【技術(shù)帖】（連載一）Hello，磁傳感器！

在日常生活中，小小的指南針，以及發(fā)燒時(shí)候使用的溫度計(jì)，這些看似微不足道的東西，其實(shí)承載了人類(lèi)的進(jìn)步和一項(xiàng)重要技術(shù)的變革——傳感器。

以我國(guó)古代的四大發(fā)明之一指南針為例，它可以感應(yīng)地球的磁場(chǎng)，然后進(jìn)行地理位置方向的定位，其實(shí)這就是典型的磁傳感器應(yīng)用。而當(dāng)今社會(huì)磁傳感器已被譽(yù)為世界第三大傳感器，每年都有數(shù)以?xún)|計(jì)的霍爾（Hall）傳感器在消費(fèi)電子、工業(yè)自動(dòng)化、汽車(chē)電子、等領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用。今天小為給大家詳細(xì)分析一下霍爾傳感器的工作原理、分類(lèi)、輸出特性，典型應(yīng)用解決方案等內(nèi)容。

霍爾效應(yīng)

霍爾效應(yīng)由物理學(xué)家Edwin Herbert Hall 于1879 年發(fā)現(xiàn)。如圖1所示，他將一塊通電的半導(dǎo)體矩形薄片放于垂直其表面的磁場(chǎng)B中，在薄片的橫向垂直于電流方向的電極出現(xiàn)電壓差，并且這個(gè)電壓正比于外加磁場(chǎng)大小，此現(xiàn)象被稱(chēng)為霍爾效應(yīng)。

圖-1 霍爾效應(yīng)

這種現(xiàn)象的產(chǎn)生，是因?yàn)橥姲雽?dǎo)體片中的載流子在磁場(chǎng)產(chǎn)生的洛侖茲力的作用下，分別向薄片橫向兩側(cè)偏轉(zhuǎn)和積聚形成一個(gè)電場(chǎng)，稱(chēng)作霍爾電場(chǎng)?；魻栯妶?chǎng)產(chǎn)生的電場(chǎng)力和洛侖茲力相反，它阻礙載流子繼續(xù)堆積，直到霍爾電場(chǎng)力和洛侖茲力相等。這時(shí)半導(dǎo)體薄片兩側(cè)建立起一個(gè)穩(wěn)定的電壓VH稱(chēng)為霍爾電壓。

霍爾器件分為Hall元件和Hall集成電路兩類(lèi)，前者是一個(gè)簡(jiǎn)單的霍爾片，使用時(shí)常常需要將獲得的霍爾電壓進(jìn)行放大；后者將霍爾片和它的信號(hào)處理電路集成在同一個(gè)芯片上稱(chēng)為霍爾IC。

霍爾IC通常按輸出信號(hào)類(lèi)型分為數(shù)字霍爾IC和線(xiàn)性霍爾IC。數(shù)字霍爾IC通過(guò)外部磁場(chǎng)的強(qiáng)弱控制輸出導(dǎo)通或關(guān)斷，類(lèi)似開(kāi)關(guān)的作用，因此常稱(chēng)為開(kāi)關(guān)型霍爾IC；線(xiàn)性霍爾IC輸出為模擬信號(hào)，輸出電壓與外部磁場(chǎng)的強(qiáng)弱通常成線(xiàn)性關(guān)系。

開(kāi)關(guān)型霍爾IC常又分為單極型霍爾IC（Unipolar）、全極型霍爾IC（omnipolar）、鎖存型霍爾IC（Latch）、三大類(lèi)。

輸出特性

☆Hall 元件

Hall元件可用多種半導(dǎo)體材料制作，如Ge、Si、InSb、GaAs、InAs、InAsP以及多層半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)構(gòu)量阱材料等。

（a）InSb Hall元件輸出特性

（b）GaAs Hall元件輸出特性

☆單極型霍爾IC

只對(duì)單個(gè)磁極（S極orN極）有響應(yīng)。如圖2所示，S極逐漸靠近霍爾IC且施加的磁感應(yīng)強(qiáng)度B超過(guò)工作點(diǎn)（BOPS）時(shí)（即B>BOP>0），輸出導(dǎo)通， 輸出由高變低。當(dāng)S極逐漸遠(yuǎn)離霍爾IC且磁感應(yīng)強(qiáng)度B減弱低于釋放點(diǎn)(BRP)（即0<B<BRP）或撤除（B=0）時(shí)，輸出關(guān)斷， 輸出由低變高。BOP－BRP=BH稱(chēng)為回差?；夭畹拇嬖谑归_(kāi)關(guān)電路的抗干擾能力增強(qiáng)。這類(lèi)IC廣泛應(yīng)用于磁環(huán)境較復(fù)雜的磁極判斷產(chǎn)品中，如：TWS耳機(jī)、智能家居等。

