【導(dǎo)讀】不同形式的傳感功能在許多應(yīng)用場景中都至關(guān)重要。無論何種傳感形式，它都需要采用某種材料來充當(dāng)傳感器，將一種特性轉(zhuǎn)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(yīng)
1879 年，埃德溫•霍爾發(fā)現(xiàn)，當(dāng)在磁場中引入一個(gè)電流方向與磁場垂直的導(dǎo)體或半導(dǎo)體時(shí)，可以在與電流路徑成直角的方向測量到電壓。現(xiàn)已證實(shí)，霍爾效應(yīng)是電子等帶電粒子在電場和磁場下相互作用的結(jié)果。
霍爾效應(yīng)應(yīng)用在傳感器上的表現(xiàn)為：
如果導(dǎo)體上存在恒定電流則可以測量電壓差，或者如果導(dǎo)體上存在恒定電壓則可以測量電流差。電壓差與磁場強(qiáng)度成正比。這說明霍爾效應(yīng)的應(yīng)用方式可以分為兩種，盡管這兩種方式的基礎(chǔ)效應(yīng)是相同的。
相對(duì)于背景噪聲，因場變化而導(dǎo)致的信號(hào)電平很?。ǚ秶鸀?μV 級(jí)），因此要想利用信號(hào)電平，必須采用相當(dāng)復(fù)雜的信號(hào)路徑。
這并非是在貶低埃德溫•霍爾的發(fā)現(xiàn)，但霍爾效應(yīng)實(shí)際上是對(duì)洛倫茲力應(yīng)用的延伸，洛倫茲力描述了電磁場變化引起的點(diǎn)電荷上的電磁力之間的相互作用。
簡單來說，關(guān)于霍爾效應(yīng)，洛倫茲力描述了磁場對(duì)帶電粒子的影響，特別是帶電粒子在穿過暴露在磁場中的導(dǎo)體時(shí)將被迫運(yùn)動(dòng)的方向。這種物理運(yùn)動(dòng)導(dǎo)體截面的電荷變多或變少，從而產(chǎn)生稱為霍爾電壓的電位差。
01 霍爾效應(yīng)電流檢測
霍爾效應(yīng)依賴于磁場，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(yīng)用。而最常見的電流檢測方式則與之不同，常見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該電阻的電壓差。利用霍爾效應(yīng)進(jìn)行電流測量在大功率應(yīng)用中具有天然的優(yōu)勢，因?yàn)樗灰蕾嚨仉娢蛔鳛閰⒖肌?/div>
使用傳統(tǒng)的霍爾效應(yīng)電流傳感器 IC 時(shí)，需要將傳感器 IC 垂直于磁場放置，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(dǎo)體周圍。傳感器 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(yīng)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抗串?dāng)_。只需將傳感器 IC 放置在電流母線或PCB板布線的上方即可測量其中的電流。這類傳感器 IC 采用了集磁點(diǎn) IMC-Hall® 技術(shù)，Melexis 開發(fā)的集磁點(diǎn) (IMC) 技術(shù)詳見下文。
從根本上說，基于霍爾效應(yīng)可以檢測電流產(chǎn)生的磁場，而不是檢測電流本身。
02 霍爾效應(yīng)位置檢測
同樣的原理還可用來檢測磁場是否存在或正在接近的磁場。將磁鐵放置在傳感器 IC 上方時(shí)，磁鐵運(yùn)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(yīng)檢測物體相對(duì)于傳感器 IC 的位置甚至方向。
在簡單的應(yīng)用場景中（例如當(dāng)筆記本電腦打開或關(guān)閉時(shí)），其運(yùn)用方式可能相對(duì)簡單，而在檢測線性運(yùn)動(dòng)或旋轉(zhuǎn)（例如可移動(dòng)對(duì)象的位置變化）時(shí)，其運(yùn)用方式可能更為復(fù)雜。與霍爾效應(yīng)的電流檢測相比，霍爾效應(yīng)的位置檢測其應(yīng)用范圍要廣泛得多。
03 集磁點(diǎn) (IMC)
因?yàn)榛魻栃?yīng)的工作原理，大多數(shù)霍爾效應(yīng)傳感器 IC 的缺點(diǎn)之一是用于感測場的霍爾板僅限于 1 個(gè)軸。
Melexis 開發(fā)的集磁點(diǎn) (IMC) 有效解決了這個(gè)問題，使霍爾效應(yīng)的應(yīng)用更加靈活。IMC 使霍爾效應(yīng)傳感器 IC 可以在同一平面內(nèi)同時(shí)檢測 X、Y 和 Z 三個(gè)軸的磁場，帶來多種應(yīng)用優(yōu)勢，包括使傳感器 IC 取向更加靈活。
04 霍爾效應(yīng)傳感IC在汽車中的應(yīng)用
IMC 技術(shù)的引入意味著霍爾效應(yīng)可以應(yīng)用于汽車行業(yè)的許多領(lǐng)域。通過三維操作，霍爾效應(yīng)傳感器 IC 可用于檢測踏板的位置、轉(zhuǎn)向柱的旋轉(zhuǎn)和制動(dòng)桿的狀態(tài)以及電動(dòng)座椅的位置。
霍爾效應(yīng)傳感器 IC 還應(yīng)用于發(fā)動(dòng)機(jī)罩下，以監(jiān)測泵和電機(jī)等運(yùn)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(jiān)測系統(tǒng) (BMS) 或車載充電器 (OBC)）所消耗的電流。
本期結(jié)論
1 總的來說，霍爾效應(yīng)現(xiàn)象可以通過多種方式加以利用，如電流檢測和位置檢測。
2 盡管面臨著諸如低信噪比或雜散場影響等巨大挑戰(zhàn)，電子工業(yè)已經(jīng)成功地開發(fā)出基于霍爾效應(yīng)的穩(wěn)健、精確的傳感解決方案。
3 除了 Melexis IMC-Hall® 等專有技術(shù)，再加上強(qiáng)大的模擬前端和數(shù)字信號(hào)路徑的輔助，使霍爾效應(yīng)可以應(yīng)用于電流檢測和位置檢測，甚至在汽車行業(yè)等苛刻環(huán)境下也可應(yīng)用。
本期作者簡介
Nick Czarnecki 在 2011 年加入 Melexis，擔(dān)任現(xiàn)場應(yīng)用工程師，并在 2015 年升任市場經(jīng)理。他的職責(zé)包括 Melexis 磁場傳感器 IC（包括三軸角傳感器 IC）的定義和推廣。
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