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霍爾傳感器未來(lái)的發(fā)展方向
霍爾傳感器是一種基于霍爾效應(yīng)的器件，它能實(shí)現(xiàn)磁電轉(zhuǎn)換，可用于檢測(cè)磁場(chǎng)及其變化。霍爾效應(yīng)雖然在1879年才被發(fā)現(xiàn)，但是直到20世紀(jì)50年代才出現(xiàn)了對(duì)其的應(yīng)用，然而器件成本很高。1965年，人們開(kāi)始將霍爾傳感器集成進(jìn)硅芯片中，從而促進(jìn)了霍爾器件的應(yīng)用。
霍爾器件的發(fā)展大致可分為三個(gè)階段：
第一階段是從霍爾效應(yīng)被發(fā)現(xiàn)到20世紀(jì)40年代前期。最初由于金屬材料中的電子濃度很大,霍爾效應(yīng)十分微弱而沒(méi)有引起人們的重視。到了1910年，有人用金屬鉍制成霍爾元件作為磁場(chǎng)傳感器。但是由于當(dāng)時(shí)未找到更合適的材料，研究處于停頓狀態(tài)。
第二階段是從20世紀(jì)40年代中期到半導(dǎo)體技術(shù)出現(xiàn)之后。隨著半導(dǎo)體材料、制造工藝和技術(shù)的應(yīng)用，出現(xiàn)了各種半導(dǎo)體霍爾元件，特別是鍺的采用推動(dòng)了霍爾元件的發(fā)展，相繼出現(xiàn)了采用分立霍爾元件制造的各種磁場(chǎng)傳感器。
第三階段是自20世紀(jì)60年代開(kāi)始的，隨著集成電路技術(shù)的發(fā)展出現(xiàn)了將霍爾半導(dǎo)體元件和相關(guān)的信號(hào)調(diào)節(jié)電路集成在一起的霍爾傳感器。20世紀(jì)80年代后，隨著大規(guī)模超大規(guī)模集成電路和MEMS技術(shù)的發(fā)展，霍爾元件從平面向三維方向發(fā)展，出現(xiàn)了3端口或4端口固態(tài)霍爾傳感器，實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品的系列化、加工的批量化和體積的微型化，并得到廣泛應(yīng)用。
霍爾器件有許多優(yōu)點(diǎn)。它們的結(jié)構(gòu)牢固，體積小，重量輕，壽命長(zhǎng)，安裝方便，功耗小，頻率高(可達(dá)1MHz)，耐震動(dòng)，不怕灰塵、油污、水汽及煙霧等的污染或腐蝕。
按照功能，可將霍爾器件分為霍爾線(xiàn)性器件和霍爾開(kāi)關(guān)器件兩類(lèi)。
線(xiàn)性霍爾傳感器由霍爾元件、線(xiàn)性放大器和射極跟隨器組成，它輸出模擬量。線(xiàn)性霍爾器件的輸出電壓與外加磁場(chǎng)強(qiáng)度呈線(xiàn)性關(guān)系。
開(kāi)關(guān)型霍爾傳感器由穩(wěn)壓器、霍爾元件、差分放大器、斯密特觸發(fā)器和輸出級(jí)組成，它輸出數(shù)字量。
霍爾器件應(yīng)用十分廣泛，大致可分為以下幾個(gè)方向：
一是測(cè)量載流子濃度。
根據(jù)霍爾電壓產(chǎn)生的公式，以及在外加磁場(chǎng)中測(cè)量的霍爾電壓可以判斷傳導(dǎo)載流子的極性與濃度。這種方式被廣泛應(yīng)用于半導(dǎo)體中摻雜載體的性質(zhì)與濃度的測(cè)量上。
二是測(cè)量磁場(chǎng)強(qiáng)度。
只要測(cè)出霍爾電壓，即可算出磁場(chǎng)的大小;若知載流子類(lèi)型，則由電壓的正負(fù)可測(cè)出磁場(chǎng)方向。反之，若已知磁場(chǎng)方向，則可判斷載流子類(lèi)型。
三是測(cè)量電流強(qiáng)度。
