霍爾效應(yīng)IC開關(guān)在消費(fèi)電子市場(chǎng)中的應(yīng)用

21世紀(jì)的超小型IC封裝創(chuàng)新為機(jī)械設(shè)備提供了有益的替代方案。

據(jù)半導(dǎo)體行業(yè)協(xié)會(huì)稱，消費(fèi)電子市場(chǎng)在2004年成為半導(dǎo)體的最大用戶和主要驅(qū)動(dòng)因素并持續(xù)增長(zhǎng)比公司部門還要大。在消費(fèi)類電子產(chǎn)品中，便攜式產(chǎn)品是增長(zhǎng)最快的領(lǐng)域。市場(chǎng)研究公司Gartner Dataquest的數(shù)據(jù)顯示，預(yù)計(jì)2007年手機(jī)數(shù)量將從2007年的10億多個(gè)增加到2010年的近15億個(gè)。

同時(shí)為正確的組件，消費(fèi)類電子產(chǎn)品，特別是消費(fèi)電子產(chǎn)品的供應(yīng)商提供大量機(jī)會(huì)。便攜式部分對(duì)供應(yīng)商提出了很高的要求，要求小尺寸，高功能，低功耗和低成本作為驗(yàn)收的主要標(biāo)準(zhǔn)。在這個(gè)競(jìng)爭(zhēng)激烈的舞臺(tái)上，霍爾效應(yīng)被證明是為蜂窩電話，便攜式計(jì)算機(jī)，數(shù)碼相機(jī)，導(dǎo)航系統(tǒng)，電子玩具等添加功能的正確解決方案。霍爾效應(yīng)是20世紀(jì)后期通過(guò)使用LSI（大規(guī)模集成）IC技術(shù)和先進(jìn)封裝實(shí)現(xiàn)的磁性技術(shù)。在便攜式消費(fèi)電子產(chǎn)品中，霍爾效應(yīng)傳感器提供了有效的替代方案。與其他非接觸技術(shù)相比，機(jī)械開關(guān)具有更高的可靠性，以及成本和/或性能優(yōu)勢(shì)?；魻栃?yīng)IC采用集成雙極感應(yīng)和CMOS邏輯電路，具有高度可靠的半導(dǎo)體封裝和小磁鐵，可提供多種有用功能。

便攜式電子產(chǎn)品中的應(yīng)用

在消費(fèi)類電子產(chǎn)品中，產(chǎn)品的接受程度越來(lái)越由以下因素決定：

用戶界面，傳感器提供意識(shí)

整體用戶體驗(yàn)，其中微妙的功能可以成為“哇！”因此?；魻栃?yīng)IC開關(guān)的使用有助于其中幾種應(yīng)用的產(chǎn)品驗(yàn)收。

開/關(guān)檢測(cè)

便攜式電腦，翻蓋式或千斤頂式電話，以及其他具有旋轉(zhuǎn)鉸鏈和蛤殼設(shè)計(jì)的便攜式設(shè)備（見圖1）歷來(lái)使用機(jī)械開關(guān)來(lái)指示打開或關(guān)閉位置。了解設(shè)備是打開還是關(guān)閉對(duì)于為睡眠電路供電以及將設(shè)備恢復(fù)到睡眠模式以節(jié)省電量至關(guān)重要。

圖1：霍爾當(dāng)手機(jī)蓋關(guān)閉時(shí)，IC開關(guān)檢測(cè)到磁鐵的存在。

霍爾效應(yīng)IC開關(guān)檢測(cè)是否存在磁場(chǎng)，并輸出數(shù)字信號(hào)用于ON/OFF。與具有潛在磨損機(jī)制的機(jī)械開關(guān)相比，霍爾方法是一種非接觸式，長(zhǎng)壽命的解決方案。與機(jī)械開關(guān)相比，在許多情況下，霍爾效應(yīng)開關(guān)可以簡(jiǎn)化傳感器位置的選擇。

