前言信瑞達霍爾傳感器
伴随着城市人口和建設規模的擴大，各種用電設備的增多，用電量越來越大，城市的供電設備經常超負荷運轉，用電環境變得越來越惡劣，對電源的“考驗”越來越嚴重。據統計，每天，用電設備都要遭受120次左右各種的電源問題的侵擾，電子設備故障的60%來自電源。因此，電源問題的重要性日益凸顯出來。
原先作為配角，資金投入較少的電源越來越受到廠商和研究人員的重視，電源技術遂發展成為一門嶄新的技術。而今，小小的電源設備已經融合了越來越多的新技術。例如開關電源、硬開關、軟開關、參數穩壓、線性反饋穩壓、磁放大器技術、數控調壓、PWM、SPWM、電磁兼容等等。實際需求直接推動電源技術不斷發展和進步，為了自動檢測和顯示電流，并在過流、過壓等危害情況發生時具有自動保護功能和更高級的智能控制，具有傳感檢測、傳感采樣、傳感保護的電源技術漸成趨勢，檢測電流或電壓的傳感器便應運而生并在我國開始受到廣大電源設計者的青睐。
霍爾效應
霍爾效應從本質上講是運動的帶電粒子在磁場中受洛侖茲力作用引起的偏轉。當帶電粒子（電子或空穴）被約束在固體材料中，這種偏轉就導緻在垂直電流和磁場的方向上産生正負電荷的聚積，從而形成附加的橫向電場。對于圖一所示的半導體試樣，若在X方向通以電流Is，在Z方向加磁場B，則在Y方向即試樣A，A′電極兩側就開始聚積異号電荷而産生相應的附加電場。電場的指向取決定于試樣的電類型。顯然，該電場是阻止載流子繼續向側面偏移，
當載流子所受的橫向電場力eEH與洛侖茲力相等時，樣品兩側電荷的積累就達到平衡，故有
⑴
其中EH為霍爾電場，V是載流子在電流方向上的平均漂移速度。設試樣的寬為b，厚度為d，載流子濃度為n，則
⑵
由⑴、⑵兩式可得
⑶
即霍爾電壓VH（A、A′電極之間的電壓）與ISB乘積正比與試樣厚度d成反比。比例系數稱為霍爾系數，它是反映材料霍爾效應強弱的重要參數，隻要測出VH（伏）以及知道IIs（安）、B（高斯）和d（厘米）可按下式計算RH（厘米3/庫侖）
元件
根據霍爾效應，人們用半導體材料制成的元件叫霍爾元件。它具有對磁場敏感、結構簡單、體積小、頻率響應寬、輸出電壓變化大和使用壽命長等優點，因此，在測量、自動化、計算機和信息技術等領域得到廣泛的應用。
簡介
霍爾效應是磁電效應的一種，這一現象是霍爾（A.H.Hall，1855—1938）于1879年在研究金屬的導電機構時發現的。後來發現半導體、導電流體等也有這種
效應，而半導體的霍爾效應比金屬強得多，利用這現象制成的各種霍爾元件，廣泛地應用于工業自動化技術、檢測技術及信息處理等方面。霍爾效應是研究半導體材料性能的基本方法。通過霍爾效應實驗測定的霍爾系數，能夠判斷半導體材料的導電類型、載流子濃度及載流子遷移率等重要參數。霍爾器件是一種采用半導體材料制成的磁電轉換器件。
如果在輸入端通入控制電流IC，當有一磁場B穿過該器件感磁面，則在輸出端出現霍爾電勢VH。在磁場力作用下，在金屬或通電半導體中将産生霍耳效應，其輸出電壓與磁場強度成正比。基于霍耳效應的霍耳傳感器常用于測量磁場強度，其測量範圍從10Oe到幾千奧斯特。盡管人們早在1879年就知道了霍耳效應，但直到20世紀60年代末期，随着固态電子技術的發展，霍耳效應才開始被人們所應用。
自此，霍爾傳感器也得到了飛速的發展，并在汽車、工業、計算機等行業中得到廣泛應用，如齒輪速度檢測、運動與接近檢測及電流檢測等。霍耳傳感器的出現，解決了許多以往讓人感到棘手的問題。
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。
（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随器組成，它輸出模拟量。
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。.