將霍爾器件的輸出(必要時(shí)可進(jìn)行放大)送到經(jīng)校準(zhǔn)的顯示器上，即可由輸出電壓的數(shù)值直接得出被測(cè)電流值。這種方式的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，測(cè)量結(jié)果的精度和線(xiàn)性度都較高，可測(cè)直流、交流和各種波形的電流。但它的測(cè)量范圍、帶寬等受到一定的限制。當(dāng)然，也可采取一些改進(jìn)措施，例如選擇飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度高的磁芯材料，制成多層磁芯，采用多個(gè)霍爾元件來(lái)進(jìn)行檢測(cè)等等。這類(lèi)霍爾電流傳感器的價(jià)格相對(duì)較低，使用非常方便，已得到廣泛的應(yīng)用，國(guó)內(nèi)外已有許多廠家在生產(chǎn)。
四是測(cè)量微小位移。
如果霍爾元件的工作電流保持不變，而使其在一個(gè)均勻梯度磁場(chǎng)中移動(dòng)，它輸出的霍爾電壓值只由它在該磁場(chǎng)中的位移量來(lái)決定。用霍爾元件測(cè)量位移的優(yōu)點(diǎn)很多，如慣性小、頻響快、質(zhì)量可靠、壽命長(zhǎng)。以微位移檢測(cè)為基礎(chǔ)，可以構(gòu)成壓力、應(yīng)力、應(yīng)變、機(jī)械振動(dòng)、加速度、重量等霍爾傳感器。
隨著電子技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，業(yè)界對(duì)霍爾器件提出了一些新的要求：
新的器件結(jié)構(gòu)
常規(guī)霍爾元件要求磁場(chǎng)垂直于霍爾元件，且在整個(gè)霍爾元件上是均勻磁場(chǎng)。而在其他情況下，需要根據(jù)磁場(chǎng)分布情況，設(shè)計(jì)各種各樣相應(yīng)的非平面霍爾結(jié)構(gòu)。其中，垂直式霍爾器件是新開(kāi)發(fā)出來(lái)的，具有低噪聲、低失調(diào)和高穩(wěn)定性的特點(diǎn)。
新的應(yīng)用環(huán)境要求霍爾器件更加小型化、更高的靈敏度且集成度更高。為了適用于空間較小的檢測(cè)環(huán)境，例如電動(dòng)機(jī)中的間隙、磁力軸承以及其他像永磁體掃描等需接近測(cè)量表面的場(chǎng)合，需要更加小型化的器件。
另外，為了檢測(cè)更小的變化量，需要靈敏度更高的器件。器件的小型化不僅適應(yīng)了新的應(yīng)用環(huán)境，也降低了器件成本。
國(guó)外霍爾傳感器的發(fā)展方向就是采用CMOS(互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體)技術(shù)的高度集成化，同樣功能可以集成在非常小的芯片內(nèi)，如信號(hào)預(yù)處理的最主要部分已在霍爾器件上完成。其中包括前置放大、失調(diào)補(bǔ)償、溫度補(bǔ)償、電壓恒定等，并且可以在芯片上集成許多附加功能，如數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元、定時(shí)器A/D轉(zhuǎn)換器、總線(xiàn)接口等。所有這些都采用CMOS標(biāo)準(zhǔn)，它們開(kāi)辟了霍爾器件新的應(yīng)用領(lǐng)域。
由于采用了微電子工藝，硅霍爾傳感器能很好地適用于許多工業(yè)應(yīng)用，這極大地推動(dòng)了霍爾器件的發(fā)展。目前，國(guó)外霍爾傳感器的研發(fā)進(jìn)展迅速，不僅解決了與EMC(電磁兼容性)器件的協(xié)同工作問(wèn)題，而且感應(yīng)精度也得到了提高。但是，霍爾傳感器的可靠性將是下一步必須著重考慮的問(wèn)題。