圖-2 單極型Hall 輸出特性

☆全極型霍爾IC

全極霍爾IC是新型的輸出類(lèi)型，其將S極和N極等同對(duì)待。如圖3所示，任何一個(gè)磁極面向標(biāo)記面，且施加的磁感應(yīng)強(qiáng)度B超過(guò)工作點(diǎn)（BOP）(即|B|>BOP), 輸出導(dǎo)通, 輸出由高變低。當(dāng)磁感應(yīng)強(qiáng)度減弱低于釋放點(diǎn)(BRP)（即|B|<BRP）或撤除（B=0）時(shí)，輸出關(guān)斷，輸出由低變高。這類(lèi)IC 廣泛應(yīng)用 PC 智能家電，三表，汽車(chē)等領(lǐng)域。

圖-3 全極型Hall 輸出特性

☆鎖存型霍爾IC

鎖存型霍爾IC要求S極和N極必須交替作用于霍爾IC。如圖4，當(dāng)S極靠近Hall IC，且施加的磁感應(yīng)強(qiáng)度超過(guò)工作點(diǎn)（BOP）（即B>BOP>0）時(shí)，輸出導(dǎo)通，輸出由高變低。之后無(wú)論B增加或減小，甚至將B除去，電路都保持導(dǎo)通態(tài)，只有達(dá)到負(fù)向的BRP時(shí)，才改變?yōu)榻刂箲B(tài)，因而稱(chēng)為鎖定型。該類(lèi)IC 廣泛應(yīng)用于工業(yè)電機(jī)換向檢測(cè)，汽車(chē)電子等領(lǐng)域

圖-4 鎖存型Hall 輸出特性

☆線(xiàn)性霍爾IC

線(xiàn)性霍爾 IC輸出為模擬信號(hào)，它由霍爾元件、差分放大器和射極跟隨器組成。其輸出電壓和加在霍爾元件上的磁感強(qiáng)度B成比例，外加磁場(chǎng)超出線(xiàn)性磁場(chǎng)范圍，將不再成線(xiàn)性關(guān)系，直至輸出飽和，這類(lèi)電路有很高的靈敏度和優(yōu)良的線(xiàn)性度，適用于各種磁場(chǎng)位置檢測(cè)。

圖-5 線(xiàn)性Hall 輸出特性

霍爾開(kāi)關(guān)具有無(wú)觸電、低功耗、使用壽命長(zhǎng)、響應(yīng)頻率高的特點(diǎn)，內(nèi)部采用環(huán)氧樹(shù)脂封灌成一體化，所以能在各類(lèi)惡劣環(huán)境下可靠的工作，霍爾開(kāi)關(guān)可應(yīng)用于接近開(kāi)關(guān)，壓力開(kāi)關(guān)，里程表、無(wú)刷電機(jī)換向等應(yīng)用場(chǎng)景。

針對(duì)以上典型應(yīng)用，艾為推出了一系列完善的霍爾傳感器解決方案。

艾為AW8650X系列和AW8653X系列是兩款基于霍爾效應(yīng)原理的霍爾開(kāi)關(guān)傳感器芯片，擁有超寬工作電壓、微低功耗、高靈敏度、高可靠性等特點(diǎn)。該系列產(chǎn)品可為電子消費(fèi)產(chǎn)品、穿戴產(chǎn)品、工業(yè)控制領(lǐng)域提供封裝更小、性?xún)r(jià)比更高的解決方案。

封裝形式：SOT23-3、DFN1216、DFN1114、SOT553等

圖-6 AW8650X Hall Switch典型應(yīng)用圖

集成電路和智能傳感器這兩個(gè)產(chǎn)業(yè)都是關(guān)系制造業(yè)發(fā)展全局和國(guó)家經(jīng)濟(jì)安全的基礎(chǔ)性、先導(dǎo)性和戰(zhàn)略性產(chǎn)業(yè)，然而磁傳感器又是我們?nèi)粘Ｉ?、工業(yè)、汽車(chē)等領(lǐng)域應(yīng)用最廣泛的傳感器，它不僅擁有高穩(wěn)定性、非接觸、性?xún)r(jià)比高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、生產(chǎn)使用方便等特點(diǎn)，還可以應(yīng)用于角度、位移、速度以及導(dǎo)線(xiàn)中電流等非磁信號(hào)檢測(cè)領(lǐng)域，如汽車(chē)ABS 防抱死系統(tǒng)、AR/VR 頭顯、云臺(tái)控制、出租車(chē)計(jì)價(jià)器、工業(yè)操作桿、直流無(wú)刷電機(jī)和變頻器等產(chǎn)場(chǎng)景，所以它的重要性自然不言而喻。

下一篇小為還將繼續(xù)和大家分享基于具體產(chǎn)品形態(tài)應(yīng)用進(jìn)行講解，敬請(qǐng)期待！