霍尔效应的了解及应用

霍尔效应的背景：

1879年物理学家霍尔发现了霍尔效应，它定义了磁场和感应电压之间的关系，这种效应和传统的电磁感应完全不同。当电流通过一个位于磁场中的导体的时候，磁场会对导体中的电子产生一个垂直于电子运动方向上的作用力，从而在垂直于导体与磁感线的两个方向上产生电势差。

霍尔根据功能可分：

霍尔器件分为: 霍尔元件和 霍尔集成电路两大类，前者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。后者将霍尔片和它的信号处理电路集成在同一个芯片上。

1.霍尔元件

“霍尔元件可用多种半导体材料制作，如Ge、Si、InSb、GaAs、InAs、InAsP以及多层半导体异质结构量子阱材料等等。半导体中电子迁移率(电子定向运动的平均速度)比空穴迁移率高,因此N型半导体较适合于制造灵敏度高的霍尔元件霍尔元件。常用的半导体材料N型硅、N型锗、锑化铟、砷化铟和不同比例亚砷酸铟和磷酸铟组成的In型固溶体等。 其中N型锗容易加工,其霍尔常数、温度性能、输出线性都较好,应用非常普遍锑化铟元件由于在高温时霍尔常数大,所以输出较大,但对温度最敏感,尤其在低温范围内温度系数大;砷化铟的霍尔常数较小,温度系数也较小,输出线性好;砷化镓的温度特性和输出线性好,是较理想的材料,但价格较贵。不同材料适用于不同场合,锑化铟适用于作为敏感元件,锗和砷化铟霍尔元件适用于测量指示仪表。

2.霍尔集成电路

霍尔集成电路分为霍尔线性电路 和 霍尔开关电路前者输出模拟量，后者输出数字量。

2.1霍尔线性电路

霍尔线性电路由霍尔元件、差分放大器和射极跟随器组成。其输入是磁感应强度B，输出Vout和输入量B成正比。这类电路有很高的灵敏度和优良的线性度，适用于各种磁场检测。

2.2霍尔开关电路

霍尔开关电路又称霍尔数字电路，由稳压器、霍尔片、差分放大器，斯密特触发器和输出级组成。霍尔开关为有源磁电转换器件，它是在霍尔效应原理的基础上，利用集成封装和组装工艺制作而成，它可方便的把磁输入信号（磁感应信号）转换成实际应用中的电信号。

霍尔开关的输入端是以磁感应强度B来表征的，在外磁场的作用下B达到一定值，霍尔开关内部的触发器翻转，霍尔开关的输出电平状态也随之翻转。输出端一般采用晶体管输出。

霍尔器件的应用：

霍尔转速传感器

霍尔转速传感器应用方式主要有径向磁极、轴向磁极、遮断式。

基本原理是将转轴配上多组磁钢，当转轴转动时，每一项的磁极经过霍尔探头后，霍尔输出对应电压。高速转动时，传感器输出与旋转频率相关的脉冲信号，达到检测目的。

霍尔位移传感器

霍尔位移监测原理为：

让霍尔元件的工作电流保持不变，使其在一个均匀梯度磁场中移动，它输出的霍尔电压Vout值只由它在该磁场中的位移量Z来决定。用霍尔元件测量位移的优点很多：惯性小、频响快、工作可靠、寿命长。

霍尔压力传感器

常见的霍尔压力传感器：

被测压力由弹簧管1的固定端引入，弹簧管自由端与霍尔片3相连接，在霍尔片的上下垂直安放着两对磁极，使霍尔片处于两对磁极所形成的非均匀磁场中，霍尔片的四个端面引出四根导线，其中与磁钢2相平行的两根导线与直流稳压电源相连接，另两个用来输出信号。

即通过弹簧的形变使霍尔片的位置发生偏移，使施加在霍尔片上的磁感应强度发生了变化。最终霍尔电势发生变化。

实现电－磁－电的转换

众所周知，在有电流流过的导线周围会感生出磁场，该磁场与流过的电流的关系，可由安培环路定理求出。用霍尔器件检测由电流感生的磁场，即可测出产生这个磁场的电流的量值。由此，可以构成霍尔电流、电压传感器。

因为霍尔器件的输出电压与加在它上面的磁感应强度以及流过其中的工作电流的乘积成比例，是一个具有乘法器功能的器件，因而可用它检测电功率，构成具有各种特殊功能的霍尔功率计和霍尔电度表。

由输入的电信号建立的磁场，经霍尔器件的作用，实现了磁电变换后，又变成电信号输出，这一变换实现了输入－输出信号间的电隔离，由此可构成隔离放大器、隔离耦合器等许多新型产品。根据霍尔输出端是否增加负反馈机制，反而电流传感器又分为开环结构及闭环结构。

霍尔电流传感器

开关型：单极霍尔效应开关（数字输出）

单极霍尔效应开关具有磁操作阈值。如果霍尔单元的磁通密度大于工作阈值，则输出晶体管将导通;当磁通密度低于工作阈值时，晶体管将关闭。滞后是两个阈值之间的差异。该内置滞后页面即使在存在外部机械和电气噪声的情况下也能实现输出的净切换。单极霍尔效应的数字输出可适用于各种逻辑系统。这些设备非常适合与简单的磁棒或磁铁一起使用。单极霍尔开关的正面和背面都有磁极感应。在具体应用中，应注意磁铁磁极的安装。在相反的方向上，将引起单极非感测输出。

霍尔在汽车上的应用

传感器是电子技术中心的核心器件，是一种进行信号变化的装置的装置，它的作用是把被测的非电量信号转变为电量信号，是促进汽车技术全面发展的关键器件。

如汽车控制系统中的速度传感器，如霍尔开关电路构成的霍尔翼片传感器用于发动机的点火系统。如ABS防抱死系统中对各项速度的检测也多采用霍尔传感器。通过三维操作，霍尔效应传感器 IC 可用于检测踏板的位置、转向柱的旋转和制动杆的状态以及电动座椅的位置。还可以用霍尔电流传感器测量动力总成带电部件（如逆变器、蓄电池监测系统 (BMS) 或车载充电器 (OBC)）所消耗的电流。

霍尔以其优良的特性，优异的性价比，正逐渐被应用在交通，工业，生活等领域，了解霍尔的特性有助于我们更好地使用其传感器。伴随着其霍尔元件材质的更新迭代，包括新型材料AMR，GMR，TMR的诞生，相信产品性能能会更上一层楼。