電流在垂直于磁場的導(dǎo)體中流動會在相對的兩側(cè)產(chǎn)生一個電壓,稱為霍爾電壓。導(dǎo)體。雖然自1879年Edwin Hall發(fā)現(xiàn)這種現(xiàn)象以來已經(jīng)知道這一點,但半導(dǎo)體技術(shù)已經(jīng)減小了霍爾效應(yīng)器件的尺寸,并增加了幾個關(guān)鍵特性,使霍爾效應(yīng)開關(guān),傳感器和其他產(chǎn)品在許多應(yīng)用中非常有用。如圖5所示,垂直于半導(dǎo)體封裝平面的磁場和其內(nèi)部的芯片產(chǎn)生低電平的霍爾電壓。霍爾元件配置為惠斯通電橋,需要額外的電路,包括放大和偏移電壓補償。
霍爾效應(yīng)傳感應(yīng)用的設(shè)計考慮因素包括磁場強度和磁鐵接近度。對于最小的傳感系統(tǒng),建議使用釹磁鐵而不是鐵氧體磁鐵。厚度為1 mm或3 mm的4 mm x 4 mm釹磁鐵在磁鐵和霍爾效應(yīng)IC之間的間隔為7.66 mm至10.4 mm。增加檢測距離需要增加厚度,截面積或兩者。對于一些手機,還使用MR(磁阻),GMR(巨磁阻)或AMR(各向異性磁阻)傳感技術(shù)。在這些技術(shù)中,場方向與霍爾效應(yīng)場方向相反,這需要正交磁場。通常,磁體強度需要大約是霍爾效應(yīng)器件的兩倍。然而,在引入霍爾效應(yīng)傳感器的芯片級封裝之前,MR封裝更小。采用更新,更小的霍爾效應(yīng)IC,如ROHM的產(chǎn)品,采用1.1 mm x 1.1 mm x 0.5 mm CSP(芯片級封裝),MR封裝尺寸優(yōu)勢基本消失,特別是因為設(shè)計人員可以通過使用更小的尺寸來節(jié)省空間和成本圖5:當(dāng)磁鐵垂直于流動時,霍爾電壓是由半導(dǎo)體材料中的電流引起的。
ROHM的霍爾效應(yīng)技術(shù)《 br》 ROHM的霍爾效應(yīng)IC使用單個單片硅芯片和內(nèi)置電路,以提供額外的功能和易于連接。此外,ROHM不是一直使用的模擬輸出,而是率先在輸出端使用CMOS邏輯,以提供低功耗。今天,所有ROHM霍爾效應(yīng)開關(guān)都使用CMOS推挽邏輯來提供數(shù)字輸出,無需其他霍爾效應(yīng)開關(guān)中常見的單FET輸出所需的外部上拉電阻。 CMOS輸出直接連接到微控制器。圖6顯示了霍爾效應(yīng)元件以及所有ROHM霍爾效應(yīng)IC共用的附加電路,包括時序邏輯(SW),動態(tài)失調(diào)消除,放大,采樣和保持,比較器,振蕩器(OSC),鎖存和推挽輸出。 ROHM的一些霍爾效應(yīng)傳感器具有兩個推挽輸出,可實現(xiàn)更強大的功能。
采樣和保持電路可降低電池供電應(yīng)用的功耗。 ROHM的霍爾效應(yīng)IC通常具有50毫秒的采樣周期。如圖7所示,器件喚醒48-μs的磁場樣本,然后返回休眠狀態(tài)。因此,2.7 V應(yīng)用的典型工作電流僅為8μA,1.8 V工作時的典型工作電流甚至更低,僅為5μA。由于ROHM霍爾效應(yīng)IC專為電池供電應(yīng)用而設(shè)計,它們可以在低至1.65 V至3.3 V的電壓下工作。專為滾輪或軌跡球應(yīng)用而設(shè)計的雙極霍爾效應(yīng)IC具有更快的0.5 ms采樣周期。 br》
圖6:ROHM霍爾效應(yīng)元件的框圖。
圖7:每50 ms周期48μs的典型采樣時間將平均電流消耗降低至8μA ROHM霍爾效應(yīng)IC中的傳感元件和電路設(shè)計確保了高ESD(靜電放電)容差,在人體模型中測得的額定值高達8 kV。單片硅霍爾效應(yīng)傳感器的工作溫度范圍為-40°C至85°C,具有較高的磁通密度檢測穩(wěn)定性與溫度的關(guān)系。此外,許多型號具有高靈敏度,典型工作點為3.7 mT(設(shè)計用于1.8 V操作的IC為3.0 mT)。動態(tài)偏移消除消除了霍爾元件惠斯通電橋的差分,提高了精度,遲滯比較器提高了抗噪性能。
安裝面積為1.1 mm x 1.1 mm x 0.5 mm,ROHM的VCSP5OL1 CSP提供最小的霍爾效應(yīng)傳感器適用于要求最苛刻,空間有限的應(yīng)用。圖8顯示了與HVSOF5 SMT(表面貼裝)封裝相比的CSP。
圖8:ROHM的霍爾效應(yīng)IC采用表面貼裝HVSOF5封裝,占位面積僅為1.6 mm x 1.6 mm,采用更小的VCSP5OL1 1.1 mm方形芯片級封裝。
ROHM的霍爾效應(yīng)拓撲結(jié)構(gòu)
為了為各種應(yīng)用提供合適的傳感器,ROHM霍爾效應(yīng)IC有四種不同的設(shè)計,如圖9a至9d所示。
單極器件僅檢測是否存在特定極性磁場。競爭霍爾效應(yīng)IC供應(yīng)商通常只提供這種類型的器件用于S極檢測。
圖9a:用于S極檢測的ROHM單極霍爾效應(yīng)IC拓撲結(jié)構(gòu)。
ROHM提供N和S極版本。單極器件可提供最高的節(jié)能效果,但需要特別注意磁鐵的正確極性位置。
全極霍爾效應(yīng)IC可檢測兩個磁極,無需標(biāo)記磁鐵表面。
圖9b:ROHM的全極霍爾IC拓撲檢測N極或S極。容-源-電-子-網(wǎng)-為你提供技術(shù)支持
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