一些較新的手機(jī)，數(shù)碼相機(jī)和其他便攜式儀器使用滑動(dòng)機(jī)制（見圖2）顯示顯示器或鍵盤，當(dāng)設(shè)備處于待機(jī)模式時(shí)通常會(huì)被覆蓋。在這些應(yīng)用中，通常使用霍爾效應(yīng)IC開關(guān)/磁體組合。 IC通常是單極霍爾效應(yīng)IC。單極霍爾效應(yīng)IC開關(guān)僅在檢測(cè)到足夠強(qiáng)度和極性的磁場(chǎng)時(shí)工作。 S極檢測(cè)設(shè)備最常見，但也可以使用N極檢測(cè)設(shè)備。

圖2：霍爾效應(yīng)IC開關(guān)在手機(jī)蓋關(guān)閉時(shí)檢測(cè)磁鐵的存在。

能夠檢測(cè)任一極性磁場(chǎng)的全極霍爾效應(yīng)IC開關(guān)也可用于此應(yīng)用。單極器件通常需要較少的功率來(lái)操作，但磁體必須正確定向，而全極設(shè)備的操作與磁體方向無(wú)關(guān)。

屏幕方向

在另一個(gè)變型中，屏幕樞轉(zhuǎn)以允許磁體的正面或背面要顯示的顯示。系統(tǒng)必須辨別顯示器的哪一側(cè)面向觀察者。該應(yīng)用程序通常用于PDA，數(shù)碼相機(jī)和平板電腦。一些用于臺(tái)式計(jì)算機(jī)的平板顯示器可以在縱向和橫向模式之間旋轉(zhuǎn)。

在這些應(yīng)用中，必須使用霍爾效應(yīng)IC傳感器，它不僅能夠檢測(cè)磁場(chǎng)，還能夠區(qū)分磁場(chǎng)。極性（參見圖3）。

具有雙輸出的全極霍爾效應(yīng)IC開關(guān)可以通過(guò)單個(gè)器件控制屏幕方向和其他類似功能。

圖3：極性區(qū)分全極霍爾效應(yīng)IC開關(guān)可用于控制多個(gè)顯示器的操作和方向。

功能選擇和控制

多功能手機(jī)中越來(lái)越重要的功能是滾輪或軌跡球（參見圖4），一個(gè)人機(jī)界面，允許用戶滾動(dòng)列表，增加或減少音量，或?qū)崿F(xiàn)另一個(gè)功能。一些低成本的MP3播放器使用順時(shí)針或逆時(shí)針移動(dòng)的轉(zhuǎn)輪選擇MP3歌曲或滾動(dòng)菜單項(xiàng)列表。

電容式甚至電阻式觸摸感應(yīng)也用于這些應(yīng)用，但霍爾效應(yīng)傳感器提供成本較低的解決方案。

圖4：雙極霍爾效應(yīng)IC開關(guān)檢測(cè)交替極性磁場(chǎng)的存在，以識(shí)別順時(shí)針或逆時(shí)針運(yùn)動(dòng)。

此應(yīng)用需要使用兩個(gè)雙極鎖存霍爾效應(yīng)IC。轉(zhuǎn)輪具有一系列交替的N極和S極磁鐵。組合使用的兩個(gè)霍爾效應(yīng)IC用于檢測(cè)車輪的順時(shí)針或逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)。

手機(jī)，計(jì)算機(jī)和游戲手機(jī)中的更高級(jí)應(yīng)用程序使用可左右上下移動(dòng)的軌跡球。這些設(shè)計(jì)使用四個(gè)霍爾效應(yīng)開關(guān)來(lái)確定球的移動(dòng)方向和速度。雖然移動(dòng)電話使用霍爾效應(yīng)傳感器來(lái)實(shí)現(xiàn)各種功能，但這些功能中的一些可用于便攜式計(jì)算機(jī)，數(shù)碼相機(jī)，霍爾效應(yīng)技術(shù)基礎(chǔ)

