关于霍尔传感器

霍尔传感器的功能基于霍尔效应的物理原理，后者得名于其发现者埃德温·赫伯特·霍尔（Edwin Herbert Hall，1855-1938）：如果磁场垂直于载流导体产生影响，则会在电流流动方向上产生电压（霍尔电压）。

霍尔效应期间，当施加垂直于电流的磁场时，由于洛伦兹力的作用，电子会偏转到敏感元件的边缘。这就产生了一个位差，即所谓的霍尔电压。此电压与磁场的场强和作用电流的电流强度成正比。各种广泛的应用可通过利用这种比例性进行提供。因此，外部磁场的强度也可以定义。电流测量也得以实现，因为电流流经的每个导体都会产生自己的磁场。这个磁场现在可以用于（间接）测量电流。

由于霍尔效应在半导体中最为明显，因此通常会使用小块半导体材料作为霍尔元件。

霍尔效应：在半导体芯片中，霍尔电压由垂直于电流方向作用的外部磁场产生。

CMOS 霍尔传感器有引线且采用 SMD 封装。垂直于芯片表面测量磁流的分量（箭头）。

目前的霍尔传感器中，所需的评估电子设备通常与霍尔板一起集成到芯片上。垂直穿过霍尔元件的场线可产生成比例的电压，该电压由数字信号处理器处理并转换为可用的输出格式。
 

首个基于 CMOS 的霍尔传感器是由现在的 TDK-Micronas 于二十世纪就是年代初率先开发的。随着制造工艺成本逐渐低廉，IC 可以更好地集成，从而支持更复杂的电路设计。现在，数字和模拟功能已作为混合信号集成电路整合在同一芯片上。

尽管如此，在实现 CMOS 集成电路霍尔传感器之前，还需要克服一些重大挑战。其背后的一个原因：霍尔传感器在非常低的信号电压下工作。因此，它们容易抵消由于温度和电压波动以及机械压力（例如从外壳传输到芯片）而可能引发的漂移。外部影响因素极大地扭曲了微弱的测量信号。这些因素还需要得到补偿，以便获得运行精确且可靠的霍尔传感器。 

TDK-Micronas 通过斩波法（也称为“主动偏置补偿”）取得了突破。此概念涉及连续（“斩波”）将电流方向通过霍尔板切换到实际传感器芯片。将霍尔电压的电源和分接头对角连接到方形霍尔板上即可。测量信号中的失真（例如，由于霍尔板的几何畸变而形成），无论电流方向如何，均以相同的强度输入测量值，但会根据电流方向进行添加或提取。由于两次测量均使用具有相同应力分布的相同结构进行，因此引起的偏置在机械外壳电压上已均匀。 

下一步，工程师将转向运算放大器。可将整个工作温度的偏置限制在几 µV，并显着提高电路的电磁兼容性和电压稳定性。因此，这为完整的 CMOS 霍尔传感器系统奠定了基础，该系统中包括片上信号处理和非易失性存储器集成。 

偏置问题得到解决之后，TDK-Micronas 便开始销售第一款采用 CMOS 技术的稳健型热稳定霍尔开关和线性霍尔传感器。以下开发产品包括基于内部 3D HAL® 技术的高精度角度传感器。通过使用垂直和水平霍尔板，多维磁场测量现在得以实现：垂直霍尔板可检测平行于传感器表面的磁场线，而水平霍尔板可检测撞击在芯片表面上的垂直分量。 

这对于在汽车行业的运用至关重要，该行业需要汽车设计中的元件经过更严格的集成和电磁兼容性优化。由此也开发出具有集成去耦电容器的传感器，以及必须满足 ISO 26262 功能安全要求的传感器。在高安全要求的应用中，借助冗余原则可以实现高可靠性。TDKMicronas 在此领域提供传感器解决方案，例如包括两个独立半导体芯片的单个封装。
 

配备集成去耦电容器的霍尔传感器

除了跨越几代霍尔传感器的持续技术开发之外，根据现代车辆的严格要求而专门开发的新概念也在实施之中。汽车电子行业的座右铭是“稳健性”和“抗噪度”。考虑到这一点，TDK-Micronas 推出了配备集成去耦电容器的抗 EMC 传感器。这类电容器集成在传感器芯片附近的晶体管封装中，放置良好，可以远离半导体芯片的干扰脉冲。此解决方案不需要任何外部元件，具有成本效益，能够节省空间，且高效。

配备集成去耦电容器和多维磁场测量的传感器解决方案

具备冗余功能的霍尔传感器（双芯片解决方案）

电子线控系统等高安全要求的汽车应用需要额外的功能加以保护。这就是冗余原则发挥作用的地方，该原则在航空电子设备的早期就得到了应用。背后的思路：元件安装多次且并行运行。在输入信号相同的情况下，输出信号会受到连续比较。如果这些信号偏移到不可容忍的程度，则会存在故障，可以采取预定义的措施，例如启动紧急程序。TDK 为霍尔传感器找到了一种解决方案，不在需要使用第二个元件：两个独立传感器芯片集成到单个 SMD 封装中。两个芯片垂直排列，以确保被相同的磁场穿透，从而提供相同的输出信号。然而，对于键合线来说，微弱的偏置难以避免 - 但可以忽略。

