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作者：Shaun Milano，Allegro MicroSystems, LLC

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摘要

Allegro^? MicroSystems, LLC 是開發、制造和銷售高性能霍爾效應傳感器集成電路的全球領導者。這一注解可讓您對霍爾效應以及 Allegro 如何在封裝的半導體單片集成電路中設計和采用霍爾技術有一個基本的了解。

霍爾效應原理

霍爾效應是以埃德溫·霍爾 (Edwin Hall) 的名字命名的，他在 1879 年發現：當一個磁場沿垂直于金屬板平面的方向穿過金屬板時，載流導電板上會產生電勢，如圖  1 的下面板所示。

霍爾效應的基本物理原理是洛倫茲力，如圖  1 的上面板所示。當電子以速度 v 沿垂直于外加磁場 B 的方向移動時，會受到一個作用力 F（即洛倫茲力），此作用力與外加磁場和電流方向垂直。

圖  1：霍爾效應與洛倫茲力。藍色箭頭 B 代表垂直穿過導電板的磁場。

在該力的作用下，電子沿導體做曲線運動，金屬板上會聚集凈電荷、從而產生電壓。霍爾電壓 V_H 遵循以下公式，該公式表明 V_H 與外加場強成正比并且 V_H 的極性取決于外加磁場的方向（向北還是向南）。憑借這一屬性，霍爾效應被廣泛應用于磁性傳感器。

其中：

• V_H 是導電板上的霍爾電壓，

• I 是通過金屬板的電流，

• q 為載流子的電荷量，

• ρn 為單位體積中的載流子數，

• t 為金屬板的厚度。

由于霍爾效應適用于導電板和半導體板，Allegro 半導體集成電路整合了一個霍爾元件。通過在完全集成的單片 IC 中使用霍爾效應，可以測量磁場強度和創造大量的霍爾效應集成電路以滿足眾多不同應用的需求。

Allegro 霍爾開關由南極產生的正磁場激活。正磁場將開啟輸出晶體管并將把輸出連接至 GND（為低電平有效器件）。

激活該器件和開啟輸出晶體管所需的磁場強度被稱為磁場工作點，縮寫為 B_OP。當磁場被移除時，輸出晶體管將關閉。關斷已開啟器件所需的磁場強度被稱為磁場釋放點或 B_RP。B_OP 與 B_RP 之差被稱為回差，可用于防止因噪聲引起的開關反彈。

Allegro 還制作了磁性鎖存器和線性器件。磁性鎖存器可以通過南極 (B_OP) 開啟，通過北極 (B_RP) 關閉。鎖存器與簡單開關的區別是需要使用北極來禁用鎖存器。由于他們在磁場被移除時并未關閉，當前的輸出狀態將保持不變（被“鎖存”），直至出現一個外加反向磁場。鎖存器可用于感測旋轉磁鐵以便實現電動機換相或用于速度感測。

線性器件具有模擬輸出，可用于線性編碼器中進行位置感測，例如用于汽車油門位置感測。他們具有成比例輸出電壓，在沒有外加磁場時，其名義上為 V_CC / 2。在存在南極的情況下，輸出將朝 V_CC 的方向移動；在存在北極的情況下，輸出將朝 GND 的方向移動。Allegro 可提供廣泛的霍爾開關、鎖存器和線性器件以滿足各種應用需求。請參考 Allegro 產品選擇指南：磁性線性和角度位置傳感器 IC、磁性數字位置傳感器 IC、基于霍爾效應的電流傳感器 IC 以及 磁性速度傳感器 IC。

運用霍爾效應

Allegro 霍爾效應集成電路 (IC) 通過將霍爾元件與其他電路（例如運算放大器和比較器）結合在一起的方式來利用霍爾效應制作磁性開關和模擬輸出器件。簡單的霍爾開關，如圖  2 所示的開路 NMOS 器件，可以用來確定是否存在磁鐵和作出數字輸出響應。

