器輸出的霍爾電勢僅由外界磁場的磁感應強度唯一決 定，因而宜采用恒電流源作為其工作輸入電源。 霍爾傳感器的工作電流通常在2~5mA，一般采用LM334Z 作為恒流源輸入。LM334Z 是一種 3 端可調恒流源，輸出一個電流 還有由外部影響電阻進行調節。 然而，半導體材料對溫度變化很敏感，因此通過二極管和電阻器進行溫度補償，以消除溫度對其輸出的影響。 電流I等于三路電流總和，根據給定溫度對電壓漂移的影 響系數 227uV/℃，二極管的溫度系數為 2.5mV/℃。經過基本 電路分析計算可得 I=0.134U/Rp 其中 U 為 LM334Z 上的電壓。因此可以通過調節 Rp 的 阻值來控制恒流源的輸出。

5 霍爾傳感器的應用

根據式U=KHIB，霍爾傳感器的應用可以分為下述三個方面： （1）當輸入電流恒定不變時，傳感器的輸出正比于磁感應 強度。因此，任何可以被轉換成在物理量的磁感應強度B的變化可被測量，例如位移，角度，速度和加速度。 （2）當磁感應技術強度 B 保持恒定時，傳感器的輸出一個正比于控制電流 I 的變化。因此，在當前的任何變化可以被轉換成一個物理量，可以測量和控制。 （3）由于霍爾電壓正比于控制工作電流 I 和磁感應強度 B，所以凡是我們可以通過轉換發展成為一個乘法的物理量（如功率）都可以進行分析測量。 根據霍爾元件的原理可以做成位移傳感器、霍爾式汽車 點火器和轉速器等。 在電磁場檢測方面，可以分別應用開關型霍爾和線性霍 爾，不同的特性應用區別很大。線性霍爾元件可以根據實際 的磁場強度來選擇相應的芯片來制作電磁傳感裝置，只是在 傳感器的輸出時要加入調理電路，將信號變送為需要的電壓 信號，具體的外部變送電路根據芯片資料提供的設計基本可 以完成檢測要求。開關特性霍爾元件，應用范圍很廣，主要用 于檢測脈沖信號或者計數的傳感器的設計。汽車電子的應用 中很多，例如在汽車助力轉向裝置中用于檢測轉動方向與角 度的轉角傳感器中，用開關型霍爾元件設計的用于計數的檢 測，將計數結果交給單片機處理，根據每個脈沖所經過的角度 計算出轉向跟轉過的角度，輸出一個力矩給執行裝置，達到助 力轉向的目的。

例如 ME3144，直接接入單片機 I/O 口就可以 檢測的到信號，或者可以上拉到 5V，檢測的效果不很明顯，最 大高度也很低，可能會影響到車子的整體性能。干簧管檢測 就很靈敏，而其檢測的最大高度較霍爾能好一些。

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霍爾傳感器測磁場：瑞芯微推出云終端方案RK3568，高性能，支持豐富接口

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1 m），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1 000次時，也就是1 km，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1 000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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霍爾傳感器測磁場：霍爾傳感器測磁場.doc

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目  錄
TOC o "1-3" p " " h z u   一、課程設計任務書…     …………………………………….…………….….. 2
 二、元件介紹…………………………………………………………………….… 3
 三、課程設計原理…………………………………………………………………... 6
 3.1霍爾效應………………………………………………………………………...  6
 3.2測磁場的原理,載流長直螺線管內的磁感應強度 …………………….. 8
 四、課程設計內容………………………………………………………...………... 10
 4.1電路補償調節……………………………………………………………...….. 10
 4.2失調電壓調零 …………………………………………………………….….. 10
 4.3按圖4-3接好信號處理電路…………………………………………… 10
 4.4按圖4-4接好總測量電路……………………………………………….…. 11
 4.5數據記錄與處理……………………………………………………….…… 12
 4.6數據擬合..……………………………………………………………….… 13
 五、成品展示……………………………………………………………………… 16
 六、分析與討論………………………………………………………………..….… 17
 實驗所需儀器…………………………………………………………………….…… 19
 個人總結………………………………………………………………………………... 20
 致謝…………………………………………………………………………….…………. 21
 參考文獻………………………………………………………………………..………. 22
 參考網址…………………………………………………………………………...……. 22