開關型
如圖4所示，其中Bnp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Bnp時，傳感器輸出低電平，當磁感應強度降到動作點Bnp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。Bnp與BRP之間的滞後使開關動作更為可靠。
鎖鍵型
如圖5所示，當磁感應強度超過動作點Bnp時，傳感器輸出由高電平躍變為低電平，而在外磁場撤消後，其輸出狀态保持不變（即鎖存狀态），必須施加反向磁感應強度達到BRP時，才能使電平産生變化。
線性型
輸出電壓與外加磁場強度呈線性關系，如圖3所示，可見，在B1～B2的磁感應強度範圍内有較好的線性度，磁感應強度超出此範圍時則呈現飽和狀态。
開環式電流傳感器
由于通電螺線管内部存在磁場，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，從而确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，特别适合于大電流傳感。
霍爾電流傳感器工作原理如圖6所示，标準圓環鐵芯有一個缺口，将霍爾傳感器插入缺口中，圓環上繞有線圈，當電流通過線圈時産生磁場，則霍爾傳感器有信号輸出。
閉環式電流傳感器
磁平衡式電流傳感器也叫霍爾閉環電流傳感器，也稱補償式傳感器，即主回路被測電流Ip在聚磁環處所産生的磁場通過一個次級線圈，電流所産生的磁場進行補償，從而使霍爾器件處于檢測零磁通的工作狀态。
磁平衡式電流傳感器的具體工作過程為：當主回路有一電流通過時，在導線上産生的磁場被聚磁環聚集并感應到霍爾器件上，所産生的信号輸出用于驅動相應的功率管并使其導通，從而獲得一個補償電流Is。
這一電流再通過多匝繞組産生磁場，該磁場與被測電流産生的磁場正好相反，因而補償了原來的磁場，使霍爾器件的輸出逐漸減小。當與Ip與匝數相乘所産生的磁場相等時，Is不再增加，這時的霍爾器件起指示零磁通的作用，此時可以通過Is來平衡。被測電流的任何變化都會破壞這一平衡。一旦磁場失去平衡，霍爾器件就有信号輸出。經功率放大後，立即就有相應的電流流過次級繞組以對失衡的磁場進行補償。從磁場失衡到再次平衡，所需的時間理論上不到1μs，這是一個動态平衡的過程。
霍爾優點
1、霍爾傳感器可以測量任意波形的電流和電壓，如：直流、交流、脈沖波形等，甚至對瞬态峰值的測量。副邊電流忠實地反應原邊電流的波形。而普通互感器則是無法與其比拟的，它一般隻适用于測量50Hz正弦波；
2、原邊電路與副邊電路之間有良好的電氣隔離，隔離電壓可達9600Vrms；
3、精度高：在工作溫度區内精度優于1%，該精度适合于任何波形的測量；
4、線性度好：優于0.1%；
5、寬帶寬：高帶寬的電流傳感器上升時間可小于1μs；但是，電壓傳感器帶寬較窄，一般在15kHz以内，6400Vrms的高壓電壓傳感器上升時間約500uS，帶寬約700Hz。
6、測量範圍：霍爾傳感器為系列産品，電流測量可達50KA，電壓測量可達6400V。
霍爾電流傳感器使用時，需遵循以下注意事項：
1、為了得到較好的動态特性和靈敏度，必須注意原邊線圈和副邊線圈的耦合，要耦合得好，最好用單根導線且導線完全填滿霍爾傳感器模塊孔徑。
2、使用中當大的直流電流流過傳感器原邊線圈，且次級電路沒有接通電源|穩壓器或副邊開路，則其磁路被磁化，而産生剩磁，影響測量精度（故使用時要先接通電源和測量端M），發生這種情況時，要先進行退磁處理。其方法是次邊電路不加電源，而在原邊線圈中通一同樣等級大小的交流電流并逐漸減小其值。
3、霍爾傳感器都具有較強的抗外磁場幹擾能力，但是，為了獲得較高的測量準确度，當有較強的磁場幹擾時，要采取适當的措施來解決。通常方法有：
調整模塊方向，使外磁場對模塊的影響最小；
在模塊上加罩一個抗磁場的金屬屏蔽罩。
4、測量的最佳精度是在額定值下得到的，當被測電流遠低于額定值時，要獲得最佳精度，原邊可使用多匝，但是，需要注意導線的空間位置（參照第一條）。
霍爾用途
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、位置重複精度高（可達μm級）。取用了各種補償和保護措施的霍爾器件的工作溫度範圍寬，可達－55℃～150℃。
