【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)燒時候使用的溫度計，這些看似微不足道的東西，其實承載了人類的進(jìn)步和一項重要技術(shù)的變革——傳感器。

以我國古代的四大發(fā)明之一指南針為例，它可以感應(yīng)地球的磁場，然后進(jìn)行地理位置方向的定位，其實這就是典型的磁傳感器應(yīng)用。而當(dāng)今社會磁傳感器已被譽為世界第三大傳感器，每年都有數(shù)以億計的霍爾（Hall）傳感器在消費電子、工業(yè)自動化、汽車電子、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、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，并且這個電壓正比于外加磁場大小，此現(xiàn)象被稱為霍爾效應(yīng)。

圖-1 霍爾效應(yīng)

這種現(xiàn)象的產(chǎn)生，是因為通電半導(dǎo)體片中的載流子在磁場產(chǎn)生的洛侖茲力的作用下，分別向薄片橫向兩側(cè)偏轉(zhuǎn)和積聚形成一個電場，稱作霍爾電場?；魻栯妶霎a(chǎn)生的電場力和洛侖茲力相反，它阻礙載流子繼續(xù)堆積，直到霍爾電場力和洛侖茲力相等。這時半導(dǎo)體薄片兩側(cè)建立起一個穩(wěn)定的電壓VH稱為霍爾電壓。

霍爾器件分為Hall元件和Hall集成電路兩類，前者是一個簡單的霍爾片，使用時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處理電路集成在同一個芯片上稱為霍爾IC。

霍爾IC通常按輸出信號類型分為數(shù)字霍爾IC和線性霍爾IC。數(shù)字霍爾IC通過外部磁場的強弱控制輸出導(dǎo)通或關(guān)斷，類似開關(guān)的作用，因此常稱為開關(guān)型霍爾IC；線性霍爾IC輸出為模擬信號，輸出電壓與外部磁場的強弱通常成線性關(guān)系。

開關(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。

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

只對單個磁極（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)強度B超過工作點（BOPS）時（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)強度B減弱低于釋放點(BRP)（即0<B<BRP）或撤除（B=0）時，輸出關(guān)斷， 輸出由低變高。BOP－BRP=BH稱為回差?；夭畹拇嬖谑归_關(guān)電路的抗干擾能力增強。這類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是新型的輸出類型，其將S極和N極等同對待。如圖3所示，任何一個磁極面向標(biāo)記面，且施加的磁感應(yīng)強度B超過工作點（BOP）(即|B|>BOP), 輸出導(dǎo)通, 輸出由高變低。當(dāng)磁感應(yīng)強度減弱低于釋放點(BRP)（即|B|<BRP）或撤除（B=0）時，輸出關(guān)斷，輸出由低變高。這類IC 廣泛應(yīng)用 PC 智能家電，三表，汽車等領(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)強度超過工作點（BOP）（即B>BOP>0）時，輸出導(dǎo)通，輸出由高變低。之后無論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，才改變?yōu)榻刂箲B(tài)，因而稱為鎖定型。該類IC 廣泛應(yīng)用于工業(yè)電機(jī)換向檢測，汽車電子等領(lǐng)域

圖-4 鎖存型Hall 輸出特性

☆線性霍爾IC

線性霍爾 IC輸出為模擬信號，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度B成比例，外加磁場超出線性磁場范圍，將不再成線性關(guān)系，直至輸出飽和，這類電路有很高的靈敏度和優(yōu)良的線性度，適用于各種磁場位置檢測。

圖-5 線性Hall 輸出特性

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

針對以上典型應(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。該系列產(chǎn)品可為電子消費產(chǎn)品、穿戴產(chǎn)品、工業(yè)控制領(lǐng)域提供封裝更小、性價比更高的解決方案。

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產(chǎn)業(yè)都是關(guān)系制造業(yè)發(fā)展全局和國家經(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、性價比高、結(jié)構(gòu)簡單、生產(chǎn)使用方便等特點，還可以應(yīng)用于角度、位移、速度以及導(dǎo)線中電流等非磁信號檢測領(lǐng)域，如汽車ABS 防抱死系統(tǒng)、AR/VR 頭顯、云臺控制、出租車計價器、工業(yè)操作桿、直流無刷電機(jī)和變頻器等產(chǎn)場景，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，敬請期待！