霍尔传感器的基本结构原理并介绍几种不同种类霍尔的工作特性和应用范围

qrut

从霍尔效应被发现至今，由霍尔效应原理制作的各种磁传感器已经深入到各个领域，位置感应 无接触开关 无刷电机换相传感器 门磁 智能手机磁传感器 等等。由于技术一直发展，霍尔传感器的种类也不断增加，琳琅满目的不同种类的霍尔传感器的基本特性并不一定被所有人都了解，本文将会介绍一下霍尔传感器的基本原理，种类 ，特性 和应用范围，便于不熟悉的坛友有个大体的认识。


霍尔效应是美国物理学家霍尔（E.H.Hall，1855—1938）于1879年在研究金属的导电机制时发现的，当通有电流的半导体受垂直于导体表面的磁场作用时，半导体中的电子会在洛伦兹力（洛伦兹力方向可以参见左手定则，洛伦兹力提出者荷兰物理学家洛伦兹）的作用下向垂直于电流方向偏转和扩散，如下图，当磁场垂直接近p型半导体时电子向下扩散，向上产生空穴，这样扩散两端将产生电势差，进而产生霍尔电压。可以粗暴的理解为一条窄细的排水小渠，将手戳里面，这样水流被挤压排挤，不得不绕着你的手向两边扩散开来（注意这个形容并不严谨，只是为了帮助理解的形象化比喻）。



下面动图演示，来源外网相关文献。


利用霍尔效应制造的霍尔传感器有很多种，常见的包括：单极霍尔， 双极霍尔， 全极霍尔，线性霍尔， 和磁阻开关（这个虽然也被归类为霍尔，但是原理和霍尔有很大不同，后面会详解）等等。下图是长见的3144单极霍尔，单极霍尔只对一个磁极有反应，例如s极，对n极则没有反应，所以称为单极。 内部由霍尔传感器，差分放大器，施密特触发器和输出极组成，先霍尔传感器感应磁场变化，输出霍尔电压被放大器放大后进入施密特触发器整形，再三极管或mos组成的输出极输出信号。3144为三极管oc（集电极开路）输出




下图是参数，工作电压较宽，静态电流最大值不超过10ma，磁特性 工作点 释放点都为正，回差30，没有负磁通符合单极特性。


下图典型应用，由于oc输出，输出需要一颗上拉电阻，红色是我加入的测试电路，一颗led和一颗限流电阻1k。




下图 to-92封装的3144霍尔实物


为了更深入的了解特性，搭了一个简易的测试电路，为了简化电路采用led阴极接输出，因此测试电路里没加上拉电阻。


5v供电 先看下静态电流5ma，基本上是ma级，不高也不低。



下面测试视频，当s极接触正面时霍尔输出低电平，led点亮，离开会熄灭，没有锁存效应，n极靠近无反应，当s极接近霍尔反面同样没反应，n极接近霍尔反面霍尔开通，led点亮，说明某一表面只对一个磁极有响应，正反两面都能感应但，磁极方向相反，说明只对一个磁极方向敏感。
10.mp4 (5.34 MB, 下载次数: 0)

2023-9-12 09:34 上传

点击文件名下载附件

这个是led点亮时的电流，基本上只增加了led功耗。 单极霍尔常用在高速的无刷电机换相感应上，由于霍尔传感器一直工作没有休眠状态，因此感应频率较高，但功耗也较高。


下面u18 双极锁存霍尔，相比单极霍尔可以对两个磁极做出反应，并有闩锁锁存电路。




基本结构和单极类似，霍尔传感器变成了双极感应（实际上成品单极也是双极传感器，只不过内部屏蔽了一个磁极）。


基本参数 电压也是较宽，电流10ma ，工作点为正，释放点为负，说明需要反磁关断（反磁关断指s极开通后保持输出转态，直到n极靠近才关断）


下面u18实物


接好测试电路，管脚和单极兼容。


静态2ma，比手册低不少。



下面测试视频，可以看到s极接近正面霍尔输出低电平，led点亮，离开并不关断（输出被锁存），直到n极靠近才反磁关断，反面情况一样，只不过磁极相反。
18.mp4 (5.4 MB, 下载次数: 0)