按被檢測的對象的性質可将它們的應用分為：直接應用和間接應用。前者是直接檢測出受檢測對象本身的磁場或磁特性，後者是檢測受檢對象上人為設置的磁場，用這個磁場來作被檢測的信息的載體，通過它，将許多非電、非磁的物理量例如力、力矩、壓力、應力、位置、位移、速度、加速度、角度、角速度、轉數、轉速以及工作狀态發生變化的時間等，轉變成電量來進行檢測和控制。
位移測量
兩塊永久磁鐵同極性相對放置，将線性型霍爾傳感器置于中間，其磁感應強度為零，這個點可作為位移的零點，當霍爾傳感器在Z軸上作△Z位移時，傳感器有一個電壓輸出，電壓大小與位移大小成正比。
力測量
如果把拉力、壓力等參數變成位移，便可測出拉力及壓力的大小，按這一原理可制成的力傳感器。
角速度測量
在非磁性材料的圓盤邊上粘一塊磁鋼，霍爾傳感器放在靠近圓盤邊緣處，圓盤旋轉一周，霍爾傳感器就輸出一個脈沖，從而可測出轉數（計數器），若接入頻率計，便可測出轉速。
線速度測量
如果把開關型霍爾傳感器按預定位置有規律地布置在軌道上，當裝在運動車輛上的永磁體經過它時，可以從測量電路上測得脈沖信号。根據脈沖信号的分布可以測出車輛的運動速度。
注意事項
（1）電流傳感器必須根據被測電流的額定有效值适當選用不同的規格的産品。被測電流長時間超額，會損壞末極功放管（指磁補償式），一般情況下，2倍的過載電流持續時間不得超過1分鐘。
（2）電壓傳感器必須按産品說明在原邊串入一個限流電阻R1，以使原邊得到額定電流，在一般情況下，2倍的過壓持續時間不得超過1分鐘。
（3）電流電壓傳感器的最佳精度是在原邊額定值條件下得到的，所以當被測電流高于電流傳感器的額定值時，應選用相應大的傳感器；當被測電壓高于電壓傳感器的額定值時，應重新調整限流電阻。當被測電流低于額定值1/2以下時，為了得到最佳精度，可以使用多繞圈數的辦法。
（4）絕緣耐壓為3KV的傳感器可以長期正常工作在1KV及以下交流系統和1.5KV及以下直流系統中，6KV的傳感器可以長期正常工作在2KV及以下交流系統和2.5KV及以下直流系統中，注意不要超壓使用。
（5）在要求得到良好動态特性的裝置上使用時，最好用單根銅鋁母排并與孔徑吻合，以大代小或多繞圈數，均會影響動态特性。
（6）在
大電流直流系統中使用時，因某種原因造成工作電源開路或故障，則鐵心産生較大剩磁，是值得注意的。剩磁影響精度。退磁的方法是不加工作電源，在原邊通一交流并逐漸減小其值。
（7）傳感器抗外磁場能力為：距離傳感器5～10cm一個超過傳感器原邊電流值2倍的電流，所産生的磁場幹擾可以抵抗。三相大電流布線時，相間距離應大于5～10cm。
（8）為了使傳感器工作在最佳測量狀态，應使用圖1－10介紹的簡易典型穩壓電源。
（9）傳感器的磁飽和點和電路飽和點，使其有很強的過載能力，但過載能力是有時間限制的，試驗過載能力時，2倍以上的過載電流不得超過1分鐘。
（10）原邊電流母線溫度不得超過85℃，這是ABS工程塑料的特性決定的，用戶有特殊要求，可選高溫塑料做外殼。
霍爾電壓傳感器和霍爾電流傳感器主要适用于工業控制領域的電壓和電流測量。由于傳感器一般不提供角差指标，對于需要準确測量交流電功率的場合，應對其角差指标進行驗證，這一點需特别注意。工頻電量測量可用互感器替代，變頻電量測量可用電壓、電流組合式的變頻功率傳感器替代。
市場前景
霍爾傳感器是全球排名第三的傳感器産品，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，随着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将保持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将有更好的市場前景。
【中國市場年增率為兩位數】
在我們的日常生活中，霍爾傳感器被廣泛應用。例如，在翻蓋或是滑蓋的手機中，用來檢測手機蓋翻開或是滑動的器件就是霍爾傳感器；再如，在電腦鍵盤上，實現光标移動的滾動鍵就是由霍爾傳感器組成的；還有，在汽車變速箱、電動門窗等需要電機的部件中也有霍爾傳感器應用。我們在每天的生活中都在與霍爾傳感器打交道。
“霍爾傳感器在手機、筆記本、電機控制和汽車領域已經獲得了很好的應用，在中國以及全球其他市場都是如此。”美信運放與比較器商務營銷經理PatrickLong對記者說，“随着業界對霍爾傳感器的投資越來越多，它會開啟一些新的應用市場，例如單芯片磁性羅盤應用市場等。”
