Allegro 霍尔效应传感器 IC

作者:Shaun Milano,Allegro MicroSystems, LLC

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摘要

Allegro® MicroSystems, LLC 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 Allegro 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 Hall) 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 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。

图 1

图  1:霍尔效应与洛伦兹力。蓝色箭头 B 代表垂直穿过导电板的磁场。

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 VH 遵循以下公式,该公式表明 VH 与外加场强成正比并且 VH 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。

方程式 1

其中:

  • VH 是导电板上的霍尔电压,
  • I 是通过金属板的电流,
  • q 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,Allegro 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 IC 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。

Allegro 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 GND(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 BOP。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 BRP。BOP 与 BRP 之差被称为回差,可用于防止因噪声引起的开关反弹。

Allegro 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 (BOP) 开启,通过北极 (BRP) 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 VCC / 2。在存在南极的情况下,输出将朝 VCC 的方向移动;在存在北极的情况下,输出将朝 GND 的方向移动。Allegro 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 IC磁性数字位置传感器 IC基于霍尔效应的电流传感器 IC 以及 磁性速度传感器 IC

运用霍尔效应

Allegro 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。

图 2

图  2:一个简单的霍尔效应开关 IC 的方框图

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

Allegro 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 Allegro IC 中。它只是一个形成了可以导电的 n 型板的掺杂硅区域。

图 3

图  3:单个霍尔元件的横截面;在四角处都接触到了 n 型 EPI 电阻器。

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 或 NMOS 晶体管结构。图  4 显示了 NPN 和 PMOS 晶体管的横截面。

图 4

图  4:PMOS(顶部)和 n NPN 型 BJT 晶体管(底部)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 5,IC 芯片

图  5:硅晶圆(在形成了 IC 电路图形后被锯切成晶片)

图  6 中显示了一个 Allegro 霍尔效应传感器 IC 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 IC 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。

图 6

图  6:单一霍尔 IC 芯片

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

图  7:典型的完整霍尔器件封装(展示了安装好的晶片和引脚的连接方式)。

图  7 所示的封装是对图  2 的简单开关进行的封装,将 VCC、GND 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 MLP、一个 3 引脚 UA 型封装 SIP 和一个 4 引脚 K 型封装 SIP。

图 8

图  8:典型的完整霍尔器件封装:(A) 表面安装 MLP 和 (B) SOT23W,(C) 晶圆级芯片封装 (CSP) 和穿孔安装,(D) K 型 SIP 以及 (E) UA 型 SIP。

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