另外，霍爾傳感器的成本較高，因此其應(yīng)用領(lǐng)域基本鎖定在汽車(chē)等高端市場(chǎng)，而對(duì)于需求量較大、對(duì)成本控制非常嚴(yán)格的消費(fèi)電子市場(chǎng)則受到了成本的限制。相信隨著技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，霍爾傳感器走進(jìn)手柄等消費(fèi)電子應(yīng)用領(lǐng)域?qū)⑹谴髣?shì)所趨。
霍爾器件的發(fā)展大致可分為三個(gè)階段：
第一階段是從霍爾效應(yīng)被發(fā)現(xiàn)到20世紀(jì)40年代前期。最初由于金屬材料中的電子濃度很大,霍爾效應(yīng)十分微弱而沒(méi)有引起人們的重視。到了1910年，有人用金屬鉍制成霍爾元件作為磁場(chǎng)傳感器。但是由于當(dāng)時(shí)未找到更合適的材料，研究處于停頓狀態(tài)。
第二階段是從20世紀(jì)40年代中期到半導(dǎo)體技術(shù)出現(xiàn)之后。隨著半導(dǎo)體材料、制造工藝和技術(shù)的應(yīng)用，出現(xiàn)了各種半導(dǎo)體霍爾元件，特別是鍺的采用推動(dòng)了霍爾元件的發(fā)展，相繼出現(xiàn)了采用分立霍爾元件制造的各種磁場(chǎng)傳感器。
第三階段是自20世紀(jì)60年代開(kāi)始的，隨著集成電路技術(shù)的發(fā)展出現(xiàn)了將霍爾半導(dǎo)體元件和相關(guān)的信號(hào)調(diào)節(jié)電路集成在一起的霍爾傳感器。20世紀(jì)80年代后，隨著大規(guī)模超大規(guī)模集成電路和MEMS技術(shù)的發(fā)展，霍爾元件從平面向三維方向發(fā)展，出現(xiàn)了3端口或4端口固態(tài)霍爾傳感器，實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品的系列化、加工的批量化和體積的微型化，并得到廣泛應(yīng)用。
霍爾器件有許多優(yōu)點(diǎn)。它們的結(jié)構(gòu)牢固，體積小，重量輕，壽命長(zhǎng)，安裝方便，功耗小，頻率高(可達(dá)1MHz)，耐震動(dòng)，不怕灰塵、油污、水汽及煙霧等的污染或腐蝕。
按照功能，可將霍爾器件分為霍爾線(xiàn)性器件和霍爾開(kāi)關(guān)器件兩類(lèi)。
線(xiàn)性霍爾傳感器由霍爾元件、線(xiàn)性放大器和射極跟隨器組成，它輸出模擬量。線(xiàn)性霍爾器件的輸出電壓與外加磁場(chǎng)強(qiáng)度呈線(xiàn)性關(guān)系。
開(kāi)關(guān)型霍爾傳感器由穩(wěn)壓器、霍爾元件、差分放大器、斯密特觸發(fā)器和輸出級(jí)組成，它輸出數(shù)字量。
霍爾器件應(yīng)用十分廣泛，大致可分為以下幾個(gè)方向：
一是測(cè)量載流子濃度。
根據(jù)霍爾電壓產(chǎn)生的公式，以及在外加磁場(chǎng)中測(cè)量的霍爾電壓可以判斷傳導(dǎo)載流子的極性與濃度。這種方式被廣泛應(yīng)用于半導(dǎo)體中摻雜載體的性質(zhì)與濃度的測(cè)量上。
二是測(cè)量磁場(chǎng)強(qiáng)度。
只要測(cè)出霍爾電壓，即可算出磁場(chǎng)的大小;若知載流子類(lèi)型，則由電壓的正負(fù)可測(cè)出磁場(chǎng)方向。反之，若已知磁場(chǎng)方向，則可判斷載流子類(lèi)型。
三是測(cè)量電流強(qiáng)度。
將霍爾器件的輸出(必要時(shí)可進(jìn)行放大)送到經(jīng)校準(zhǔn)的顯示器上，即可由輸出電壓的數(shù)值直接得出被測(cè)電流值。這種方式的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，測(cè)量結(jié)果的精度和線(xiàn)性度都較高，可測(cè)直流、交流和各種波形的電流。但它的測(cè)量范圍、帶寬等受到一定的限制。當(dāng)然，也可采取一些改進(jìn)措施，例如選擇飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度高的磁芯材料，制成多層磁芯，采用多個(gè)霍爾元件來(lái)進(jìn)行檢測(cè)等等。這類(lèi)霍爾電流傳感器的價(jià)格相對(duì)較低，使用非常方便，已得到廣泛的應(yīng)用，國(guó)內(nèi)外已有許多廠家在生產(chǎn)。
