磁性的魅力——“霸主”霍尔传感器

麦姆斯咨询报告显示，2013年，霍尔传感器占全球磁传感器市场份额的70%，此后五年，虽然各向异性磁阻传感器、巨磁阻传感器、隧道磁阻传感器等逐渐侵蚀一些霍尔传感器市场，但其依然占据半壁江山，在磁传感器市场保持着霸主地位。

2013-2018年全球磁传感器市场（按技术细分）

磁传感器生产厂商排名靠前的几位，如日本旭化成（AKM）、美国朗格（Allegro MicroSystems）、英飞凌（Infineon Technologies）、微开（Micronas Semiconductor）等均是霍尔传感器的主要厂家。到底是什么魅力，让霍尔传感器如此受到厂商和消费市场的青睐？

揭开霍尔传感器的神秘面纱

1879年，美国物理学家霍尔在研究金属导电机制发现霍尔效应。但因金属的霍尔效应很弱而一直没有实际应用案例，直到发现半导体的霍尔效应比金属强很多，利用这种现象才制作了霍尔元件。

在半导体薄膜两端通以控制电流I，并在薄膜的垂直方向施加磁感应强度为B的匀强磁场，半导体中的电子与空穴受到不同方向的洛伦兹力而在不同方向上聚集，在聚集起来的电子与空穴之间会产生电场，电场强度与洛伦兹力产生平衡之后，不再聚集，这个现象叫做霍尔效应。在垂直于电流和磁场的方向上，将产生的内建电势差，称为霍尔电压U。

霍尔电压U与半导体薄膜厚度d，电场B和电流I的关系为U=k(IB/d)。这里k为霍尔系数，与半导体磁性材料有关。

霍尔效应示意图

霍尔传感器利用霍尔效应的原理制作，主要有霍尔线性传感器、霍尔开关和磁力计三种。

1. 线性型霍尔传感器由霍尔元件、线性放大器和射极跟随器组成，它输出模拟量。输出电压与外加磁场强度呈线性关系，如下图所示，在B1～B2的磁感应强度范围内有较好的线性度，磁感应强度超出此范围时则呈现饱和状态。

线性型霍尔传感器工作原理

2. 开关型霍尔传感器由稳压器、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。

开关型霍尔传感器工作原理

3. 磁力计是利用霍尔效应产生的电势差来测算外界磁场的大小和极性。磁力计是采用CMOS工艺的平面器件。工艺相对一般IC更为简单，一般采用P型衬底上N阱上形成传感器件，通过金属电极将传感器与其他电路（如放大器、调节处理器等）相连。但这样设计的的霍尔传感器只能感知垂直于管芯表面的的磁场变化，因此增加了磁通集中器（magnetic flux concentrator），工艺上来讲就是做原来的管芯上增加一层坡莫合金，可探测平行于管芯方向的磁场。由此，霍尔传感器实现从单轴到三轴磁力计的跨越式发展。

图（a）增加磁通集中器的霍尔传感器的顶视图
图（b）增加磁通集中器的霍尔传感器的剖面图

霍尔传感器的“舞台”

2013年，全球霍尔效应传感器市场规模为12.11亿美元，预计2018年将达到15.88亿美元。霍尔传感器的历史最悠久，因测量范围广、体积小、价格便宜、结构牢固、对外界污染的忍耐力强等优点，有着广泛多样的应用。

2013-2018年全球霍尔效应传感器市场规模（单位：US$ million）

- 线性型霍尔传感器的应用：

霍尔线性器件拥有很宽的磁场量测范围，并能识别磁极。将霍尔传感器插入有缺口的铁芯线圈，当电流通过线圈时产生磁场，霍尔传感器则输出信号。 其应用领域有电力机车、地下铁道、无轨电车、铁路等，还可用于变频器中用于监控电量、光伏直流柜监测光伏汇流箱实时输出电流的作用、电动机保护等。 线性霍尔传感器还可以用于测量位置和位移。两块永久磁铁同极性相对放置，将线性型霍尔传感器置于中间，则磁场强度为零。当霍尔传感器发生位移时，传感器有一个电压输出，电压大小与位移大小成正比。利用这个原理，霍尔传感器可用于液位探测、水流探测等。

- 开关型霍尔传感器的应用：

霍尔开关器件无触点、无磨损、输出波形清晰、无抖动、无回跳、位置重复精度高，工作温度范围宽，可达-55℃～150℃。开关型霍尔传感经过一次磁场强度的变化，则完成了一次开关动作，输出数字信号，可以计算汽车或机器转速、ABS系统中的速度传感器、汽车速度表和里程表、机车的自动门开关、无刷直流电动机、汽车点火系统、门禁和防盗报警器、自动贩卖机、打印机等。

- 磁力计的应用：

磁力计广泛应用于智能手机、平板电脑和导航设备等移动终端，拥有巨大的市场前景。同时，磁力计可以与加速度计组成6轴电子罗盘，三种惯性传感器（加上陀螺仪）组合在一起还能实现9轴组合传感器，构成更强大的惯性导航产品。

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