【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)在磁場中引入一個電流方向與磁場垂直的導(dǎo)體或半導(dǎo)體時，可以在與電流路徑成直角的方向測量到電壓。現(xiàn)已證實，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。
相對于背景噪聲，因場變化而導(dǎo)致的信號電平很小（范圍為 μV 級），因此要想利用信號電平，必須采用相當(dāng)復(fù)雜的信號路徑。
這并非是在貶低埃德溫•霍爾的發(fā)現(xiàn)，但霍爾效應(yīng)實際上是對洛倫茲力應(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)體時將被迫運動的方向。這種物理運動導(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，因為它不依賴地電位作為參考。
使用傳統(tǒng)的霍爾效應(yīng)電流傳感器 IC 時，需要將傳感器 IC 垂直于磁場放置，并使用一個集磁點（通常是一個環(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小氣隙中。
使用 IMC-Hall® 電流傳感器 IC 時，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 IMC-Hall® 技術(shù)，Melexis 開發(fā)的集磁點 (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，磁鐵運動產(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），其運用方式可能相對簡單，而在檢測線性運動或旋轉(zhuǎn)（例如可移動對象的位置變化）時，其運用方式可能更為復(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 (IMC)
因為霍爾效應(yīng)的工作原理，大多數(shù)霍爾效應(yīng)傳感器 IC 的缺點之一是用于感測場的霍爾板僅限于 1 個軸。
Melexis 開發(fā)的集磁點 (IMC) 有效解決了這個問題，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)同時檢測 X、Y 和 Z 三個軸的磁場，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)和制動桿的狀態(tài)以及電動座椅的位置。
霍爾效應(yīng)傳感器 IC 還應(yīng)用于發(fā)動機(jī)罩下，以監(jiān)測泵和電機(jī)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(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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