霍尔传感器工作原理及应用

-爱矽库 2020-6-15

霍尔传感器是根据霍尔效应制作的一种磁场传感器，用于检测磁场以及利用磁场变化来间接检测位置、力、速度等物理量，广泛应用在消费电器、智能家居、工业控制、汽车电子、物联网等众多领域。同时，产品的高可靠性也可以满足商业、工业以及航天等不同等级的应用要求。下面将介绍霍尔效应，霍尔器件分类，以及霍尔开关器件的内部电路、工作方式、选用依据、应用示例等。

一、霍尔效应

霍尔效应是电磁效应的一种，这一现象是由美国物理学家霍尔（E.H.Hall，1855—1938）于1879年在研究金属的导电机构时发现的。当电流垂直于外磁场通过导体时，载流子受到洛伦兹力的牵扯发生偏转，垂直于电流和磁场的放心会产生电场，从而在导体的两端产生电势差，这一现象就是霍尔效应，这个电势差也被称为霍尔电势差。后来发现半导体、导电流体等也有这种效应，而半导体的霍尔效应比金属强得多，人们利用这现象制成各种霍尔元件。霍尔效应应使用左手定则判断。

图1. 霍尔效应原理图

上图展示的霍尔效应，中间的方形薄片是导体或半导体，电极1和3之间施加电流Ic，沿薄片表面垂直方向施加磁场B，载流子流经薄片导体时受洛伦兹力作用，在电极2侧积累负电荷，在电极4侧积累正电荷，从而在电极2和4之间产生电位差VH。薄片是金属导体时，载流子就是电子，薄片是半导体时，载流子为电子或空穴。

霍尔效应从本质上讲是运动的带电粒子在磁场中受洛伦兹力作用引起的偏转。当带电粒子（电子或空穴）被约束在固体材料中，这种偏转就导致在垂直电流和磁场的方向上产生正负电荷的聚积，从而形成附加的横向电场。对于图2所示的半导体试样，若在X方向通以电流Is，在Z方向加磁场B，则在Y方向即试样A、A′电极两侧就开始聚集异号电荷而产生相应的附加电场。电场的指向取决于测试样品的电类型。显然，该电场会阻止载流子继续向侧面偏移。

图2.霍尔效应电势差形成示意图

载流子所受的横向电场力eEH与洛伦兹力相等时，样品两侧电荷的积累就达到平衡，故有：

（1）

其中EH为霍尔电场，V是载流子在电流方向上的平均漂移速度。设试样的宽为b，厚度为d，载流子浓度为n，则

（2）

由上面两式可得式(3)：

即霍尔电压VH（A、A′电极之间的电压）与ISB乘积成正比与试样厚度d成反比。比例系数RH=1/ne称为霍尔系数，它是反映材料霍尔效应强弱的重要参数，只要测出 VH（伏）以及知道Is（安）、B（高斯）和d（厘米）可按下式计算RH（厘米3/库仑）：

二、霍尔元件和霍尔集成电路

人们根据霍尔效应原理用半导体材料制成的元件叫霍尔元件(Hall Element)。它具有对磁场敏感、结构简单、体积小、频率响应宽、输出电压变化大和使用寿命长等优点，因此，在测量、自动化、计算机和信息技术等领域得到广泛的应用。这是一个简单的霍尔片，使用时常常需要将获得的霍尔电压进行放大。具体应用时一般将霍尔元件和它的信号处理电路集成在同一个芯片上，这就是霍尔集成电路(Hall IC)。

霍尔集成电路是随着半导体集成电路工业的发展近20年才出现的产品，但因它具有许多优点：结构牢固，体积小，重量轻，寿命长，安装方便，功耗小，频率高(可达1MHZ)，耐震动，不怕灰尘、油污、水汽及盐雾等污染或腐蚀，成本低，同时还有精度高、线性度好，无触点、无磨损，输出波形清晰、无抖动、无回跳，位置重复精度高（可达μm级），工作温度范围宽（用各种补偿和保护措施时可达－55℃～150℃），应用极其广泛。直接应用时，可检测出受检测磁场大小或磁特性。间接应用时，通过在受检对象上设置磁场，间接检测如力、力矩、压力、应力、位置、状态、位移量、时间、速度、加速度、角度、角速度、转数、转速等许多非电、非磁的物理量。

