霍尔传感器：元件原理、IC 类型及多元应用

在当今的电子技术领域中，磁传感器发挥着至关重要的作用，而基于霍尔效应制成的霍尔传感器更是其中的佼佼者。霍尔传感器主要分为三类，分别是将利用霍尔效应获得的霍尔电势（VH）直接作为输出的霍尔元件、把霍尔元件输出通过后段 IC 处理后输出高低电平数字信号的霍尔 IC，以及将霍尔元件输出通过运放后成线性输出的线性霍尔 IC。

霍尔元件是依据霍尔效应制作而成的检测磁场的元件。1879 年，霍尔博士发现了霍尔效应，即当在电流的流动方向施加一个垂直于电流的磁场时，垂直于电流和磁感线的方向会产生一个电势差。当电流通过半导体薄膜时，基于霍尔效应会产生与磁通量密度和其方向相对应的电压。这种基于霍尔效应制作而成、用于检测磁场的元件就叫做霍尔元件，N 型半导体霍尔元件的原理图如图1所示。

图1:霍尔元件的原理图 (N型半导体)

即使是磁通量没有变化的静态磁场，霍尔元件也能够检测出其有无。正因如此，霍尔元件被广泛应用于多种场景，例如与磁铁配套使用的非接触式开关、角度传感器、电流传感器等。采用霍尔元件的地磁传感器在智能手机等领域也得到了广泛应用。

作为基本型传感器，霍尔元件根据其后段电路设计的不同，既可以应用于数字型，也可用于模拟型，能够获得几十至几百 mV 的电压信号。其输出电压与垂直施加到传感器的磁场大小成比例，并根据磁场的方向输出正电压和负电压。当没有垂直磁场施加时，其输出电压理论上为 0 V，但实际上即使无磁场施加，也存在有偏置电压。霍尔元件的输入端为控制电压（控制电流）和 GND 的 2 个引脚，输出端为差分输出的 2 个引脚，共计 4 个引脚。只要低于最大额定值，定电压驱动和定电流驱动都可以正常工作。它常被用于 DC BL 电机、智能手机、数码相机的镜头驱动等方面。

霍尔 IC 由霍尔元件和信号处理 IC 组成。通过信号处理 IC 将霍尔元件的输出电压进行比较，转换成高 / 低电平数字信号后输出。因此，霍尔 IC 无法像霍尔元件一样输出 “施加的磁场大小” 等详细信息，但能够快速得到 “是否存在磁铁” 等数字信号输出。霍尔 IC 的输出电压范围由输出的上拉电压确定，所以在上拉电源电压时，将霍尔 IC 的电源电压与后端微控制器的输入电压范围相匹配，能让微控制器更好地接收信号。霍尔 IC 可分为检测磁场强度的开关类型和检测磁场极性的锁存器类型，其输出电压根据垂直施加到霍尔传感器的磁场大小分为高电平和低电平两种输出，还有 S 极检测、N 极检测和双极检测类型。当磁场大小超过 Bop 时，输出变为低；当它低于 Brp 时，输出则变为高，且 Brp＜Bop（因为具有滞后）。霍尔 IC 通常有 2 个输入端子 VCC、GND 和 1 个输出引脚，在定电压驱动方式下使用，开关类型霍尔 IC 用于家电的开关，锁存器类型霍尔 IC 用于 DC BL 电机、旋转磁场检测等。

线性霍尔 IC 是将霍尔元件的输出电压经过放大器放大后进行线性输出。由于其输出电压范围由电源指定，所以输出信号很容易被后段控制器处理。其输出电压与垂直施加到霍尔传感器的磁场大小成比例，当无磁场施加时，输出电压设置为 VCC / 2，但实际上即使无磁场施加，也存在有偏置电压。线性霍尔 IC 有 2 个输入端子 VCC、GND 和 1 个输出引脚，在定电压驱动方式下使用，常被用于液位计、电流传感器、角度检测等。

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通过对霍尔传感器的深入了解，我们可以看到其在电子领域的广泛应用和重要价值，随着技术的不断发展，霍尔传感器有望在更多领域发挥更大的作用。