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霍爾效應(HALL)是什么?霍爾效應傳感器工作原理解析

發布時間:2022-03-18作者來源:薩科微瀏覽:11480


集成電路(Hall Effect IC),霍爾效應傳感集成電路(Hall Effect Sensor IC),霍爾傳感器(Hall Sensor),霍爾電路,霍爾IC。Hall有時也被翻譯成霍耳,所以也可稱霍耳集成電路等。以下簡稱霍爾IC。

霍爾IC通常按輸出信號類型分為數字霍爾IC和線性霍爾IC。數字霍爾IC通過外部磁場的強弱控制輸出導通或關斷,類似開關的作用,因此常稱為開關型霍爾IC。線性霍爾IC輸出為模擬信號,輸出電壓與外部磁場的強弱通常成線性關系。

開關型霍爾IC常又分為單級型霍爾IC(Unipolar)、鎖定型霍爾IC(Latch)、雙級型 霍爾IC(Bipolar)、全級型霍爾IC(Omnipolar)四類。為便于說明,按通常約定,當外加 磁場的南極(S極)接近霍爾IC打有標志的一面時,作用到霍爾IC上的磁場方向為正,當北極 (N極)接近標志面時,磁場為負。

單級型霍爾IC:經常被稱為開關霍爾IC、霍爾開關(Hall Switch)、霍爾效應開關(Hall Effect Switch)。只對單個磁極(常為S極)有響應。如圖1,大多數單極霍爾IC,當S極面向標記面,且施加的磁感應強度B超過工作點(BOP)時(即B>BOP>0),輸出導通, 輸出由高變低。當磁感應強度減弱低于釋放點(BRP)(即0<B<BRP)或撤除(B=0)時,輸出關斷, 輸出由低變高。單級型霍爾IC在上電過程中如果外部磁場大于BOP,輸出初始狀態將為導通。相反,如上電過程中外部磁場小于BOP,輸出初始狀態將為關斷。上電狀態可確定是單級型霍爾IC的一個重要特性。

圖1. 單極型霍爾 IC 輸出特性圖

鎖定型霍爾IC:必須S極和N極交替作用于霍爾IC。如圖2,大多數鎖存型霍爾IC,當 S極面向標記面,且施加的磁感應強度超過工作點(BOP)(即B>BOP>0)時,輸出導通, 輸出由高變低。當磁感應強度減弱直至撤除(B=0),輸出保持導通。當N極面向標記面,且施加的磁感應強度超過釋放點(BRP)(即B<BRP<0)時,輸出關斷, 輸出由低變高。鎖定型霍爾IC上電過程中,如果外部磁場處于BOP和BRP之間,輸出初始狀態將不確定。

圖2. 鎖存型霍爾 IC 輸出特性圖

全級霍爾IC:是較新出現的類型,將S極和N極等同對待。一般情況下,如圖3,任何一 個磁極面向標記面,且施加的磁感應強度B超過工作點(BOP)(即|B|>BOP), 輸出導通, 輸出由高變低。當磁感應強度減弱低于釋放點(BRP)(即|B|<BRP)或撤除(B=0)時,輸出關斷, 輸出由低變高。也有部分與以上輸出狀態相反的全級霍爾IC。全級霍爾IC這一類似干簧管的特性,在許多用于替換干簧管以提高可靠性。

圖3. 全極型霍爾 IC 輸出特性圖

雙級型霍爾IC:是比較早期的一種類型,最初因半導體工藝限制,生產出較的霍爾IC靈敏度分布范圍很大,一致性差。同一型號霍爾,如圖4,部分是鎖存型的(中間曲線),部 分是單極型的(右邊曲線),部分是N極單極型的(右邊曲線),是三種的混合體。往往指標只給出[敏感詞]BOP(>0)和最小BRP(<0),任何一顆雙級型霍爾IC,不能確定是單級型霍爾IC、鎖定型霍爾IC或負單極霍爾IC。目前,新型號中很少再有雙級型霍爾IC。注意,很多用戶會把雙級型霍爾IC誤認為(或稱為)是鎖定型霍爾IC,也有誤認為(或稱為)是全極型霍爾IC。

圖4. 雙極型霍爾 IC 輸出特性圖

線性霍爾IC:輸出為模擬信號,輸出電平在一定的范圍類與外加磁場成線性關系,稱為線性磁場范圍。外加磁場超出線性磁場范圍,將不再成線性關系,直至輸出飽和,有[敏感詞] 輸出飽和電壓和[敏感詞]輸出飽和電壓。

圖5. 線性霍爾 IC 輸出特性圖

以上是簡單常用的霍爾IC,除了這些,近幾年還出現了一些集成度高、功能復雜的專用霍爾 IC,如差分霍爾IC(雙霍爾 IC),集成 ADC、DAC 和信號處理電路的旋轉位置傳感器、三軸位置傳感器,集成了電機控制和驅動電路的無刷電機驅動芯片。此外,利用霍爾原理設計的電流傳感器IC也是霍爾IC的一大類別。

隨著手機、筆記本電腦、DV 等便攜式設備的普及,對霍爾IC的功耗提出要求,由此產生了一類新的霍爾IC—微功耗霍爾IC。它是數字霍爾IC按功耗單獨分出的一類,其內部采用休眠機制降低功耗,平均功耗可以達到 uA 級。它也可按功能分為單級型霍爾IC、鎖定型霍爾IC、和全級霍爾IC三類。這類一般用于電池長期供電的系統。





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