課程設計任務書
一、課程設計題目：集成霍爾傳感器測磁場
二、目的與要求：
1、目的：
（1）.了解霍爾傳感器的工作原理
（2）.掌握運用霍爾傳感器測量磁場的方法
2、基本要求：
（1）設計調零電路，將零磁場時的霍爾輸出電壓調為零。
（2）設計放大電路，將輸出的電壓值放大。
（3）測量數據并分析。
3、寫出設計說明書
按照設計過程寫出設計說明書。
三、設計中涉及到的重要內容：
1、集成霍爾傳感器；
2、測量電路；
二、元件介紹
CA3140
CA3140高輸入阻抗運算放大器,是美國無線電公司研制開發的一種BiMOS高電壓的運算放大器在一片集成芯片上，該CA3140A和CA3140 BiMOS運算放大器功能保護MOSFET的柵極（PMOS上）中的晶體管輸入電路提供非常高的輸入阻抗，極低輸入電流和高速性能。操作電源電壓從4V至36V（無論單或雙電源),它結合了壓電PMOS晶體管工藝和高電壓雙授晶體管的優點.(互補對稱金屬氧化物半導體)卓越性能的運放。
應用范圍:
.單電源放大器在汽車和便攜式儀表
.采樣保持放大器
.長期定時器
.光電儀表
.探測器
.有源濾波器
.比較器
.TTL接口
.所有標準運算放大器的應用
.函數發生器
.音調控制
.電源
.便攜式儀器

3503霍爾元件
UGN3503LT，UGN3503U和UGN3503UA霍爾效應傳感器準確地跟蹤磁通量非常小的變化，密度變化通常太小以致不方便操作霍爾效應開關。
可作為運動探測器，齒傳感器和接近探測器，磁驅動機械事件的鏡像。作為敏感電磁鐵的顯示器，就可以有效地衡量一個系統的負載量可以忽略不計的性能，同時提供隔離污染和電氣噪聲。每個霍爾效應集成電路包括一個霍爾傳感元件，線性放大器和射極跟隨器輸出級。
三種封裝形式提供了對磁性優化包大多數應用程序。封裝后綴“LT”是一個縮影SOT-89/TO243AA表面貼裝應用的晶體管封裝;后綴“U”是一個微型三引腳塑料SIP，而'UA'是一個三引腳超小型SIP協議。所有器件的額定連續運行溫度范圍為-20 °C至+
特點:
·極為敏感·至23 kHz的平坦的響應·低噪聲輸出·4.5 V至6 V的操作·磁性優化裝箱
圖2-4  3503霍爾元件封裝及引腳圖
三、課程設計原理
3.1霍爾效應
圖3-
把矩形的金屬或半導體薄片放在磁感應強度為的磁場中，薄片平面垂直于磁場方向。如圖3-1-1所示，在橫向方向通以電流I，那么就會在縱向方向的兩端面間出現電位差，這種現象稱為霍爾效應，兩端的電壓差稱為霍爾電壓，其正負性取決于載流子的類型。(圖3-1-1載流子為帶負電的電子，是N型半導體或金