“由于需要采用霍爾傳感器的應用領域，如汽車、電機、手機和電腦都已經采用了該器件，而且這些市場在未來幾年的增長較為穩定，而其他一些新的應用市場又不足以與上述幾個市場相比，因此霍爾傳感器在全球總的市場容量是較為穩定的，每年的增長率保持在5%到10%之間。”霍尼韋爾公司霍爾傳感器産品市場經理湯浩濱向記者介紹說，“中國的市場容量每年在一兩億美元左右。由于越來越多的設計企業轉移到中國，中國市場的年增長率可以達到20%到30%。”他還介紹說，在各種傳感器産品中，霍爾傳感器的應用量排名第三。
霍爾傳感器在中國的高速增長态勢也得到了處于市場前沿的分銷商的認可。代理Melexis産品的星亮電子北京辦事處的陶相逸介紹說，由于人們對汽車安全、排放以及舒适度等的要求越來越高，使得汽車電子的應用幾乎呈現指數級增長。與此同時，霍爾傳感器應用也呈現高速增長。
因為各種應用電機的部件、節氣門位置的檢測、各種閥體位置的檢測都會用到霍爾傳感器。而且，在中國汽車市場中，國外廠商為了降低成本，陸續将零部件拿到中國進行設計和生産，這也進一步提升了中國市場霍爾傳感器的應用量。而代理霍尼韋爾産品的深圳市貝爾特電子有限公司的劉先生則介紹說，這兩年他們接觸到的工業控制市場對霍爾傳感器的需求增長率以兩位數遞增。“這在市場上算是增速非常高的産品了。”他說，“隻要是用到無刷電機的市場就需要霍爾傳感器。”
【呈現五大發展趨勢】
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。“手機市場對霍爾傳感器的主要要求包括尺寸、功耗和可調節的阈值。”PatrickLong對記者分析說，“其中，可調的阈值允許客戶改變磁鐵的大小(或者說是磁場的大小)。這樣，客戶在不同的應用中，在采用同一個傳感器的情況下，可以使用不同的磁鐵。而且，為節省空間，客戶可以使用最小的磁鐵。”
在工業和汽車應用方面，霍爾傳感器首先要滿足工業或汽車認證對器件的要求，例如安全性、穩定性和溫度範圍要達到相應的級别。
随着這些終端應用産品的不斷發展，霍爾傳感器也呈現出五大發展趨勢：
一是微型化趨勢。市場上很多霍爾傳感器都采用了各種小型封裝。美信宣布将推出一種采用μCSP封裝（微米芯片級封裝）的霍爾傳感器，它的面積隻有1mm×1mm，這樣的尺寸非常适合空間較小的應用，例如手機、電動機中的間隙等領域。
二是高集成度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。”湯浩濱介紹說，“而為了實現可編程霍爾傳感器，廠商将EEROM（電可擦隻讀存儲器）集成進來也是一種趨勢。他補充介紹說，國内的需求正在向高端可編程霍爾傳感器的方向發展。因為可編程霍爾傳感器可以降低客戶生産環節的失效率，縮短生産的周期，提高生産的效率，所以受到客戶的歡迎。
三是溫度性能。Melexis産品經理VincentHiligsmann曾經介紹說，霍爾傳感器如何在高溫下長時間保持較高的可靠性将成為工程師的重大課題。因為，當霍爾傳感器長期處于較高的工作溫度時，芯片與基闆之間的引線鍵合(bonding)将可能出現松動或斷裂等現象，從而影響傳感器的正常工作。而湯浩濱則進一步介紹說，多數霍爾傳感器的工作溫度是65℃到85℃，這在汽車中還可以适用。但在一些工業應用中，工作溫度高達160℃甚至185℃，霍爾傳感器要适合這些場合的應用還需提高溫度指标。
四是高靈敏度。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高斯的霍爾傳感器就可以很好地完成應用任務。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标。PatrickLong表示，霍爾傳感器的挑戰之一就是電路必須能感應非常小的磁場以及磁場的細微變化。
五是新的霍爾元件結構。一般線性霍爾傳感器要實現旋轉位置的測量，要采用非常複雜的結構，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，因此沒有專利費問題。
此外，霍爾傳感器最初是被廣泛應用到汽車電子和工業控制中的，随着它在消費電子市場上的應用越來越廣，例如進入遊戲機手柄、電動玩具等應用中，如何控制功耗和成本也是廠商面臨的挑戰。而且，它還面臨生産測試技術方面的挑戰。
