快板霍尔效应传感器集成电路

快板霍尔效应传感器集成电路

作者:肖恩米兰,快板微系统公司,亚博棋牌游戏有限责任公司

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摘要

快板^®微系统公司,有限责任公司是开发,制造和销售高性能霍尔效应传感器集成电路的全球领导者。这一注解可让您对霍尔效应以及快板如何在封装的半导体单片集成电路中设计和采用霍尔技术有一个基本的了解。

霍尔效应原理

霍尔效应是以埃德温·霍尔(Edwin大厅)的名字命名的,他在1879年发现:当一个磁场沿垂直于金属板平面的方向穿过金属板时,载流导电板上会产生电势,如图1所示的下面板所示。

霍尔效应的基本物理原理是洛伦兹力，如图 1 的上面板所示。当电子以速度v沿垂直于外加磁场B的方向移动时,会受到一个作用力F(即洛伦兹力),此作用力与外加磁场和电流方向垂直。

在该力的作用下，电子沿导体做曲线运动，金属板上会聚集净电荷、从而产生电压。霍尔电压V_H遵循以下公式,该公式表明V_H与外加场强成正比并且V_H的极性取决于外加磁场的方向（向北还是向南）。凭借这一属性，霍尔效应被广泛应用于磁性传感器。

其中：

• V_H是导电板上的霍尔电压，
• 我是通过金属板的电流,
• 问为载流子的电荷量,
• ρn为单位体积中的载流子数,
• t为金属板的厚度。

由于霍尔效应适用于导电板和半导体板、快板半导体集成电路整合了一个霍尔元件。通过在完全集成的单片集成电路中使用霍尔效应,可以测量磁场强度和创造大量的霍尔效应集成电路以满足众多不同应用的需求。

快板霍尔开关由南极产生的正磁场激活。正磁场将开启输出晶体管并将把输出连接至接地(为低电平有效器件)。

激活该器件和开启输出晶体管所需的磁场强度被称为磁场工作点,缩写为B_人事处。当磁场被移除时，输出晶体管将关闭。关断已开启器件所需的磁场强度被称为磁场释放点或B_RP。B_人事处与B_RP之差被称为回差，可用于防止因噪声引起的开关反弹。

快板还制作了磁性锁存器和线性器件。磁性锁存器可以通过南极(B_人事处)开启,通过北极(B_RP) 关闭。锁存器与简单开关的区别是需要使用北极来禁用锁存器。由于他们在磁场被移除时并未关闭,当前的输出状态将保持不变(被“锁存”),直至出现一个外加反向磁场。锁存器可用于感测旋转磁铁以便实现电动机换相或用于速度感测。

线性器件具有模拟输出，可用于线性编码器中进行位置感测，例如用于汽车油门位置感测。他们具有成比例输出电压,在没有外加磁场时,其名义上为V_CC/ 2。在存在南极的情况下,输出将朝V_CC的方向移动;在存在北极的情况下,输出将朝接地的方向移动。快板可提供广泛的霍尔开关、锁存器和线性器件以满足各种应用需求。请参考 Allegro 产品选择指南：磁性线性和角度位置传感器集成电路、磁性数字位置传感器集成电路、基于霍尔效应的电流传感器集成电路以及磁性速度传感器集成电路。

运用霍尔效应

快板霍尔效应集成电路(IC)通过将霍尔元件与其他电路(例如运算放大器和比较器)结合在一起的方式来利用霍尔效应制作磁性开关和模拟输出器件。简单的霍尔开关,如图2所示的开路NMOS器件,可以用来确定是否存在磁铁和作出数字输出响应。

集成电路是将大量电路元件进行高密度集成以使其成为一个整体元件的电子结构。电路元件包括晶体管和二极管等有源元件以及电阻器、电容器和电感器等无源元件。这些元件用金属（通常为铝）相互连接，构成该器件更为复杂的运算放大器和比较器。图 2中的霍尔开关只是一个简单的例证，这些元件其实可以应用于所有的 Allegro 器件中，甚至可以用于制作最复杂的 IC。图 2 中的霍尔元件位于带有“X”的方框中。其输出被放大、送入比较器中，然后形成开路 NMOS 数字输出。Allegro 还制作了带有两个可以感测差分磁场的霍尔元件以及三个可以侦测移动铁磁目标位置的霍尔元件的霍尔 IC。无论传感器拓扑结构有多么复杂，这些元件都是在半导体材料的薄基片内部和表面制成的。

霍尔IC结构

快板器件都是在硅基片上采用如下方法制成的:直接在硅中掺杂进不同的材料以形成n型(电子)或p型(空穴)载体区域。这些n型和p型材料分区形成了构成集成电路有源和无源元件(包括霍尔元件)的几何结构,并通过在几何结构上熔敷金属的方式连接在了一起。有源和无源元件也因此建立了电气连接。由于所需的几何结构非常小，在微米甚至更小的范围内，电路装配密度非常高，可以在非常小的硅面积内装配复杂的电路。

所有有源和无源元件都被整合在基片内或堆积在硅表面，导致与硅密不可分，从而真正地形成了单片集成电路。图3表明了如何将一个霍尔元件整合在快板IC中。它只是一个形成了可以导电的n型板的掺杂硅区域。

如前所述，当电流被迫从金属板的一角流到对角处时，在存在垂直磁场的情况下，金属板另外两角处会产生霍尔电压。在没有外加磁场时，霍尔电压为零。以此类推,更复杂的几何结构可以构成有源元件,例如NPN型或NMOS晶体管结构。图4显示了NPN型和PMOS晶体管的横截面。

为确保生产效率，这些电路在仍为大晶圆形式时就被整合在了基片中。这些电路以行和列的形式重叠,可以锯切成单独的晶片或“芯片”,如图5所示。

图6中显示了一个快板霍尔效应传感器集成电路器件。这是一个包含图 2 所示的功能框图中的所有内容的简单开关。该集成电路中包含电路的所有部分,包括位于芯片中间红色方框中的霍尔元件,放大器电路,保护二极管以及实现器件功能所需的多个电阻器与电容器。

霍尔器件封装

在将硅晶圆（呈现为行和列的形式）锯切成单独的晶片之后，要对这些晶片进行封装以便进行单独销售。封装形式多种多样，图 7 显示了其中的一种完整封装形式。可以看到晶片位于封装箱体内、安装在铜制晶片焊垫上。铜制引线的接点通过金丝线从晶片表面的金属焊垫上连接到电气绝缘的封装外壳的引线上。然后用塑料对该封装进行包封和包覆成型处理以保护晶片免受损坏。

图7所示的封装是对图2的简单开关进行的封装,将VCC,接地和输出引线整合进一个微型3引脚单列直插式封装(SIP)中。其他封装如图8所示,包括一个晶圆级芯片封装(CSP),一个SOT23W,一个延时,一个3引脚UA型封装SIP和一个4引脚K型封装SIP。

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