圖  2：一個簡單的霍爾效應開關 IC 的方框圖

集成電路是將大量電路元件進行高密度集成以使其成為一個整體元件的電子結構。電路元件包括晶體管和二極管等有源元件以及電阻器、電容器和電感器等無源元件。這些元件用金屬（通常為鋁）相互連接，構成該器件更為復雜的運算放大器和比較器。圖  2 中的霍爾開關只是一個簡單的例證，這些元件其實可以應用于所有的 Allegro 器件中，甚至可以用于制作最復雜的 IC。圖  2 中的霍爾元件位于帶有“X”的方框中。其輸出被放大、送入比較器中，然后形成開路 NMOS 數字輸出。Allegro 還制作了帶有兩個可以感測差分磁場的霍爾元件以及三個可以偵測移動鐵磁目標位置的霍爾元件的霍爾 IC。無論傳感器拓撲結構有多么復雜，這些元件都是在半導體材料的薄基片內部和表面制成的。

霍爾 IC 結構

Allegro 器件都是在硅基片上采用如下方法制成的：直接在硅中摻雜進不同的材料以形成 n 型（電子）或 p 型（空穴）載體區域。這些 n 型和 p 型材料分區形成了構成集成電路有源和無源元件（包括霍爾元件）的幾何結構，并通過在幾何結構上熔敷金屬的方式連接在了一起。有源和無源元件也因此建立了電氣連接。由于所需的幾何結構非常小，在微米甚至更小的范圍內，電路裝配密度非常高，可以在非常小的硅面積內裝配復雜的電路。

所有有源和無源元件都被整合在基片內或堆積在硅表面，導致與硅密不可分，從而真正地形成了單片集成電路。圖  3 表明了如何將一個霍爾元件整合在 Allegro IC 中。它只是一個形成了可以導電的 n 型板的摻雜硅區域。

圖  3：單個霍爾元件的橫截面；在四角處都接觸到了 n 型 EPI 電阻器。

如前所述，當電流被迫從金屬板的一角流到對角處時，在存在垂直磁場的情況下，金屬板另外兩角處會產生霍爾電壓。在沒有外加磁場時，霍爾電壓為零。以此類推，更復雜的幾何結構可以構成有源元件，例如 NPN 或 NMOS 晶體管結構。圖  4 顯示了 NPN 和 PMOS 晶體管的橫截面。

圖  4：PMOS（頂部）和 n NPN 型 BJT 晶體管（底部）的橫截面

為確保生產效率，這些電路在仍為大晶圓形式時就被整合在了基片中。這些電路以行和列的形式重疊，可以鋸切成單獨的晶片或“芯片”，如圖  5 所示。

圖  5：硅晶圓（在形成了 IC 電路圖形后被鋸切成晶片）

圖  6 中顯示了一個 Allegro 霍爾效應傳感器 IC 器件。這是一個包含圖  2 所示的功能框圖中的所有內容的簡單開關。該 IC 中包含電路的所有部分，包括位于芯片中間紅色方框中的霍爾元件、放大器電路、保護二極管以及實現器件功能所需的多個電阻器與電容器。

圖  6：單一霍爾 IC 芯片

霍爾器件封裝

在將硅晶圓（呈現為行和列的形式）鋸切成單獨的晶片之后，要對這些晶片進行封裝以便進行單獨銷售。封裝形式多種多樣，圖  7 顯示了其中的一種完整封裝形式。可以看到晶片位于封裝箱體內、安裝在銅制晶片焊墊上。銅制引線的接點通過金絲線從晶片表面的金屬焊墊上連接到電氣絕緣的封裝外殼的引線上。然后用塑料對該封裝進行包封和包覆成型處理以保護晶片免受損壞。

圖  7：典型的完整霍爾器件封裝（展示了安裝好的晶片和引腳的連接方式）。

圖  7 所示的封裝是對圖  2 的簡單開關進行的封裝，將 VCC、GND 和輸出引線整合進一個微型 3 引腳單列直插式封裝 (SIP) 中。其他封裝如圖  8 所示，包括一個晶圓級芯片封裝 (CSP)、一個 SOT23W、一個 MLP、一個 3 引腳 UA 型封裝 SIP 和一個 4 引腳 K 型封裝 SIP。

圖  8：典型的完整霍爾器件封裝：(A) 表面安裝 MLP 和 (B) SOT23W，(C) 晶圓級芯片封裝 (CSP) 和穿孔安裝，(D) K 型 SIP 以及 (E) UA 型 SIP。

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