霍爾感測器 (Hall Sensor) 工作原理介紹

在上一篇文章:感測器技術中，Ethan概述了微機電系統感測器的相關知識，就如文末所提到的，接下來就各感測器的工作原理以及實作方面(例如結合Arduino)多做介紹。
第一個要介紹的感測器是霍爾感測器 (Hall Sensor)

霍爾感測器(Hall Sensor)

Hall Sensor相較於其他感測器而言，比較簡單易懂，所以本系列文章先從霍爾感測器開始介紹。同時它在3C產品的應用上也是非常常見。
Hall Sensor是一種基於霍爾效應來感應磁場變化的感測器。霍爾感測元件的材料一般是由P型的半導體所組成，如砷化鎵(GaAs)與銻化銦(InSb)等。

霍爾效應(Hall Effect)

請看以下Ethan所製作的圖片以了解霍爾效應的原理：

霍爾效應的示意圖

     
        如上圖所示，先在P型半導體通過一個固定電流，當某個磁場施加在這個半導體上方時，由於磁場B 的影響，由於勞侖茲力（Lorentz force）的作用力，按照右手定則: 互相垂直的右手三根手指，拇指的方向是導體運動方向、食指的是磁場方向、中指則為電流方向。正電荷會移動到P型半導體的上方，負電荷則是移動到下方。透過電表所量到的電位差，就是霍爾電壓(Hall Voltage)。Edwin Hall 在1879年發現了霍爾效應。

關於霍爾效應(Hall effect)在Wiki的說明，請參考此Link。

霍爾感測器的工作原理

霍爾感測元件感應磁場之後而得到的電位差(電壓)是一種類比訊號，為了方便輸入到MCU的GPIO腳位做後續控制，在霍爾感測器(Hall Sensor IC)的內部，會有以下訊號處理流程：

霍爾感測器內部方塊圖

從以上方塊圖可知，霍爾感測器的內部訊號流程，從放大器得到的輸出依然是電壓值(類比訊號)，經過施密特觸發器後，訊號才轉換成高或者低的數位訊號來輸出。

霍爾感測器的分類

霍爾感測器依照感測方式，可以分為四種：

• 單極單輸出 (Unipolar and one output)： 只可以感應磁場S極或者N極兩者之一，訊號為單一輸出。
• 雙極單輸出 (Bipolar and one output)：磁場S極或者N極兩者皆可以感應，訊號為單輸出。
• 雙極雙輸出 (Bipolar and two output )：磁場S極或者N極兩者皆可以感應，訊號為雙輸出，有兩個輸出腳位分別反應S極或者N極的狀態。
• 狀態改變偵測 (Biploar latch)：可以感應當磁場由S極轉變成 N極或者N極到S極的轉變，訊號為單一輸出。

霍爾感測器的應用

• 各種3C產品的開關應用：如手機/平板保護套的開闔，數位相機螢幕開闔還有旋鈕功能。
• 直流無刷馬達(BLDC)驅動應用：使用霍爾感測器來感知馬達位置。這方面應用是一門專門的知識，可惜目前Ethan還沒有去深入了解過。待未來獲取比較多資訊後，再跟大家分享。

各式各樣的3C產品與旋鈕都會看到霍爾感測器的應用。
(圖片來自Pixabay)

總結

本篇文章詳細說明了霍爾感測器的工作原理、分類與應用。希望可以幫助有興趣的人更了解霍爾感測器(Hall Sensor)。下篇文章將會介紹如何在Arduino上使用Hall Sensor，敬請期待。