霍爾效應（HALL）是什么？霍爾效應傳感器工作原理解析

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2022-03-18 02:26:07 12

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。

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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。往往指標只給出最大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，有最低輸出飽和電壓和最高輸出飽和電壓。

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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