集成霍爾傳感器講課講稿

集成霍爾傳感器由式(6-2-3)可見(jiàn)，霍爾電壓的大小決定于載流體中電子的運(yùn)動(dòng)速度，它隨載流體材料的不同而不同。材料中電子在電場(chǎng)作用下運(yùn)動(dòng)速度的大小常用載流子遷移率來(lái)表征／所謂載流子遷移率，是指在單位電場(chǎng)強(qiáng)度作用下，載流子的平均速度值。載流子遷移率用符號(hào)μ表示，μ=v/EI。其中EI是C、D兩端面之間的電場(chǎng)強(qiáng)度。它是由外加電壓U產(chǎn)生的，即EI＝U/L。因此我們可以把電子運(yùn)動(dòng)速度表示為v=μU/l。這時(shí)式(6-2-3)可改寫為:(6-2-4)當(dāng)材料中的電子濃度為n時(shí)，有如下關(guān)系式:

I=nqbdv即(6-2-5)

將式（6-2-5）代入式（6-2-3），得到(6-2-6)式中RH為霍爾系數(shù)，它反映材料霍爾效應(yīng)的強(qiáng)弱，；KH為霍爾靈敏度，它表示一個(gè)霍爾元件在單位控制電流和單位磁感應(yīng)強(qiáng)度時(shí)產(chǎn)生的霍爾電壓的大小，KH=RH/d，它的單位是mV/(mA·T)由式(6-2-6)可見(jiàn)，霍爾元件靈敏度KH是在單位磁感應(yīng)強(qiáng)度和單位激勵(lì)電流作用下，霍爾元件輸出的霍爾電壓值，它不僅決定于載流體材料，而且取決于它的幾何尺寸(6-2-7)由式(6-2-4)、(6-2-6)還可以得到載流體的電阻率ρ與霍爾系數(shù)RH和載流子遷移率μ之間的關(guān)系:(6-2-8)通過(guò)以上分析，可以看出:1)霍爾電壓UH與材料的性質(zhì)有關(guān)。根據(jù)式(6-2-8)，材料的ρ、μ大，RH就大。金屬的μ雖然很大，但ρ很小，故不宜做成元件。在半導(dǎo)體材料中，由于電子的遷移率比空穴的大，且μn>μp，所以霍爾元件一般采用N型半導(dǎo)體材料。2)霍爾電壓UH與元件的尺寸有關(guān)。根據(jù)式(6-2-7)，d愈小，KH愈大，霍爾靈敏度愈高，所以霍爾元件的厚度都比較薄，但d太小，會(huì)使元件的輸入、輸出電阻增加。從式(6-2-4)中可見(jiàn)，元件的長(zhǎng)度比l/b對(duì)UH也有影響。前面的公式推導(dǎo)，都是以半導(dǎo)體內(nèi)各處載流子作平行直線運(yùn)動(dòng)為前提的。這種情況只有在l/b很大時(shí)，即控制電極對(duì)霍爾電極無(wú)影響時(shí)才成立，但實(shí)際上這是做不到的。由于控制電極對(duì)內(nèi)部產(chǎn)生的霍爾電壓有局部短路作用在兩控制電極的中間處測(cè)得的霍爾電壓最大，離控制電極很近的地方，霍爾電壓下降到接近于零。為了減少短路影響l/b要大一些，一般l/b=2。但如果l/b過(guò)大，反而使輸入功耗增加降低元件的輸出?；魻栯妷篣H與控制電流及磁場(chǎng)強(qiáng)度有關(guān)。根據(jù)式正比于及。當(dāng)控制電流恒定時(shí)愈大愈大。當(dāng)磁場(chǎng)改變方向時(shí)，也改變方向。同樣，當(dāng)霍爾靈敏度及磁感應(yīng)強(qiáng)度恒定時(shí)，增加控制電流，也可以提高霍爾電壓的輸出。

二、霍爾元件

如前所述，霍爾電壓UH正比于控制電流和磁感應(yīng)強(qiáng)度。在實(shí)際應(yīng)用中，總是希望獲得較大的霍爾電壓。增加控制電流雖然能提高霍爾電壓輸出，但控制電流太大，元件的功耗也增加，從而導(dǎo)致元件的溫度升高，甚至可能燒毀元件。設(shè)霍爾元件的輸入電阻為Ri，當(dāng)輸入控制電流I時(shí)，元件的功耗Pi為(6-2-9)

式中，ρ為霍爾元件的電阻率。設(shè)霍爾元件允許的最大溫升為ΔT，相應(yīng)的最大允許控制電流為Icm時(shí)，在單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)霍爾元件表面逸散的熱量應(yīng)等于霍爾元件的最大功耗，即

(6-2-10)

式中，A為散熱系數(shù)W/(m2C)。上式中的2lb表示霍爾片的上、下表面積之和，式中忽略了通過(guò)側(cè)面積逸散的熱量。

這樣，由上式便可得出通過(guò)霍爾元件的最大允許控制電流為(6-2-11)

將上式及RH=μρ代入式(6-2-6)，得到霍爾元件在最大允許溫升下的最大開(kāi)路霍爾電壓，即：(6-2-12)