霍尔集成电路有很多其他称呼，如：霍尔效应集成电路（Hall Effect IC），霍尔效应传感集成电路(Hall Effect Sensor IC)，霍尔传感器(Hall Sensor),霍尔电路，霍尔IC。Hall有时也被翻译成霍耳，所以也可以称霍尔集成电路等。以下统称霍尔IC。

三、霍尔IC分类

霍尔IC通常按输出信号类型分为数字霍尔IC和线性霍尔IC两种。数字霍尔IC通过外部磁场的强弱控制输出导通或关断，类似开关的作用，因此常被称为开关型霍尔IC。线性霍尔IC输出为模拟信号，输出电压与外部磁场的强弱通常成线性关系。

开关型霍尔IC由稳压器、霍尔元件、差分放大器、斯密特触发器和输出级组成，它输出数字量。开关型霍尔IC通常又分为单极型霍尔IC(Unipolar)、锁存型霍尔IC（Latch）、双极型霍尔IC（Bipolar）、全极型霍尔IC(Omnipolar)四类。

线性型霍尔IC由霍尔元件、线性放大器和射极跟随器组成，它输出模拟量。线性霍尔IC又可分为开环式和闭环式。闭环式霍尔IC又称零磁通霍尔IC。线性霍尔IC主要用于交直流电流和电压测量。

四、选用依据

(1) 基本功能：确定选用霍尔元件、线性器件还是开关器件，开关器件要选择工作极性。

(2) 工作电压：工作电压可以从1.85V－24V有多种区间可选择。

(3) 激励方式：连续激励方式下霍尔元件始终通电、随时接收处理磁感应信号，功耗大。脉冲激励方式则通过一个时序电路，间歇控制霍尔元件及相关电路工作，可大幅减少电源消耗，对一些检测频度不高、磁场变化不快的应用来说很合适。

(4) 磁感应灵敏度：磁感灵敏度从低到高有10mT、5mT、3mT、1.5mT等几种。磁场强弱用磁通密度B来表述，单位为特斯拉（T）或高斯（G），换算关系为1T=10000G或1mT=10G。灵敏度的选择与磁铁磁场强弱、感应位置和距离有关。

(5) 输出级：输出级是指电路结构，有CMOS或双极型、单端或互补、集电极开路或带上拉电阻等多种组合输出方式。

(6) 常见封装方式：TO-92S、TO-94、SOT-89、SOT-23-3L、SOT-23-5L、TSOT-23-3L、DFNWB1616-6L

五、应用简介

霍尔IC应用极为广泛，家用电器、汽车、工业生产、通信等行业都有应用。多数器件应用时需要考虑机电融合问题，下面列出一些应用示意图。

1. 流量传感器

图3 流量传感器结构图

图3是一款即热式热水器上使用的流量传感器的结构示意图，水流通道中安装了一个叶轮，叶轮上端套着一个多极磁环，水流通过时，叶轮带动磁环旋转。密封顶盖上有一凹槽，正好嵌入霍尔器件，磁环与霍尔器件间距3mm。

水流驱动叶轮转动，霍尔元件就能感应到磁极信号变化，输出图示方波，MPU采样方波频率就可计算得到流量值，见图4。

图4.流量传感器波形图

直流无刷电机（BLDC）使用电子换向电路取代易磨损的电刷，定子采用多极绕组，上图中为3相6极，转子是超强永磁体，利用霍尔器件来检测转子的位置、方向和速度。工作时，依靠改变输入到定子线圈上的电流频率和波形，在绕组线圈周围形成一个绕电机几何轴心旋转的磁场，驱动永磁转子转动。无刷电机有寿命长、速度高且可调范围大等优点。

3. 偏磁式接近检测

图6. 偏磁式接近检测

如果无法在运动物体上设置磁铁来产生空间磁场变化，可采用偏磁式检测方式。即在霍尔器件背面偏置了一块磁铁，当器件正面有铁质物体靠近时，传感器处的磁通密度将发生变化，器件产生霍尔输出。英凌飞TLE49系列是用于此类速度检测的霍尔传感器件。

4.角度检测

通过判断多个线性霍尔元件的输出值，可用于检测磁场的旋转角度。

图7. 角度检测

5.号盘编码

图8. 号盘编码

滚轮或拨号盘（非接触式电位器）应用示意图。通过恰当放置两个双极霍尔开关器件的位置，在多极磁盘旋转时，产生正交相位开关信号输出，用MCU可计算出旋转方向和速度。可用于音量调节旋钮等场合。