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霍尔效应(HALL)是什么?霍尔效应传感器工作原理解析

发布时间:2022-03-18作者来源:萨科微浏览:2467


集成电路(Hall Effect IC),霍尔效应传感集成电路(Hall Effect Sensor IC),霍尔传感器(Hall Sensor),霍尔电路,霍尔IC。Hall有时也被翻译成霍耳,所以也可称霍耳集成电路等。以下简称霍尔IC。

霍尔IC通常按输出信号类型分为数字霍尔IC和线性霍尔IC。数字霍尔IC通过外部磁场的强弱控制输出导通或关断,类似开关的作用,因此常称为开关型霍尔IC。线性霍尔IC输出为模拟信号,输出电压与外部磁场的强弱通常成线性关系。

开关型霍尔IC常又分为单级型霍尔IC(Unipolar)、锁定型霍尔IC(Latch)、双级型 霍尔IC(Bipolar)、全级型霍尔IC(Omnipolar)四类。为便于说明,按通常约定,当外加 磁场的南极(S极)接近霍尔IC打有标志的一面时,作用到霍尔IC上的磁场方向为正,当北极 (N极)接近标志面时,磁场为负。

单级型霍尔IC:经常被称为开关霍尔IC、霍尔开关(Hall Switch)、霍尔效应开关(Hall Effect Switch)。只对单个磁极(常为S极)有响应。如图1,大多数单极霍尔IC,当S极面向标记面,且施加的磁感应强度B超过工作点(BOP)时(即B>BOP>0),输出导通, 输出由高变低。当磁感应强度减弱低于释放点(BRP)(即0<B<BRP)或撤除(B=0)时,输出关断, 输出由低变高。单级型霍尔IC在上电过程中如果外部磁场大于BOP,输出初始状态将为导通。相反,如上电过程中外部磁场小于BOP,输出初始状态将为关断。上电状态可确定是单级型霍尔IC的一个重要特性。

图1. 单极型霍尔 IC 输出特性图

锁定型霍尔IC:必须S极和N极交替作用于霍尔IC。如图2,大多数锁存型霍尔IC,当 S极面向标记面,且施加的磁感应强度超过工作点(BOP)(即B>BOP>0)时,输出导通, 输出由高变低。当磁感应强度减弱直至撤除(B=0),输出保持导通。当N极面向标记面,且施加的磁感应强度超过释放点(BRP)(即B<BRP<0)时,输出关断, 输出由低变高。锁定型霍尔IC上电过程中,如果外部磁场处于BOP和BRP之间,输出初始状态将不确定。

图2. 锁存型霍尔 IC 输出特性图

全级霍尔IC:是较新出现的类型,将S极和N极等同对待。一般情况下,如图3,任何一 个磁极面向标记面,且施加的磁感应强度B超过工作点(BOP)(即|B|>BOP), 输出导通, 输出由高变低。当磁感应强度减弱低于释放点(BRP)(即|B|<BRP)或撤除(B=0)时,输出关断, 输出由低变高。也有部分与以上输出状态相反的全级霍尔IC。全级霍尔IC这一类似干簧管的特性,在许多用于替换干簧管以提高可靠性。

图3. 全极型霍尔 IC 输出特性图

双级型霍尔IC:是比较早期的一种类型,最初因半导体工艺限制,生产出较的霍尔IC灵敏度分布范围很大,一致性差。同一型号霍尔,如图4,部分是锁存型的(中间曲线),部 分是单极型的(右边曲线),部分是N极单极型的(右边曲线),是三种的混合体。往往指标只给出[敏感词]BOP(>0)和最小BRP(<0),任何一颗双级型霍尔IC,不能确定是单级型霍尔IC、锁定型霍尔IC或负单极霍尔IC。目前,新型号中很少再有双级型霍尔IC。注意,很多用户会把双级型霍尔IC误认为(或称为)是锁定型霍尔IC,也有误认为(或称为)是全极型霍尔IC。

图4. 双极型霍尔 IC 输出特性图

线性霍尔IC:输出为模拟信号,输出电平在一定的范围类与外加磁场成线性关系,称为线性磁场范围。外加磁场超出线性磁场范围,将不再成线性关系,直至输出饱和,有[敏感词] 输出饱和电压和[敏感词]输出饱和电压。

图5. 线性霍尔 IC 输出特性图

以上是简单常用的霍尔IC,除了这些,近几年还出现了一些集成度高、功能复杂的专用霍尔 IC,如差分霍尔IC(双霍尔 IC),集成 ADC、DAC 和信号处理电路的旋转位置传感器、三轴位置传感器,集成了电机控制和驱动电路的无刷电机驱动芯片。此外,利用霍尔原理设计的电流传感器IC也是霍尔IC的一大类别。

随着手机、笔记本电脑、DV 等便携式设备的普及,对霍尔IC的功耗提出要求,由此产生了一类新的霍尔IC—微功耗霍尔IC。它是数字霍尔IC按功耗单独分出的一类,其内部采用休眠机制降低功耗,平均功耗可以达到 uA 级。它也可按功能分为单级型霍尔IC、锁定型霍尔IC、和全级霍尔IC三类。这类一般用于电池长期供电的系统。





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