霍爾效應

 

1879 年，埃德溫•霍huo爾er發fa現xian
，當dang在zai磁ci場chang中zhong引yin入ru一yi個ge電dian流liu方fang向xiang與yu磁ci場chang垂chui直zhi的de導dao體ti或huo半ban導dao體ti時shi，可ke以yi在zai與yu電dian流liu路lu徑jing成cheng直zhi角jiao的de方fang向xiang測ce量liang到dao電dian壓ya。現xian已yi證zheng實shi，霍huo爾er效xiao應ying是shi電dian子zi等deng帶dai電dian粒li子zi在zai電dian場chang和he磁ci場chang下xia相xiang互hu作zuo用yong的de結jie果guo。

 

霍爾效應應用在傳感器上的表現為：
 

如(ru)果(guo)導(dao)體(ti)上(shang)存(cun)在(zai)恒(heng)定(ding)電(dian)流(liu)則(ze)可(ke)以(yi)測(ce)量(liang)電(dian)壓(ya)差(cha)，或(huo)者(zhe)如(ru)果(guo)導(dao)體(ti)上(shang)存(cun)在(zai)恒(heng)定(ding)電(dian)壓(ya)則(ze)可(ke)以(yi)測(ce)量(liang)電(dian)流(liu)差(cha)。電(dian)壓(ya)差(cha)與(yu)磁(ci)場(chang)強(qiang)度(du)成(cheng)正(zheng)比(bi)。這(zhe)說(shuo)明(ming)霍(huo)爾(er)效(xiao)應(ying)的(de)應(ying)用(yong)方(fang)式(shi)可(ke)以(yi)分(fen)為(wei)兩(liang)種(zhong)，盡(jin)管(guan)這(zhe)兩(liang)種(zhong)方(fang)式(shi)的(de)基(ji)礎(chu)效(xiao)應(ying)是(shi)相(xiang)同(tong)的(de)。

 

相對於背景噪聲
，因場變化而導致的信號電平很小（範圍為 μV 級）
，因此要想利用信號電平，必須采用相當複雜的信號路徑。

 

 

這並非是在貶低埃德溫•霍爾的發現，但霍爾效應實際上是對洛倫茲力應用的延伸，洛倫茲力描述了電磁場變化引起的點電荷上的電磁力之間的相互作用。 

 

簡jian單dan來lai說shuo，關guan於yu霍huo爾er效xiao應ying，洛luo倫lun茲zi力li描miao述shu了le磁ci場chang對dui帶dai電dian粒li子zi的de影ying響xiang，特te別bie是shi帶dai電dian粒li子zi在zai穿chuan過guo暴bao露lu在zai磁ci場chang中zhong的de導dao體ti時shi將jiang被bei迫po運yun動dong的de方fang向xiang。這zhe種zhong物wu理li運yun動dong導dao體ti截jie麵mian的de電dian荷he變bian多duo或huo變bian少shao，從cong而er產chan生sheng稱cheng為wei霍huo爾er電dian壓ya的de電dian位wei差cha。 

 

01 霍爾效應電流檢測

 

霍(huo)爾(er)效(xiao)應(ying)依(yi)賴(lai)於(yu)磁(ci)場(chang)
，因(yin)此(ci)可(ke)以(yi)作(zuo)為(wei)一(yi)種(zhong)非(fei)接(jie)觸(chu)技(ji)術(shu)以(yi)非(fei)侵(qin)入(ru)式(shi)的(de)方(fang)式(shi)進(jin)行(xing)應(ying)用(yong)。而(er)最(zui)常(chang)見(jian)的(de)電(dian)流(liu)檢(jian)測(ce)方(fang)式(shi)則(ze)與(yu)之(zhi)不(bu)同(tong)，常(chang)見(jian)的(de)電(dian)流(liu)檢(jian)測(ce)方(fang)式(shi)使(shi)用(yong)一(yi)個(ge)低(di)值(zhi)電(dian)阻(zu)作(zuo)為(wei)分(fen)流(liu)器(qi)以(yi)測(ce)量(liang)通(tong)過(guo)該(gai)電(dian)阻(zu)的(de)電(dian)壓(ya)差(cha)。利(li)用(yong)霍(huo)爾(er)效(xiao)應(ying)進(jin)行(xing)電(dian)流(liu)測(ce)量(liang)在(zai)大(da)功(gong)率(lv)應(ying)用(yong)中(zhong)具(ju)有(you)天(tian)然(ran)的(de)優(you)勢(shi)，因(yin)為(wei)它(ta)不(bu)依(yi)賴(lai)地(di)電(dian)位(wei)作(zuo)為(wei)參(can)考(kao)。

