【技术】霍尔效应原理以及基于霍尔效应原理的传感器的发展状况

时间： 2021-08-25 来源：Melexis

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霍尔效应原理是以物理学家埃德温•霍尔命名的。1879 年，埃德温•霍尔发现，当在磁场中引入一个电流方向与磁场垂直的导体或半导体时，可以在与电流路径成直角的方向测量到电压。在霍尔发现这一现象之时，普遍流行的观点是将电线中的电流类比为管道中流动的液体。霍尔理论认为电流受到磁力影响，导致电流拥挤在“管道”或电线的一侧。电磁场理论可以更精确地解释导致霍尔效应的物理学原理。

现已证实，霍尔效应是电子等带电粒子在电场和磁场下相互作用的结果。在 Ed Ramsden 编著的《霍尔效应传感器：理论与应用》中，可以找到一段精彩详细而又浅显易懂的解释。

这一发现的最初用途是对化学样品进行分类。20 世纪 50 年代，科学家们开发出了砷化铟半导体化合物，进而生产出第一批具有实用价值的霍尔效应磁性仪器。霍尔效应传感器无需借助传感器运动，即可测量直流磁场或静磁场。20世纪60年代，硅半导体实现大规模普及，推动了霍尔元件和集成放大器的首次结合。这也催生了现在经典的数字输出霍尔开关。

霍尔传感器技术不断发展，也见证了从单一元件装置到双正交排列元件的发展。这样做的目的是将霍尔电压端子的偏移降至最低。

接下来的发展实现了二次或四元件传感器。这种传感器采用四个正交排列成桥状结构的元件。这一时期生产的所有硅传感器都是由双极结半导体工艺制成的。

改用CMOS工艺可以对电路的放大器部分实现斩波稳定。这有助于减少运算放大器的输入偏移误差，进而减少传感器误差。斩波不稳定电路中存在的任何误差都会为数字型传感器的开关点阈值带来误差，或者导致线性输出传感器出现偏移和增益误差。

当前一代CMOS霍尔传感器还包括一种可主动切换通过霍尔元件的电流方向的架构。该架构可消除典型半导体霍尔元件的偏移误差。它还可以主动补偿温度和应变所引起的偏移误差。得益于有源板开关和斩波器稳定的综合作用，霍尔效应传感器在开关点漂移或增益和偏移误差方面实现了大幅改善。

为实现最佳性能并尽可能减小芯片尺寸，MELEXIS仅采用CMOS工艺。将复杂的信号调节电路集成到霍尔IC中的做法有效推动了霍尔效应传感器技术的最新发展。

Melexis 推出了全球首款可编程线性霍尔IC。它可以实现现场可编程的功能特性，如增益、偏移、增益温度系数（以补偿不同磁性材料的热依赖性）。最新霍尔IC集成了微控制器内核，可打造“更智能的”传感器，并结合ROM 可编程算法实时处理复杂信号。

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