浅析霍尔IC关键技术及发展趋势

发布于：2016/10/12 0:00:00 | 370 次阅读

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    霍尔IC是根据霍尔效应制作的一种磁场传感器，可以将磁场信息转换成电信号。按照霍尔IC的功能可以将它们分为：霍尔线性芯片和霍尔开关芯片；前者输出模拟量，后者输出数字量。按照检测对象的性质可将它们分为：直接应用和间接应；直接应用是指直接检测受测对象的磁场或磁特性，间接应用是指将非电、非磁物理量如力、力矩、位移、加速度、角度、角速度、转速、转数以及工作状态的变化周期等转化成磁场进行检测。霍尔IC广泛地应用于汽车电子、计算机、工业控制系统、电能表和消费电子类等。
    一般的霍尔IC系统都是由磁场系统、霍尔盘(霍尔元件)和信号处理电路组成。磁场系统可以把输入信号转化为磁场信号，霍尔盘把磁场信号转换为电信号，信号处理电路把霍尔盘输出信号转换为满足应用的信号。
    霍尔效应是美国物理学家霍尔(A. H. Hall)于1879年在研究金属的导电机制时发现的，当电流垂直于外磁场通过导体时，由于受洛伦兹力的影响，在导体的垂直于磁场和电流的方向的两个端面会出现电势差，这一现象就是霍尔效应。
    霍尔IC的主要指标有：灵敏度、度、温度漂移、失调、线性度、动态范围等。对磁场要求不高的霍尔IC已经有一批相当成熟的产品，但是霍尔盘的缺陷限制了其在高测量场合中的应用。温度漂移和失调电压是霍尔盘最主要的缺陷，温度漂移使霍尔传感器的线性度变差，失调电压易使处理电路饱和，影响测量范围。
    霍尔传感芯片是名列前茅的传感器产品，在磁场传感器市场所占份额超过了70%，它被广泛应用到工业、汽车业、电脑、手机以及新兴消费电子领域。未来几年，随着越来越多的汽车电子和工业设计企业转移到中国，霍尔传感器芯片在中国的年销售额将保持20%到30%的高速增长。与此同时，霍尔传感器芯片相关的技术仍在不断完善，呈现出高集成度、低温度性漂移、高灵敏度、低失调电压、新型的霍尔元件结构、微型化发展趋势。
    高集成度
    霍尔器件可以分为：霍尔元件和霍尔IC两大类。前者是一个简单的霍尔盘，使用时常常需要将获得霍尔电压进行放大处理，后者将霍尔盘和它的信号处理电路集成在同一个芯片上。霍尔器件的发展方向就是采用CMOS工艺实现高度集成化，可以把预处理电路包括前置放大器、失调补偿、温度漂移补偿、基准电压集成在同一块芯片上，同时还可以集成许多附加功能，如数据存储器、A/D转换器、总线接口等。而为了实现可编程霍尔IC，厂商将EEPROM集成到芯片中也是一种发展趋势，可编程霍尔IC可以降低客户生产环节的失败率，缩短生产周期，提高生产率。
    低温度漂移
    霍尔IC的灵敏度和失调电压都会随着温度变化，灵敏度漂移会影响霍尔IC线性度，失调电压漂移会影响芯片上电重复性误差。温度漂移会影响霍尔盘的线性度及测量。在要求高线性度和高测量的场合中，设计低温度漂移的霍尔IC是其发展趋势。
    高灵敏度
    霍尔IC的挑战之一就是其能够检测非常小的磁场及磁场的细微变化。在需要测量磁场的场合，霍尔IC需要很高的灵敏度。通过改进电路可以对霍尔IC的灵敏度有一定程度上的提高，但是对电路的要求特别高，代价较大。有文献提出可以在芯片表面集成磁场集中器，利用微电子集成工艺在硅片上集成磁场集中器，再将硅片切割封装成标准的集成电路芯片。这种集成化的磁场集中器虽然会稍微增加霍尔IC的成本，但可以使霍尔IC的灵敏度提高五倍以上。
    低失调电压
    霍尔盘的失调电压会影响霍尔IC的动态监测范围，并且失调电压会随着温度等外界因素的变化，使得芯片每次上电时霍尔失调电压不相等，影响测量每次上电需要软件校准。所以，减小失调电压的大小及减小芯片上电重复性误差是霍尔IC使用中需要解决的问题。
    霍尔盘新型结构
    一般的霍尔IC只对垂直于霍尔盘表面的磁场敏感，这种霍尔IC叫做平面霍尔IC，为了能够测量和传感平行于霍尔IC的磁场，国外许多高校、研究所和公司开发出了垂直霍尔IC 。英飞凌推出的垂直霍尔IC，适用于转向及速度侦测，新元件创先例，将内部霍尔盘的方向由水平转为垂直，可灵敏侦测平面方向磁场，90?转向的设计提供了更多弹性，更适用于局限空间的应用。在此基础上，研制出了二维和三维霍尔IC。二维霍尔IC可以检测二维磁场的大小和方向，可用在各种航行器上做导航装置；三维霍尔IC可检测空间任意一点的磁场三维分量和该磁场的方向，适用于地质勘探、航海、航空、航天地磁场图的绘制等方面。
    微型化
    市场上许多霍尔IC都采用了各种小型封装，实现霍尔IC的微型化，这种芯片特别适用于空间窄小的检测环境，例如电动机中的间隙、磁力轴承等。

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