霍爾傳感器測磁場：霍爾效應傳感器可測量磁場和檢測位置

霍爾效應開關和儀器級傳感器在工業應用中正變得越來越普及，如今產品和制造工藝設計師可以選用高度集成的各種霍爾效應器件。雖然在需要哪些規范以及磁場測量方面總的來說仍有許多困惑，但這些器件已被證明應用起來相當簡便。
本文引用地址：
在使用數量上只有溫度傳感器略勝一籌，但霍爾效應傳感器亦已被用于國內和商業應用中種類廣泛的設備，包括DVD、CD、內存驅動器、自動玩具、手機、汽車羅盤以及汽車點火系統。你還可以在線性、工業旋轉設備、位置檢測器以及軍事/航空設備中見到它們的身影。
制造和測試工程師使用各種類型的分立霍爾效應傳感器與儀器提供產品信息并監視制造工藝步驟。雖然在測量功能上與其它類型的傳感與儀器可能有些重疊，但對于某些類型的測量來說霍爾效應傳感器明顯是最佳選擇，甚至有些情況下沒有其它類型的測試設備能夠提供所需的數據，其中就包括對直流電流值、旋轉位置、間隙、表面或泄漏磁場值的測量。霍爾效應傳感器歷史部分提供了有關這些傳感器的一些背景知識。
霍爾效應傳感器的工作原理
當以一定角度穿過一片材料的磁場影響到在此材料中流動的電流時就會產生霍爾電壓。霍爾片通常是一片矩形的半導體材料，作為有源元件或“有源區域”產生霍爾電壓(圖1)。霍爾片有給定的長度l、寬度w和厚度t。
圖1：可以用直流磁場產生和測量霍爾電壓。
測量霍爾電壓
對于與霍爾片正交的磁通量矢量來說，最大霍爾電壓VH就是霍爾片磁場靈敏度γB 與磁場通量密度B的乘積，即：
VH=γBB
這是在霍爾片上可以測得的最大霍爾電壓。當霍爾片表面與磁通量矢量不是正交而是呈一個角度θ時，霍爾電壓VH等于：
VH=γBB × sinθ
電流I流經長度為l的霍爾片。電流是在觸點Ic(+)和Ic(-)之間流動的。磁場處于z方向，也就是說正交于霍爾片平面。由磁場施加的力被稱為洛倫茲力，它迫使電荷載體(空穴或電子)沿著圖示線條曲線向霍爾片邊緣移動。這個力是載流子速度和磁場強度的一個系數。最終在寬度為w的材料的觸點VH(+)和VH(-)之間測到的霍爾電壓正比于磁場的通量密度。
儀器配置
霍爾效應傳感器的支持設備包括用于提供電流Ic的電流源和用于測試觸點VH(+)和VH(-)之間霍爾電壓的電壓表。有些方案還采用負載電阻RL用于電壓測量，如圖2所示。許多類型的霍爾效應儀器提供這種支持電路的某個部分作為測量系統的有機組成部分。來自觸點VH(+)和VH(-)的電壓引線可以直接連接到高阻電壓表進行讀數，或連接到其它電路進行放大、調整和處理。(使用交流源和鎖相放大器的更復雜系統也可以用，但不在本文討論范圍內)
圖2：儀器中使用的霍爾發生器的典型配置。
應用
在工業環境中，霍爾效應器件一般服務于以下兩種主要應用之一：
● 測量磁場強度
● 檢測移動物體的接近、位置和旋轉參數
下文將討論每種應用，并提供了高效使用霍爾效應器件的一些技巧。
用于磁場測量的儀器級傳感器
當一種工業應用要求精確或經認證的磁場測量時，經常會采用儀器級霍爾效應器件。比較常見的一些儀器級應用包括電磁場控制、半導體離子注入束控制、磁體或磁性零件的受入檢查、在線磁化確認、磁場制圖、電流檢測以及連續磁場暴露監視等。作為這許多測量的替代方法，可以使用商用的高斯計。然而在實際應用中，物理或成本約束經常要求使用分立的霍爾傳感器和商用的電子設備。
儀器級霍爾器件用戶通常希望得到一個空間或空隙中或來自表面的磁場精確值。根據測量的空間特征，需要使用合適的安裝方法來安置和保持檢測元件。