 

 

使用傳統的霍爾效應電流傳感器 IC 時
，需要將傳感器 IC 垂直於磁場放置
，並使用一個集磁點（通常是一個環形或方形的鐵磁芯），將其放置在承載待測電流的導體周圍。傳感器 IC 通常被固定在鐵磁芯兩端之間形成的一個小氣隙中。

 

使用 IMC-Hall® 電流傳感器 IC 時，傳感元件應平行於電流放置，不需要配備鐵磁芯，但是可能需要屏蔽罩來抗串擾。隻需將傳感器 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 IMC-Hall® 技術，Melexis 開發的集磁點 (IMC) 技術詳見下文。

 

從根本上說
，基於霍爾效應可以檢測電流產生的磁場，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，磁鐵運動產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於傳感器 IC 的位置甚至方向。 

 

在簡單的應用場景中（例如當筆記本電腦打開或關閉時），其運用方式可能相對簡單
，而在檢測線性運動或旋轉（例如可移動對象的位置變化）時
，其運用方式可能更為複雜。與霍爾效應的電流檢測相比，霍爾效應的位置檢測其應用範圍要廣泛得多。 

 

 

03 集磁點 (IMC)

 

因為霍爾效應的工作原理
，大多數霍爾效應傳感器 IC 的缺點之一是用於感測場的霍爾板僅限於 1 個軸。

 

Melexis 開發的集磁點 (IMC) 有效解決了這個問題
，使霍爾效應的應用更加靈活。IMC 使霍爾效應傳感器 IC 可以在同一平麵內同時檢測 X


、Y 和 Z 三個軸的磁場，帶來多種應用優勢，包括使傳感器 IC 取向更加靈活。

 

 

04 霍爾效應傳感IC在汽車中的應用

 

IMC 技術的引入意味著霍爾效應可以應用於汽車行業的許多領域。通過三維操作，霍爾效應傳感器 IC 可用於檢測踏板的位置
、轉向柱的旋轉和製動杆的狀態以及電動座椅的位置。

 

霍爾效應傳感器 IC 還應用於發動機罩下，以監測泵和電機等運動部件

，還可以測量動力總成帶電部件（如逆變器、蓄電池監測係統 (BMS) 或車載充電器 (OBC)）所消耗的電流。 

 

本期結論

 

1 總的來說，霍爾效應現象可以通過多種方式加以利用，如電流檢測和位置檢測。

 

2 盡管麵臨著諸如低信噪比或雜散場影響等巨大挑戰
，電子工業已經成功地開發出基於霍爾效應的穩健、精確的傳感解決方案。

 

3 除了 Melexis IMC-Hall® 等deng專zhuan有you技ji術shu，再zai加jia上shang強qiang大da的de模mo擬ni前qian端duan和he數shu字zi信xin號hao路lu徑jing的de輔fu助zhu
，使shi霍huo爾er效xiao應ying可ke以yi應ying用yong於yu電dian流liu檢jian測ce和he位wei置zhi檢jian測ce
，甚shen至zhi在zai汽qi車che行xing業ye等deng苛ke刻ke環huan境jing下xia也ye可ke應ying用yong。

 

本期作者簡介

 

Nick Czarnecki 在 2011 年加入 Melexis，擔任現場應用工程師，並在 2015 年升任市場經理。他的職責包括 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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