具有冗余功能的双芯片霍尔传感器，适用于汽车行业的高安全要求应用

使用 TDK 的霍尔传感器可以在汽车和工业电子产品中实现大量丰富的传感器应用，包括无刷电机（BLDC）的换流，电流的间接测量，再到转向角的精确测量。

霍尔传感器和永磁的组合可支持测量一系列变量，例如旋转速度（RPM）、角度、旋转、充满率、压力或扭矩。与其他技术相比，霍尔传感器的优势在于只要其处于最佳密封状态，就可以对灰尘、污染物或水不敏感。由于霍尔传感器与被测量的物体没有物理接触，因此几乎没有磨损，非常可靠。 

霍尔传感器适用于位置检测等需要精确测量距离或角度的场景。霍尔效应传感器具有高精度和稳健性，非常适合在发动机罩下使用，可在高达 160℃ 的环境温度下可靠工作。 

霍尔开关

功能原理：当磁铁靠近传感器时，将测量到的磁场强度与阈值进行比较。一旦超过该值（开关点），传感器输出处的开关状态就会发生变化，根据其类型，传感器会表现出单极、双极或锁存开关行为。 

TDK-Micronas 提供 HAL 15xy 开关系列，并采用预定义的特征值。此系列主要针对汽车应用而设计，可满足功能安全要求。根据 ISO 26262 标准，HAL 15xy 产品系列的所有成员均已定义为 SEooC（独立安全单元）ASIL B 级。该开关在 TO92 或 SOT23 封装中提供 3 线或 2 线版本。后者具有电流源输出，因此仅需要两根电缆。汽车行业的典型应用包括检测制动液液位、检测安全带是否系紧或用作制动灯开关。霍尔开关越来越多地在取代传统的微型开关，例如安全带按钮或窗帘的微型开关。此外，它们可以与电机控制器结合使用，用于无刷电动机的换流。

利用霍尔开关进行速度测量

线性霍尔效应传感器

路径测量或旋转运动测量需要具备线性输出特性的更复杂的霍尔传感器，能够输出与磁场强度成比例的信号。此输出信号可作为模拟电压、脉宽调制信号（PWM）或以现代接口协议（例如 SENT）的形式提供。输出特性可以借助多达 32 个网格点实现线性化。这样一来，磁铁或机械设计的公差能够得到完全补偿。HAL 24xy 传感器系列具有诊断功能，专为高达 40 毫米的精确距离测量和高达 180 度的角度测量而设计。HAL 24xy 传感器设备专为高安全要求的电子线控应用而设计，可以提供冗余功能。这种情况下，两个独立传感器芯片（双芯片）会集成到单个 TSSOP 封装中。典型的应用场景包括磁场测量和替代容易磨损的传统电位器。在车辆应用中，线性霍尔传感器特别用于检测踏板位置或转向扭矩，在此类应用中，线性霍尔传感器越来越多地被直接角度传感器取代。

利用线性霍尔传感器定义位置和运动

直接角度传感器

虽然线性刻度传感器仅测量磁场的振幅，但直接角度传感器也能够捕获场矢量。垂直于芯片表面的磁场分量由两种类型的线性刻度传感器记录。3D 传感器的“垂直”霍尔元件还可以检测芯片平面中的磁场分量。由此，内部信号处理将计算角度和位置信息，并作为模拟、PWM 或总线协议输出信号（例如 SENT）输出。

TDK-Micronas 的 HAL 39xy 传感器系列采用内部 3D HAL® 技术，同时可抵抗外部磁干扰场。这种独特概念基于一系列霍尔板。每种测量模式均使用另一个霍尔板组合，以便获得最佳测试结果。masterHAL® 传感器系列高度灵活的传感器阵列，可帮助设计工程师为任何给定的测量任务选择最佳操作模式。HAL 39xy 传感器是市场上唯一可用的系统解决方案，将所有四种模式集成在单个传感器中。它们能为客户创造明显的优势，只需对一个元件进行资格认证，而无需涉及多个不同的硬件版本。新传感器适合广泛的应用场景，包括所有类型的阀门和执行器、换档器、踏板位置、换档位置、转向角或底盘位置检测。

除了输出特性之外，还可以通过对非易失性存储器进行编程，来调整磁路的主要特性。HAC 39xy 配备了集成电容器，可满足严格的 EMC 要求，并消除对 PCB 的需求，从而降低整体系统尺寸和成本。HAC 39xy 是 HAC 39xy 系列的双芯片版本。典型应用包括非常精确地测量高达 40 毫米的磁场对齐或线性运动和高达 360°的角度范围。直接角度传感器非常适合检测油门或离合器踏板的位置。

Measuring direct angles with 3D-Hall-sensors