四是測(cè)量微小位移。
如果霍爾元件的工作電流保持不變，而使其在一個(gè)均勻梯度磁場(chǎng)中移動(dòng)，它輸出的霍爾電壓值只由它在該磁場(chǎng)中的位移量來(lái)決定。用霍爾元件測(cè)量位移的優(yōu)點(diǎn)很多，如慣性小、頻響快、質(zhì)量可靠、壽命長(zhǎng)。以微位移檢測(cè)為基礎(chǔ)，可以構(gòu)成壓力、應(yīng)力、應(yīng)變、機(jī)械振動(dòng)、加速度、重量等霍爾傳感器。
隨著電子技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，業(yè)界對(duì)霍爾器件提出了一些新的要求：
新的器件結(jié)構(gòu)
常規(guī)霍爾元件要求磁場(chǎng)垂直于霍爾元件，且在整個(gè)霍爾元件上是均勻磁場(chǎng)。而在其他情況下，需要根據(jù)磁場(chǎng)分布情況，設(shè)計(jì)各種各樣相應(yīng)的非平面霍爾結(jié)構(gòu)。其中，垂直式霍爾器件是新開(kāi)發(fā)出來(lái)的，具有低噪聲、低失調(diào)和高穩(wěn)定性的特點(diǎn)。
新的應(yīng)用環(huán)境要求霍爾器件更加小型化、更高的靈敏度且集成度更高。為了適用于空間較小的檢測(cè)環(huán)境，例如電動(dòng)機(jī)中的間隙、磁力軸承以及其他像永磁體掃描等需接近測(cè)量表面的場(chǎng)合，需要更加小型化的器件。
另外，為了檢測(cè)更小的變化量，需要靈敏度更高的器件。器件的小型化不僅適應(yīng)了新的應(yīng)用環(huán)境，也降低了器件成本。
國(guó)外霍爾傳感器的發(fā)展方向就是采用CMOS(互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體)技術(shù)的高度集成化，同樣功能可以集成在非常小的芯片內(nèi)，如信號(hào)預(yù)處理的最主要部分已在霍爾器件上完成。其中包括前置放大、失調(diào)補(bǔ)償、溫度補(bǔ)償、電壓恒定等，并且可以在芯片上集成許多附加功能，如數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元、定時(shí)器A/D轉(zhuǎn)換器、總線(xiàn)接口等。所有這些都采用CMOS標(biāo)準(zhǔn)，它們開(kāi)辟了霍爾器件新的應(yīng)用領(lǐng)域。
由于采用了微電子工藝，硅霍爾傳感器能很好地適用于許多工業(yè)應(yīng)用，這極大地推動(dòng)了霍爾器件的發(fā)展。目前，國(guó)外霍爾傳感器的研發(fā)進(jìn)展迅速，不僅解決了與EMC(電磁兼容性)器件的協(xié)同工作問(wèn)題，而且感應(yīng)精度也得到了提高。但是，霍爾傳感器的可靠性將是下一步必須著重考慮的問(wèn)題。
另外，霍爾傳感器的成本較高，因此其應(yīng)用領(lǐng)域基本鎖定在汽車(chē)等高端市場(chǎng)，而對(duì)于需求量較大、對(duì)成本控制非常嚴(yán)格的消費(fèi)電子市場(chǎng)則受到了成本的限制。相信隨著技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，霍爾傳感器走進(jìn)手柄等消費(fèi)電子應(yīng)用領(lǐng)域?qū)⑹谴髣?shì)所趨。
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