2023-9-12 09:48 上传

点击文件名下载附件

带载led点亮时电流，双极霍尔需要两个磁极共同参与，具有锁存功能，在一些需要保持输出的场合比较适用，上电输出转态随机。


49e线性霍尔，线性霍尔不同于开关型霍尔，它的输出随外加磁场极性和强度变化，一定范围内线性变化，可以看到输出极为65ua线性电流源。


工作电流最大6ma，灵敏度0~+-100mt，说明对两个磁极都有响应。




下图特性曲线，可以看到输出随外加磁场变化关系图，ns磁极基本对称，由于内部单电源供电，输出空载基本在2分之1 vcc。例如输入5v 无磁场时输出电位在2.5v附近。




49e线性霍尔实物


测试电路


5v静态7ma，几个霍尔基本都是ma极。


无磁极时输出2.5v，和手册特性一样，2分之1 vcc。


下面视频演示，当s极逐渐靠近时输出电压升高，远离恢复2.5v，n极靠近时电压逐渐下降，led同时逐渐点亮，远离恢复2.5v ，反面测试效果一样，也是磁极相反。 当n极靠近时电压没有大幅下降的原因是霍尔输出驱动电流很小，输出下降时led被点亮钳位到vcc，因此n极下降幅度有限，属于测试电路输出阻抗原因，并非异常。 高阻输出时ns极电压反向线性变化且基本对称。
线性霍尔大量应用于接近传感器，电动车转把调速器，磁场测量等场合。
26.mp4 (7.28 MB, 下载次数: 0)

2023-9-12 10:01 上传

点击文件名下载附件

下图是全极霍尔内部框图，型号mh251，相较于双极霍尔相同点为都对两个磁极有反应，不同点，全极霍尔不区分磁极方向，只感应磁场有无，有磁体靠近不管ns极直接输出，离开就关断。
全极霍尔一般都是低功耗设计，内部有振荡电路，利用固定的短暂的取样脉冲取样磁信号，大部分时间工作在休眠状态，因此功耗很低。相比普通霍尔多了休眠唤醒和闩锁控制电路，输出为推挽输出。


参数，可以看到供电范围较小，电流很小最大不超10个ua，磁性能对ns磁场都有响应。

典型应用电路和管脚





这个是同类hal13s的工作时序图，可以看到取样时间仅70us，休眠时间70ms，取样后被闩锁输出电路锁存输出，保持输出转态直到下一个周期释放，因此功耗很低，但是副作用就是响应频率也很低，后面会说。




mh251实物图，sot23封装


由于低压版本，所以3v供电测试，可以看到静态小到稳压电源最小分辨率测不出。



串万用表测得静态电流9ua，比普通霍尔功耗低几百上千倍。



下面测试视频，可以看到无论ns极靠近霍尔都会开通，离开关断。全极霍尔常用在需要低功耗的场合，例如 手机翻盖磁传感器，智能水表，燃气表等等，仪器设备接近开关等等。
34.mp4 (4.12 MB, 下载次数: 0)

2023-9-12 10:18 上传

点击文件名下载附件

前面说了这种霍尔由于低功耗设备，所以响应频率较低，一般几hz到十几hz，超过就会神经。
下图砂轮片加磁铁


夹电钻上测试响应频率，4hz-6hz基本正常，再快就会神经，而且还是双磁铁。所以全极低功耗霍尔只适用于对采样速度不高的场合
34b.mp4 (3.55 MB, 下载次数: 0)

2023-9-12 10:22 上传

点击文件名下载附件

如果觉得全极霍尔功耗已经够低的了，那就错了，还有更低的，超低功耗的磁阻开关，这也是本文介绍的最后一款传感器，它利用的是amr磁阻效应，并非霍尔效应，和霍尔开关有较大不同。
磁阻效应简单说就是部分导体受特定角度磁场影响时其电阻会发生增大或减小。下图是坡莫合金的amr效应示意图，可以看到磁阻随磁场角度的不同而不同，曲线并不是绝对线性，当45度附近时线性度最好。


