如何利用霍尔效应传感器进行测量，有哪些检测方法？

半导体技术的发展日新月异，涉及到我们生活的方方面面，如智能手机、平板电脑、地铁、汽车等等。随着应用的不断深入，对于半导体材料表征的要求也越来越高，而霍尔效应测试表征能直接测试出材料的电阻率、迁移率和载流子浓度及类型等，高精度的霍尔表征就变得尤为重要。

目前市面的霍尔测试主要分为直流霍尔测试、交流磁场霍尔测试、快速霍尔测试三种方法。

1、直流(DC)霍尔测试

一种比较通用的技术，对于霍尔测试而言，霍尔电压的精准测量至关重要。通常仪器测的电压中包含霍尔电压、偏置电压、热电压等。普通的半导体材料的霍尔电压很大，偏置电压、热电压等误差信号占比很小，所以分辨出霍尔电压比较容易。传统的仪表都采用这种测量方式。

2、交流磁场(AC)霍尔测试

对于低迁移率等材料，霍尔电压远远小于误差电压，用传统的直流磁场的方式测试很难测准确，AC交流磁场测试方法可以利用锁相放大器提取霍尔电压并将信号放大，再通过高精度的电压表将霍尔电压进行准确的测量。这种方式可测得的材料的迁移率低至10-3cm2/v s。市面上采用AC交流磁场测试方法的仪器有Lake Shore的8400系列(加AC交流磁场选件)霍尔测试系统，系统测试功能强大，可以根据样品需求选择高温、低温、高阻、低阻、偏压等选件。

3、快速霍尔测试技术(FastHall)

美国Lake Shore公司的新专★，其最新产品是M91快速霍尔测试仪。FastHall不需要像上述两种方法一样通过翻转磁场去除偏置电压误差。FastHall基于互易定理，利用旋转电流的方式达到和反转磁场一样的效果，大大提高测试速度，而极快的测试速度可以有效避免温度和偏置电压的影响，使测试更精确。M91还具备直流测试功能，并能够与您已有的永磁铁、电磁铁、超导磁体配合使用。例如和各个厂家的超导磁体，PPMS等设备进行连用，在高磁场及低温下进行快速的霍尔测试。

在磁性传感器中，利用霍尔效应的传感器称为霍尔传感器。霍尔传感器包括几个部分。首先，它包含一个霍尔元件，该霍尔元件输出通过霍尔效应产生的霍尔电压(HV)。其次，它包含一个霍尔IC，该霍尔IC使霍尔输出通过IC工艺变为高/低数字输出。第三，它包含一个线性霍尔IC，可放大并线性化霍尔输出。

1.霍尔元件

特点

霍尔元件是一个简单的传感器，其端子连接在半导体上，因此根据后续阶段的电路设计，它可以用于数字和模拟目的。输出电压可达几十到几百毫伏。

应用

霍尔元件用于智能电话和数码相机的无刷直流电动机和镜头致动器中。

2.霍尔IC

特点

霍尔IC将霍尔元件的输出与某个阈值进行比较，然后将其输出为高或低。由于输出电压范围由电源调节，因此可以将微型计算机轻松地连接到后续级。有可以检测磁场强度的开关类型和可以检测磁场极性的锁存类型。

应用

开关型霍尔IC用于家用电子产品的开/关开关，锁存型霍尔IC用于无刷电机或用于旋转检测。

3.线性霍尔IC

特点

线性霍尔IC将增益应用于霍尔元件的输出，从而产生线性输出(* 2)。由于输出电压范围由电源调节，因此MCU可以很容易地连接到下一级。

应用

线性霍尔IC用于液位计，电流传感器和角度检测。

霍尔电流传感器基于磁平衡式霍尔原理，根据霍尔效应原理，从霍尔元件的控制电流端通入电流，并在霍尔元件平面的法线方向上施加磁感应强度为b的磁场，那么在垂直于电流和磁场方向(即霍尔输出端之间)，将产生一个电势，称其为霍尔电势，其大小正比于控制电流与磁感应强度的乘积。

1、霍尔电流传感器的基本原理

霍尔器件是一种采用半导体材料制成的磁电转换器件。如果在一个输入端通入控制工作电流IC，当有一磁场B穿过该器件感磁面，则在进行输出端出现通过霍尔电机电势VH。

霍尔电势VH的大小与控制电流IC和磁通密度B的乘积成正比，即：VH=KHICBsinΘ

霍尔电流传感器是按照安培定律原理做成，即在载流导体周围产生一种正比于该电流的磁场，而霍尔器件则用来测量这一磁场。因此,使电流非接触测量成为可能。

2、 霍尔电流传感器的检测原理

由于磁路与霍尔器件的输出具有良好的线性关系，霍尔器件输出的电压信号U0可以间接反映测量电流I1的大小，即：I1∝B1∝U0

I1∝B1∝U0我们把U0定标为当被测电流I1为额定值时霍尔输出电压,U0等于50mV或100mV。这使得霍尔直接检测(无放大)电流传感器。

3、霍尔电流通过传感器的补偿工作原理

将产生磁通Φ1,被副边补偿线圈通过电流I2所产生磁通Φ2进行补偿后保持磁平衡状态(相互抵消),霍尔器件则始终处于检测零磁通作用。因此称之为霍尔磁补偿电流传感器。这种先进原理模式优于直检原理模式,突出优点是响应时间快与测量精度高,特别适用于弱小电流检测。

知道：Φ1=Φ2， I1N1=I2N2， I2=NI/N2·I1

当补偿电流I2流过测量电阻RM时，在RM两端转换成电压。做为传感器测量电压U0即：U0=I2RM

根据霍尔磁补偿原理，研制了一系列额定输入电流传感器。

磁补偿电流传感器由于要在磁环上缠绕数十圈的补偿线圈，增加了成本，但具有直接检测公式无法比拟的高精度和快速响应的优点。