霍尔传感器类型 霍尔传感器的分类及工作原理
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
霍尔传感器的分类
霍尔传感器按照在应用上实现功能的差异可分为开关型霍尔器件和线性型霍尔器件。下图详细画出了不同类型的霍尔器件随变化磁场(锯齿波磁场)的工作状态和特性曲线。
不同霍尔传感器工作状态和特性曲线
开关型霍尔
开关型霍尔电路可输出0、1电平，在无刷电机、位置检测、汽车点火装置等应用中使用非常广泛。
按检测磁极的特性和输出电平的状态，又可将开关型霍尔分为单磁极型开关，双磁极型开关和锁定型开关。
单磁极霍尔开关 只对特定极性（S级或N级）的磁场工作，例如上图(a)中的单磁极开关只在S极的磁场下工作。在B=0GS磁场的时候，输出管是关断的，如果增加外加磁场，输出管会一直维持关断状态，只有加强外加磁场强度到BOPS时，输出管才会打开。这一点称作“工作点”。之后若再继续升高外加磁场，输出状态维持不变，要使输出管重新关闭，只有降低磁场强度到BRPS，这一点称为“释放点”。若继续减小外加磁场甚至加反向N磁场的时候，输出管保持关闭状态不变，直到重新增加外加磁场到BOPS时，输出管才再次打开。单磁极开关在对极性敏感的场合应用广泛，例如在电动麻将机中可以精确的控制麻将机翻牌的一致性。
双磁极霍尔开关 则对S级和N级的磁场都工作。如上图(b)所示，S级工作时候和之前介绍的单磁极工作原理一样。不同之处在于当外加的反向N级磁场强度增加至 BOPN时，输出管也会被打开。之后当外加磁场减弱到BRPN时，输出管又重新关闭。所以双磁极霍尔开关有两个工作点和两个释放点。对磁场极性没有要求的场合会用到双磁极开关，例如在智能电表中，为防止不法人员利用磁铁来进行偷电就需要用到双磁极霍尔开关。
锁定型霍尔开关 是当外加磁场超过BOP时候，输出管打开，磁场撤消后输出状态仍可保持不不变，要想重新使输出管关断必须要施加一个反向的外磁场并且反向外磁场的值要大于BRP。它与单、双极磁场开关的区别在于无磁场的时候能够保持先前的输出状态不变。如上图(c)所示。锁定型霍尔开关在直流无刷风扇，电机马达中用来进行位置检测，从而控制电流换相。
开关型霍尔电路中除了工作点（BOP）和释放点（BRP）两个磁参数，还会用到一个磁滞窗口（BHYS）的概念。它的定义是相应工作点和释放点的差值的绝对值，即BHYS=|BOP-BRP|。此参数大小一般根据应用条件来进行设计，但设计过小容易造成霍尔开关易受外界干扰造成误动作。
线性霍尔
线性霍尔传感器 有较高的灵敏度，并且它的输出随磁场强度变化有良好的线性关系。利用线性霍尔输出电压与磁场强度的线性关系，线性霍尔在液位检测、距离检测和电动车线性调速等应用方面大展拳脚。
从上图(d)中线性霍尔电路的工作状态和特性曲线可以看到，在-BS到+BS磁场强度范围内，线性霍尔的输出电压与磁场有很好的线性关系。在外加S级磁场大于+BS或外加N级磁场小于-BS后，输出电压与磁场不再有线性关系，外加磁场继续增加，输出电压维持VH和VL基本不变。我们称-BS和+BS为线性霍尔电路的饱和磁场强度。
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