【導讀】不同形式的傳感功能在許多應用場景中都至關(guān)重要。無論何種傳感形式，它都需要采用某種材料來充當傳感器，將一種特性轉(zhuǎn)換為另一種特性。在電子學中，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
1879 年，埃德溫•霍爾發(fā)現(xiàn)，當在磁場中引入一個電流方向與磁場垂直的導體或半導體時，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。
霍爾效應應用在傳感器上的表現(xiàn)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。電壓差與磁場強度成正比。這說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(chǔ)效應是相同的。
相對于背景噪聲，因場變化而導致的信號電平很小（范圍為 μV 級），因此要想利用信號電平，必須采用相當復雜的信號路徑。
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。
簡單來說，關(guān)于霍爾效應，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體時將被迫運動的方向。這種物理運動導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 霍爾效應電流檢測
霍爾效應依賴于磁場，因此可以作為一種非接觸技術(shù)以非侵入式的方式進行應用。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。利用霍爾效應進行電流測量在大功率應用中具有天然的優(yōu)勢，因為它不依賴地電位作為參考。
使用傳統(tǒng)的霍爾效應電流傳感器 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擾。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檢測物體相對于傳感器 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(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 (IMC)
因為霍爾效應的工作原理，大多數(shù)霍爾效應傳感器 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(nèi)同時檢測 X、Y 和 Z 三個軸的磁場，帶來多種應用優(yōu)勢，包括使傳感器 IC 取向更加靈活。
04 霍爾效應傳感IC在汽車中的應用
IMC 技術(shù)的引入意味著霍爾效應可以應用于汽車行業(yè)的許多領(lǐng)域。通過三維操作，霍爾效應傳感器 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。
霍爾效應傳感器 IC 還應用于發(fā)動機罩下，以監(jiān)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(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)，再加上強大的模擬前端和數(shù)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，甚至在汽車行業(yè)等苛刻環(huán)境下也可應用。
本期作者簡介
Nick Czarnecki 在 2011 年加入 Melexis，擔任現(xiàn)場應用工程師，并在 2015 年升任市場經(jīng)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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