電流在垂直于磁場(chǎng)的導(dǎo)體中流動(dòng)會(huì)在相對(duì)的兩側(cè)產(chǎn)生一個(gè)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(lái)已經(jīng)知道這一點(diǎn)，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(gè)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(chǎng)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(bǔ)償。

霍爾效應(yīng)傳感應(yīng)用的設(shè)計(jì)考慮因素包括磁場(chǎng)強(qiáng)度和磁鐵接近度。對(duì)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(cè)距離需要增加厚度，截面積或兩者。對(duì)于一些手機(jī)，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(chǎng)方向與霍爾效應(yīng)場(chǎng)方向相反，這需要正交磁場(chǎng)。通常，磁體強(qiáng)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(jí)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(jí)封裝），MR封裝尺寸優(yōu)勢(shì)基本消失，特別是因?yàn)樵O(shè)計(jì)人員可以通過(guò)使用更小的尺寸來(lái)節(jié)省空間和成本圖5：當(dāng)磁鐵垂直于流動(dòng)時(shí)，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(gè)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(lái)提供數(shù)字輸出，無(wú)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(shí)序邏輯（SW），動(dòng)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(gè)推挽輸出，可實(shí)現(xiàn)更強(qiáng)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(chǎng)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(shí)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(jì)，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(jì)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(shí)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(jì)確保了高ESD（靜電放電）容差，在人體模型中測(cè)得的額定值高達(dá)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(cè)穩(wěn)定性與溫度的關(guān)系。此外，許多型號(hào)具有高靈敏度，典型工作點(diǎn)為3.7 mT（設(shè)計(jì)用于1.8 V操作的IC為3.0 mT）。動(dòng)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(jí)封裝。

ROHM的霍爾效應(yīng)拓?fù)浣Y(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(jì)，如圖9a至9d所示。

單極器件僅檢測(cè)是否存在特定極性磁場(chǎng)。競(jìng)爭(zhēng)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(cè)。

圖9a：用于S極檢測(cè)的ROHM單極霍爾效應(yīng)IC拓?fù)浣Y(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(cè)兩個(gè)磁極，無(wú)需標(biāo)記磁鐵表面。

圖9b：ROHM的全極霍爾IC拓?fù)錂z測(cè)N極或S極。

極性鑒別全極霍爾效應(yīng)傳感器具有雙輸出，可識(shí)別N極和S極，因此可以檢測(cè)位置和方向。圖9c：ROHM的極性鑒別全極霍爾效應(yīng)IC開關(guān)具有雙輸出。

雙極（鎖定）操作霍爾效應(yīng)器件檢測(cè)交替極點(diǎn)，但如果未檢測(cè)到極點(diǎn)則不會(huì)改變狀態(tài)。最新的雙極設(shè)計(jì)BU52040HFV具有0.5 ms的響應(yīng)時(shí)間，比其他ROHM霍爾效應(yīng)傳感器快約100倍，可滿足數(shù)碼相機(jī)，移動(dòng)電話，PDA或MP3播放器上的微動(dòng)輪應(yīng)用要求。

圖9d：只有當(dāng)磁極反轉(zhuǎn)時(shí)，ROHM的雙極霍爾IC才會(huì)改變狀態(tài)。

未來(lái)產(chǎn)品中的霍爾效應(yīng)

雖然便攜式消費(fèi)電子產(chǎn)品代表了霍爾效應(yīng)開關(guān)的快速增長(zhǎng)市場(chǎng)，但它只是可以從該技術(shù)中受益的一個(gè)部分。白色家電行業(yè)經(jīng)常需要類似的功能，特別是門開/關(guān)指示。甚至汽車也可以利用方向盤位置/旋轉(zhuǎn)等應(yīng)用中的非接觸式傳感。雖然這些應(yīng)用的產(chǎn)品必須符合不同的規(guī)格，包括比消費(fèi)產(chǎn)品更高的電壓操作，但它們是ROHM產(chǎn)品組合的計(jì)劃增加。最終，幾個(gè)行業(yè)將受益于使用小而靈敏的霍爾效應(yīng)IC。