下图是磁阻传感器基本结构，上半图是一个压扁了的惠斯通电桥（由英国发明家克里斯蒂发明，被英国物理学家查尔斯·惠特斯通应用于电阻测量，得名惠斯通电桥），惠斯通电桥的基本特性就是对臂电阻乘积相等时，电桥输出为零，即所谓电桥平衡。早期常用于测电阻。由于封装和工艺限制，将坡莫合金“切”成菱形小段45度边，这样水平平行放置时就会自然形成45度夹角，多个菱形块水平排列再通过短路棒连接，这样当通过电流时导体内自然形成向上或向下的45度电流路径（45度能提供最佳线性），共四组电阻，对臂电流方向一致，当受到垂直方向的磁场作用时，电流向上的两个电阻臂的阻值会增加，向下的会减小，因此电桥不再平衡，输出误差电压。经下半图的差分放大器放大后得到感应信号。



磁阻传感器拥有极低的功耗，可以完全代替全极低功耗霍尔。下图vcs2373


并且管脚也兼容，下图内部框图可以看到感应区域利用的就是敏感导体组成的惠斯通电桥传感器，输出为推挽输出。



参数，可以看到静态电流只有0.5ua，比全极霍尔还有低一个数量级，但是响应频率同样不高只有15hz。


下图典型应用


vcs2373实物图 sot-23封装


实测3v供电静态电流仅0.4ua



下图测试视频，可以看到特性基本和全极霍尔一样，这种主要应用在对功耗要求较高的场合 电池供电的低功耗门磁 封条传感器等等。
42.mp4 (4.22 MB, 下载次数: 0)

2023-9-12 10:50 上传

点击文件名下载附件

以上为常用霍尔的基本结构原理和特性及其应用，此贴花费大量时间如果对你有用请多支持。

完

wangxiangtan2

目測，又是一篇精華

xxwwmm2017

又学到新知识了，谢谢分享。

ling11052001

感谢老师，上了一堂生动而有知识的课。简单有趣又容易懂，学习了

ray_aries

学习了！之前就接触过电动车把的线性霍尔，跟小风扇里边的开关型。看来这玩意也很复杂啊！

邪恶海盗

完全看不懂,我只知道小电驴那个转把好像里面有叫"霍尔"的东东...

aacyxjz

前排围观精华贴

asd832682

是不是在无刷电机里面用的多

sumandigit

好文章,  学习了.  好文章.......

msi12

霍尔传感器好像在汽车上用途广泛，比如加速踏板就是几个磁铁和霍尔传感器

看这个文字以前我还以为霍尔传感器就像晶体管一样，没想到里面有这么多电路。为了降低失调/偏置还用了斩波（Chopping）电路，这玩意比想象中复杂多了

半罐水

搬个小板凳来学习，谢谢分享。

轻烟

学习了，帖子详细
不知道是不是图太多飞原因，回复困难，点打赏一直显示“请稍候"

qrut

wangxiangtan2 发表于 2023-9-12 11:15
目測，又是一篇精華

谢谢支持～

qrut

xxwwmm2017 发表于 2023-9-12 11:23
又学到新知识了，谢谢分享。

谢谢支持～

qrut

ling11052001 发表于 2023-9-12 11:33
感谢老师，上了一堂生动而有知识的课。简单有趣又容易懂，学习了

谢谢支持～

qrut

ray_aries 发表于 2023-9-12 11:37
学习了！之前就接触过电动车把的线性霍尔，跟小风扇里边的开关型。看来这玩意也很复杂啊！ ...

谢谢支持～

qrut

邪恶海盗 发表于 2023-9-12 11:39
完全看不懂,我只知道小电驴那个转把好像里面有叫"霍尔"的东东...

嗯 电驴转把里面是线性霍尔～

qrut

aacyxjz 发表于 2023-9-12 11:42
前排围观精华贴

谢谢支持～

qrut

asd832682 发表于 2023-9-12 11:43
是不是在无刷电机里面用的多

嗯 无刷电机里常用～

qrut

sumandigit 发表于 2023-9-12 11:47
好文章,  学习了.  好文章.......

谢谢支持～