典型的霍爾效應傳感器通常有橫向或軸向兩種配置(圖3)。橫向傳感器一般是很薄的矩形，設計用于磁路間隙測量、表面測量和開放磁場測量。軸向傳感器一般是圓柱體，用于環形磁鐵中心孔測量、螺線管磁場測量、表面磁場檢測和普通磁場檢測。
圖3：橫向和軸向霍爾傳感器的基本幾何形狀。
實用化考慮
高質量的傳感器可以提供高精度、卓越的線性度和低溫度系數。通常可以買到用于特定測量和儀器的合適探頭，而且制造商會提供經認證的校準數據。
儀器級霍爾效應傳感器的一些較為重要的實用化考慮因素有：
精度。設計師必須確定特定測量所需的精度。在沒有信號調節的條件下可以達到1.0%至2.0%的讀取精度。在許多應用中使用微處理器校正后可以達到0.4%的精度。
角度。如前所述，霍爾傳感器輸出是霍爾板與磁場矢量之間夾角θ的正弦函數。當磁場矢量垂直于器件平面(sin90°=1.0)時輸出達最大值，當磁場矢量與傳感器平面平等時輸出為最小值(接近0)。制造商會在最大輸出時校準霍爾傳感器，因此需要考慮測試夾具或探頭的角度誤差。
溫度。許多種傳感器方案都可以支持寬的溫度和磁場范圍。儀器級傳感器支持從1.5K (-271°C)至448K  (+175°C)的溫度范圍和從0.1高斯至30萬高斯的磁場范圍。霍爾傳感器有兩種溫度系數：一種是用于磁場靈敏度(校準)的溫度系數，另一種與偏差(零)變化有關。溫度對校準的影響是讀數誤差的一個百分數，零效應則是取決于溫度的一個固定磁場值誤差。偏差變化在低磁場讀數(小于100高斯)時更為重要。技術人員應該仔細研究制造商給出的兩種溫度系數指標，然后判斷某個特定應用是否能在目標溫度范圍內保持想要的精度。
輸入電流限制。建議設計師了解所要求的輸入電流值，并注意不要超過規定的最大值。記住，正常情況下霍爾效應器件是在某個電流值進行校準的。任何偏離校準電流的變化都會改變傳感器的輸出。然而，這也是一個可以利用的特性。只要不超過最大電流值，電流翻倍輸出也會跟著翻倍。
如前所述，基本的儀器級霍爾傳感器是一片具有4個電氣觸點的低阻材料。輸入和輸出電路彼此間是不隔離的，因此你必須避免使用輸入和輸出電路中的公共連接。為了滿足這個要求，你可以使用隔離式電流源或輸出的差分輸入放大。
傳感器安裝替代方案
在一些測量應用中，使用標準探頭是不切實際的或不合意的。相反，霍爾效應傳感器被直接安裝在機械組件上。定制化的傳感器安裝方式設計超出了本文的討論范圍。以下是在定制方式下有用的一些通用指南：
易碎性。霍爾傳感器特別脆弱，很容易因彎曲應力而受損。因此要避免霍爾片接觸施加直接壓力的表面或器件。在一些應用中，使用非導電的陶瓷或其它絕緣材料作為接口片。
綁定。必須仔細選擇綁定粘合劑，以便不給傳感器增加應力。當溫度變化不超出室溫±10℃時，普通環氧(如5分鐘風干類型)就很好了。一般不建議罐封，除非是在腐蝕性很高的環境條件下。還可以用其它一些綁定方法來減輕傳感器引線的應力，比如將它們綁定在安裝基板上。
加工的腔體。這些腔體可以用于軸向或橫向霍爾傳感器，傳感器頂部凹陷在表面下，有助于防止壓力接觸或磨損。
試管安裝。試管安裝方式(圖4)可以用于保護軸向霍爾傳感器。
推薦方法是為任何定制安裝應用選擇最具魯棒性的傳感器。采用陶瓷或笨酚封裝的單元一般來說最耐用。
圖4：軸向傳感器可以安裝在試管內，其中的傳感器可以暴露或凹陷在腔體內得到保護。橫向傳感器一般安裝在凹陷處。
集成的接近與旋轉傳感器
霍爾效應傳感器已被廣泛用于各種線性接近檢測設備，對接近設備的磁場變化進行響應。例如，檢測到的磁極可能接近與霍爾片垂直的傳感器，或者磁體經過傳感器的平面。這種運動將導致產生的電壓發生變化。附加的集成電路將霍爾電壓轉換成顯著更大的數字兼容信號。
