霍尔效应（HALL）是什么？霍尔效应传感器工作原理解析

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2022-03-18 02:24:08 5

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。

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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。往往指标只给出最大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，有最低输出饱和电压和最高输出饱和电压。

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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