霍尔技术的原理与历史霍尔技术的原理与历史.pdf

霍尔效应传感器集成电路 简介 187 9年，Edwin Hall 博士在约翰霍普金斯大学（位于巴尔的摩）攻读博士学位期间发现了霍尔效应。当时 Hall 博士 尝试验证 30 多年前开尔文所提出的电子流动原理。他发现当所放置的磁体所产生的磁场与电流所流经的薄金矩形材 料的一面垂直时，在相对应的边缘侧就会产生电压；这个电压与流经导体的电流以及垂直于导体的磁场强度或磁感应 强度成正比。虽然 Hall 的试验非常成功并且广受赞誉，但之后 70 多年却并没有任何在理论物理学领域之外的实际应用。 随着 20 世纪 50 年代半导体材料的出现，霍尔效应终于有了第一个应用。但是，这些应用均受困于成本问题。1965 年， MICRO SWITCHTM 传感与控制部高级研发工程师 Everett Vorthmann 和 Joe Maupin 合作寻找一种实用的经济型固态 传感器。他们尝试了许多不同的概念，但最终选择了霍尔效应，原因在于可以将其完全集成至单个硅芯片上。该突破 导致了霍尔效应的第一个经济型、大规模应用——真正的固态键盘。MICRO SWITCHTM 传感器与控制部已为键盘和 传感器产品生产和交付了约十亿只霍尔效应部件。 霍尔效应原理 当一个载流导体被置于一个磁场中时，会产生一个与电流和磁场都垂直的电压。该原理被称为霍尔效应。 图 2-1 所示为霍尔效应的基本原理。图中有一个电流流经的薄半导体材料板（霍尔元件）。输出线路与电流方向相垂直。 没有磁场存在时（图 2-1），电流分布是均匀的，并且 在输出端没有任何电势差。 当施加一个垂直磁场时（如图 2-2 所示），电流会受 到一个洛伦兹力。该力会扰乱电流分布，并导致输出 端之间产生电势差（电压）。该电压就是霍尔电压 (VH)。 磁场和电流之间的相互作用可由公式 2-1 表示。 霍尔效应传感器可以应用于许多类型的传感设备中。 如果待检测的物理量（参数）包括或能够包括一个磁场， 图 2-1：霍尔效应原理（没有磁场） 就可以使用霍尔传感器来完成检测任务。 公式 (2-1) 3 霍尔电压与电流 (I) 和磁场 (B) 的矢量积成正比。霍尔电 压在硅中约为 7mv/Vs/gauss 量级，因此在实际应用中 需要对其进行放大。 硅具有压电效应，其电阻会随压力而成正比例变化。在 霍尔传感器中需要将这种影响降至最低水平。将霍尔元 件朝向 IC 以尽可能降低压力效应，以及使用多个霍尔 元件可以实现上述目的。图 2-3 所示为一个集成电路上 紧密放置的两个霍尔元件。它们的放置方式可以使其经 受相同的封装压力（由 AR 表示）。第一个霍尔元件的 激励沿垂直轴方向，第二个霍尔元件的激励沿水平轴方 图 2-2：霍尔效应原理（有磁场） 向。两个输出相加则可消除压力所产生的信号。MICRO SWITCH 霍尔集成电路使用两个或四个霍尔元件。 基本霍尔效应传感器 霍尔元件是基本的磁场传感器。为使其输出可用于绝大 多数实际应用，需对信号进行调理。所需的信号调理电 路包括一个放大电路和温度补偿。当使用非稳压电源运 行时，还需要对电压进行调整。图 2-4 所示为一个基本 霍尔效应传感器。 在没有磁场时对霍尔电压进行测量，输出电压均为零（见 图 2-1）。但是，如果对地测量两个输出端子的电压， 则会出现一个非零电压。这就是共模电压 (CMV)，两个 输出端子上的共模电压是相同的，即电势差为零。图 2-4 中所示的放大器必须是一个差分放大器，这样才能仅对 电势差 - 霍尔电压进行放大。 图 2-3：霍尔元件朝向 霍尔电压是一个低电压的小信号，在 1 gauss 磁场中霍 尔电压约为 30 微伏量级。这种低电压输出需要一个具 有低噪声、高输入阻抗和中等增益的放大器。 采用标准双极晶体管技术可以轻易地将具有这些特性的 差分放大器与霍尔元件集成到一起。也能将温度补偿电 稳压器 路轻松集成进来。