【導讀】不同形式的傳感功能在許多應用場(chǎng)景中都至關(guān)重要。無(wú)論何種傳感形式，它都需要采用某種材料來(lái)充當傳感器，將一種特性轉換為另一種特性。在電子學(xué)中，傳感元件的物理特性會(huì )因傳感作用而改變，如電阻或電抗，人們可利用這些特性測量電流或電壓的變化。
霍爾效應
1879 年，埃德溫•霍爾發(fā)現，當在磁場(chǎng)中引入一個(gè)電流方向與磁場(chǎng)垂直的導體或半導體時(shí)，可以在與電流路徑成直角的方向測量到電壓?，F已證實(shí)，霍爾效應是電子等帶電粒子在電場(chǎng)和磁場(chǎng)下相互作用的結果。
霍爾效應應用在傳感器上的表現為：
如果導體上存在恒定電流則可以測量電壓差，或者如果導體上存在恒定電壓則可以測量電流差。電壓差與磁場(chǎng)強度成正比。這說(shuō)明霍爾效應的應用方式可以分為兩種，盡管這兩種方式的基礎效應是相同的。
相對于背景噪聲，因場(chǎng)變化而導致的信號電平很?。ǚ秶鸀?μV 級），因此要想利用信號電平，必須采用相當復雜的信號路徑。
這并非是在貶低埃德溫•霍爾的發(fā)現，但霍爾效應實(shí)際上是對洛倫茲力應用的延伸，洛倫茲力描述了電磁場(chǎng)變化引起的點(diǎn)電荷上的電磁力之間的相互作用。
簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，關(guān)于霍爾效應，洛倫茲力描述了磁場(chǎng)對帶電粒子的影響，特別是帶電粒子在穿過(guò)暴露在磁場(chǎng)中的導體時(shí)將被迫運動(dòng)的方向。這種物理運動(dòng)導體截面的電荷變多或變少，從而產(chǎn)生稱(chēng)為霍爾電壓的電位差。
01 霍爾效應電流檢測
霍爾效應依賴(lài)于磁場(chǎng)，因此可以作為一種非接觸技術(shù)以非侵入式的方式進(jìn)行應用。而最常見(jiàn)的電流檢測方式則與之不同，常見(jiàn)的電流檢測方式使用一個(gè)低值電阻作為分流器以測量通過(guò)該電阻的電壓差。利用霍爾效應進(jìn)行電流測量在大功率應用中具有天然的優(yōu)勢，因為它不依賴(lài)地電位作為參考。
使用傳統的霍爾效應電流傳感器 IC 時(shí)，需要將傳感器 IC 垂直于磁場(chǎng)放置，并使用一個(gè)集磁點(diǎn)（通常是一個(gè)環(huán)形或方形的鐵磁芯），將其放置在承載待測電流的導體周?chē)?。傳感?IC 通常被固定在鐵磁芯兩端之間形成的一個(gè)小氣隙中。
使用 IMC-Hall® 電流傳感器 IC 時(shí)，傳感元件應平行于電流放置，不需要配備鐵磁芯，但是可能需要屏蔽罩來(lái)抗串擾。只需將傳感器 IC 放置在電流母線(xiàn)或PCB板布線(xiàn)的上方即可測量其中的電流。這類(lèi)傳感器 IC 采用了集磁點(diǎn) IMC-Hall® 技術(shù)，Melexis 開(kāi)發(fā)的集磁點(diǎn) (IMC) 技術(shù)詳見(jiàn)下文。
從根本上說(shuō)，基于霍爾效應可以檢測電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)，而不是檢測電流本身。
02 霍爾效應位置檢測
同樣的原理還可用來(lái)檢測磁場(chǎng)是否存在或正在接近的磁場(chǎng)。將磁鐵放置在傳感器 IC 上方時(shí)，磁鐵運動(dòng)產(chǎn)生的霍爾電壓可以被有效地檢測、放大和處理。因此可以利用霍爾效應檢測物體相對于傳感器 IC 的位置甚至方向。
在簡(jiǎn)單的應用場(chǎng)景中（例如當筆記本電腦打開(kāi)或關(guān)閉時(shí)），其運用方式可能相對簡(jiǎn)單，而在檢測線(xiàn)性運動(dòng)或旋轉（例如可移動(dòng)對象的位置變化）時(shí)，其運用方式可能更為復雜。與霍爾效應的電流檢測相比，霍爾效應的位置檢測其應用范圍要廣泛得多。
03 集磁點(diǎn) (IMC)
因為霍爾效應的工作原理，大多數霍爾效應傳感器 IC 的缺點(diǎn)之一是用于感測場(chǎng)的霍爾板僅限于 1 個(gè)軸。
Melexis 開(kāi)發(fā)的集磁點(diǎn) (IMC) 有效解決了這個(gè)問(wèn)題，使霍爾效應的應用更加靈活。IMC 使霍爾效應傳感器 IC 可以在同一平面內同時(shí)檢測 X、Y 和 Z 三個(gè)軸的磁場(chǎng)，帶來(lái)多種應用優(yōu)勢，包括使傳感器 IC 取向更加靈活。
04 霍爾效應傳感IC在汽車(chē)中的應用
IMC 技術(shù)的引入意味著(zhù)霍爾效應可以應用于汽車(chē)行業(yè)的許多領(lǐng)域。通過(guò)三維操作，霍爾效應傳感器 IC 可用于檢測踏板的位置、轉向柱的旋轉和制動(dòng)桿的狀態(tài)以及電動(dòng)座椅的位置。
霍爾效應傳感器 IC 還應用于發(fā)動(dòng)機罩下，以監測泵和電機等運動(dòng)部件，還可以測量動(dòng)力總成帶電部件（如逆變器、蓄電池監測系統 (BMS) 或車(chē)載充電器 (OBC)）所消耗的電流。
本期結論
1 總的來(lái)說(shuō)，霍爾效應現象可以通過(guò)多種方式加以利用，如電流檢測和位置檢測。
2 盡管面臨著(zhù)諸如低信噪比或雜散場(chǎng)影響等巨大挑戰，電子工業(yè)已經(jīng)成功地開(kāi)發(fā)出基于霍爾效應的穩健、精確的傳感解決方案。
3 除了 Melexis IMC-Hall® 等專(zhuān)有技術(shù)，再加上強大的模擬前端和數字信號路徑的輔助，使霍爾效應可以應用于電流檢測和位置檢測，甚至在汽車(chē)行業(yè)等苛刻環(huán)境下也可應用。
本期作者簡(jiǎn)介
Nick Czarnecki 在 2011 年加入 Melexis，擔任現場(chǎng)應用工程師，并在 2015 年升任市場(chǎng)經(jīng)理。他的職責包括 Melexis 磁場(chǎng)傳感器 IC（包括三軸角傳感器 IC）的定義和推廣。
推薦閱讀：