角度檢測、旋轉和速度檢測使用相同的霍爾效應原理測試位置的重復性物理性變化。對于旋轉、速度或角度傳感器來說，磁極連接在旋轉物體上，比如電機軸，霍爾片是靜止的。眾所周知的角坐標應用包括檢測無刷直流電機的換向和發動機曲柄軸的旋轉角度。
用于接近、旋轉和電流檢測的各種類型設備都是某種形式的霍爾效應“開關”，由霍爾效應輸出觸發，然后饋送進其它集成電子電路。這種開關根據檢測到的磁場值或最近的磁場值和極性提供二元的高低輸出。當與載流線圈結合在一起時，霍爾效應開關還可以為過流電路斷路器提供電流值檢測。
開關工作模式
共有三種主要的工作類型：
雙極霍爾開關：要求南極和北極同時高于規定的幅值才能改變狀態，也被稱為閉鎖型開關。
單極正向霍爾開關：要求一個極。根據正向通量密度大于某個幅值或小于最小值(通常沒有磁場)改變狀態(低或高)。
單極負向霍爾開關：要求一個極。根據負向能量密度幅值大于某個值或小于最小值(即沒有磁場)改變狀態(高或低)。
霍爾片所處的磁場決定了輸出狀態。來自霍爾效應檢測器的信號被檢測、放大，然后用于控制輸出端的固態開關元件。到外部邏輯和控制元件(如CMOS或TTL電路)的連接是標準連接，帶有外部上拉電阻。由于大批量生產的原因，集成式霍爾效應器件(圖5)通常成本很低。
圖5：集成式霍爾效應器件的簡化原理圖。
最常用的封裝類型是表貼或兼容印刷線路板的引線類型(圖6)。與傳感器封裝有關的正負磁場方向在制造商提供的規格書中有定義。
圖6：霍爾效應傳感器的封裝類型。
為了使得這些器件在應用中更加有用，請記住：
● 當需要精確的磁場讀數時要選擇儀器級器件。接近檢測(角度或線性)最好選用集成式“開關”。
● 了解重要的參數，如磁場幅值，交流或直流磁場，交流頻率，溫度范圍，以及外部噪聲(磁性或電氣噪聲)
● 盡可能選擇更具魯棒性的封裝
● 如果準備使用永久磁鐵，請向磁鐵制造商尋求幫助。
霍爾效應傳感器歷史
自從1879年Edwin  H.Hall博士用一片金箔做實驗時出現這種行為后，霍爾效應的知識就被廣泛流傳開來。雖然現代傳感器的開發花去了全球科學家和工程師大量的時間和精力，但霍金的開發起到了拋磚引玉的作用。選取合適的材料是導致延遲的部分原因。在20世紀50年代中期之前，鉍是用于傳感器開發的最好實用材料。雖然仍然不理想，但鉍可以提供足夠的霍爾電壓和穩定性，完全可以在諸如電磁場控制器等設備中用作傳感器。
在20世紀40年代期間材料科學終于迎來了突破性進展，當時III-V族半導體是蘇聯的主要研究課題。德國西門子公司的科學家則首先認識到，新發現的這些化合物特性可以做出優異的霍爾效應器件(霍爾發電機)。
這類半導體具有霍爾效應應用所需的高載流子遷移率和高電阻率，并且在可變溫度條件下具有卓越的穩定性。到20世紀50年代晚期，美國俄亥俄州的研究人員發掘出砷化銦和銻化銦的獨特性能，并因此誕生了多家生產基于霍爾效應的產品的公司。作為儀器級傳感器，砷化銦器件在穩定性、低噪聲和最小溫度系統等方面的性能至今還未被其它材料超越。
許多年來，集成電路制造商一直在致力于向市場提供硅霍爾效應器件。它們的大批量生產設施和向傳感器增加其它電路的能力為低成本高度通用的器件帶來了希望。到20世紀70年代晚期，硅霍爾效應開關得到了長足發展。施密特觸發器和輸出晶體管的加入給業界帶來了極有影響力的器件，這種器件可以提供與磁場存在或消失有關的大輸出變化。但獲得精確和可重復的結果還存在一些問題。測量的結果通常會受到高溫度系數和可變開關校準的影響。直到20世紀80年代，現代校準和補償電路才使得當今的集成式傳感器達到了相當高的性能水平。