霍尔传感器的分类及工作原理

霍尔效应是磁电效应的一种，这一现象是霍尔（A.H.Hall，1855—1938）于1879年在研究金属的导电机构时发现的。后来发现半导体、导电流体等也有这种效应，而半导体的霍尔效应比金属强得多，利用这现象制成的各种霍尔器件，广泛地应用于工业自动化技术、检 测技术及信息处理等方面。

霍尔器件分为: 霍尔元件（Hall element）和霍尔集成电路(Hall IC)两大类，前者是一 个简单的霍尔片，使用时常常需要将获得的霍尔电压进行放大。后者将霍尔片和它的信号处理电路集成在同一个芯片上。霍尔集成电路是随着半导体集成电路工业的发展近20年才出现的产品，但因它体积小，重量轻，寿命长，安装方便，功耗小，频率高，耐震动，不怕灰 尘、油污污染，成本低等优点，使其得到了极其广泛的应用。霍尔集成电路有很多其他称呼，如：霍尔效应集成电路(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常又分为单极型霍尔IC（Unipolar）、锁存型霍尔IC（Latch）、双极型霍尔IC（Bipolar）、全极型霍尔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。

单极型霍尔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。单极型霍尔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极型霍尔IC的一个重要特性。

图 1 单极型霍尔IC 输出特性图

锁存型霍尔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。锁存型霍尔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

全极霍尔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极霍尔IC。全极霍尔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

双极型霍尔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)，任何一颗双极型霍尔IC,不能确定是单极型霍尔IC、锁存型霍尔IC或负单极霍尔IC。目前，新型号中很少再有双极型霍尔IC。注意，很多用户会把双极型霍尔IC误认为（或称为）是锁存型霍尔IC，也有误认为（或称为）是全极型霍尔IC。

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极。它也可按功能分为单极型霍尔IC、锁存型霍尔IC、和全极霍尔IC三类。这类一般用于电池长期供电的系统。霍尔器件分类总结如图6。

图 6 霍尔器件分类

什么是霍尔传感器，它是如何工作的，有什么应用？

霍尔效应传感器

霍尔效应传感器是用来测量磁场大小的线性传感器。这些传感器利用霍尔效应原理，在检测到磁场时产生霍尔电压，用于测量磁感应强度。

线性传感器可以测量大范围的磁场。除了磁场，这些传感器还用于检测位置，速度。对于这些传感器来说，输出电压与磁场大小成正比。

霍尔效应传感器的工作原理

利用霍尔电压原理作为霍尔效应传感器的工作原理。在导体的薄带上，通电时电子沿直线流动。当这个带电导体与与电子运动方向垂直的磁场接触时，电子就会发生偏转。

一些电子被收集到一边，而另一些则被收集到另一边。因此，导体的一个平面表现为负电荷，而另一个表现为正电荷。这就产生了电位差和电压。这个电压叫做霍尔电压。

电子继续从平面的一边移动到另一边，直到电场作用在带电粒子上的力和引起磁场变化的力之间达到平衡。当这种分离停止时，该瞬间的霍尔电压值就给出了磁通量密度的测量值。

根据霍尔电压与磁通密度的关系，霍尔效应传感器有两种类型。在线性传感器中，输出电压与磁通密度成线性关系。在门限传感器中，在每个磁通密度下，输出电压都会急剧下降。

霍尔效应传感器可以看作是线性传感器。为了处理传感器的输出，这些需要一个线性电路，可以为传感器提供恒定的驱动电流，也可以放大输出信号。

霍尔效应传感器的用途是什么?

霍尔效应传感器便宜、坚固、可靠、小巧、易于使用，所以你会在许多不同的机器和日常设备中发现它们，从汽车点火装置到电脑键盘、工厂机器人到健身自行车

这是一个很常见的例子，你可能正在用在你的电脑上。在一个无刷直流电机(用于诸如硬盘和软盘驱动器之类的东西)，你需要能够在任何时候准确地感觉到电机的位置。安装在转子(电机的旋转部分)附近的霍尔效应传感器将能够通过测量磁场的变化来非常精确地探测其方向。这样的传感器还可以用来测量速度(例如，计算车轮或汽车发动机凸轮或曲轴的旋转速度)。你经常会在电子速度计和风速计(风速计)中发现它们，它们可以以类似的方式用于簧管开关。

图片:这个旧软盘驱动器上的小型直流无刷电机有三个霍尔效应传感器(红色圆圈表示)，它们位于电机的边缘，检测电机转子(一个旋转的永磁体)的运动(在这张照片上没有显示)。传感器不是很多看，正如你可以看到从特写照片在右边!

埃德温·霍尔的革命性发现花了几十年才流行起来，但现在它被用于各种领域——甚至是电磁空间火箭发动机。毫不夸张地说，霍尔的开创性工作产生了相当大的影响!

插图:典型的霍尔传感器是如何包装的。磁场可以非常小，所以我们需要我们的探测器尽可能地敏感，这是一种实现这一点的方法。霍尔芯片本身(绿色，17)安装在一个铁载体板(灰色，16)，夹在两个成型的塑料部分(灰色，11,12)。芯片由引线(19)连接到终端引脚(蓝色)，通过它可以连接到一个电路。但真正重要的部分是两个软铁“通量集中器”(橙色，15,21)，这使得该设备非常敏感。当你在传感器附近放置一块磁铁(22)时，这些集中器允许磁通量(磁场产生的磁场的“密度”)沿着霍尔芯片的一个连续环路流动，产生正电压或负电压。如果磁铁滑到传感器的另一侧，就会产生相反的电压。

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