式說(shuō)明，在同樣磁場(chǎng)強(qiáng)度、相同尺寸和相等功耗下，不同材料元件輸出霍爾電壓僅僅取決于，即材料本身的性質(zhì)。根據(jù)式(6-2-12)，選擇霍爾元件的材料時(shí)，為了提高霍爾靈敏度，要求材料的RH和μρ1/2盡可能地大。

霍爾元件的結(jié)構(gòu)與其制造工藝有關(guān)。例如，體型霍爾元件是將半導(dǎo)體單晶材料定向切片，經(jīng)研磨拋光，然后用蒸發(fā)合金法或其它方法制作歐姆接觸電極，最后焊上引線并封裝。而薄膜霍爾元件則是在一片極薄的基片上用蒸發(fā)或外延的方法做成霍爾片，然后再制作歐姆接觸電極，焊引線最后封裝。相對(duì)來(lái)說(shuō)，薄膜霍爾元件的厚度比體型霍爾元件小一、二個(gè)數(shù)量級(jí)，可以與放大電路一起集成在一塊很小的晶片上，便于微型化。

三、溫度特性及補(bǔ)償1．溫度特性霍爾元件的溫度特性是指元件的內(nèi)阻及輸出與溫度之間的關(guān)系。與一般半導(dǎo)體一樣，由于電阻率、遷移率以及載流子濃度隨溫度變化，所以霍爾元件的內(nèi)阻、輸出電壓等參數(shù)也將隨溫度而變化。不同材料的內(nèi)阻及霍爾電壓與溫度的關(guān)系曲線見(jiàn)圖6-2-2和6-2-3所示。

圖中，內(nèi)阻和霍爾電壓都用相對(duì)比率表示。我們把溫度每變化1℃時(shí)，霍爾元件輸入電阻或輸出電阻的相對(duì)變化率稱為內(nèi)阻溫度系數(shù)，用β表示。把溫度每變化1℃時(shí)，霍爾電壓的相對(duì)變化率稱為霍爾電壓溫度系數(shù)，用α表示?？梢钥闯觯荷榛煹膬?nèi)阻溫度系數(shù)最小，其次是鍺和硅，銻化銦最大。除了銻化銦的內(nèi)阻溫度系數(shù)為負(fù)之外，其余均為正溫度系數(shù)?；魻栯妷旱臏囟认禂?shù)硅最小，且在溫度范圍內(nèi)是正值，其次是砷化銦，它是值在左右溫度下由正變負(fù)；再次是鍺，而銻化銦的值最大且為負(fù)數(shù)，在低溫下其霍爾電壓將是的霍爾電壓的3倍，到了高溫，霍爾電壓降為時(shí)的15%。2.溫度補(bǔ)償霍爾元件溫度補(bǔ)償?shù)姆椒ê芏?，下面介紹兩種常用的方法.利用輸入回路的串聯(lián)電阻進(jìn)行補(bǔ)償圖6-2-4a是輸入補(bǔ)償?shù)幕揪€路，圖中的四端元件是霍爾元件的符號(hào)。兩個(gè)輸入端串聯(lián)補(bǔ)償電阻R并接恒電源，輸出端開(kāi)路。根據(jù)溫度特性，元件霍爾系數(shù)和輸入內(nèi)阻與溫度之間的關(guān)系式為

RHt=RH0(1+αt)Rit=Ri0(1+βt)

式中，RHt為溫度為ｔ時(shí)霍爾系數(shù)；RH0為0℃時(shí)的霍爾系數(shù)；Rit為溫度為ｔ時(shí)的輸入電阻；Ri0為0℃時(shí)的輸入電阻；α為霍爾電壓的溫度系數(shù),

β為輸入電阻的溫度系數(shù)。當(dāng)溫度變化Δt時(shí)，其增量為:ΔRH=RH0αΔtΔRi=Ri0βΔt根據(jù)式(6-2-6)中及I=E/(R+Ri)，可得出霍爾電壓隨溫度變化的關(guān)系式為對(duì)上式求溫度的導(dǎo)數(shù)，可得增量表達(dá)式(6-2-13)

要使溫度變化時(shí)霍爾電壓不變，必須使即(6-2-14)式(6-2-13)中的第一項(xiàng)表示因溫度升高霍爾系數(shù)引起霍爾電壓的增量，第二項(xiàng)表示輸入電阻因溫度升高引起霍爾電壓減小的量。很明顯，只有當(dāng)?shù)谝豁?xiàng)時(shí)，才能用串聯(lián)電阻的方法減小第二項(xiàng)，實(shí)現(xiàn)自補(bǔ)償。將元件的α、β值代入式(6-2-14)，根據(jù)Ri0的值就可確定串聯(lián)黽阻R的值。

(2)利用輸出回路的負(fù)載進(jìn)行補(bǔ)償，見(jiàn)圖6-2-5，霍爾元件的輸入采用恒流源，使控制電流Ｉ穩(wěn)定不變。這樣，可以不考慮輸入回路的溫度影響。輸出回路的輸出電阻及霍爾電壓與溫度之間的關(guān)系為UHt=UH0(1+αt)Rvt=Rv0(1+βt)

式中，UHt為溫度為t時(shí)的霍爾電壓；UH0為0時(shí)的霍爾電壓；Rvt為溫度為t時(shí)的輸出電阻；Rv0為０時(shí)的輸出電阻。負(fù)載RL上的電壓UL為

UL=[UH0(1+αt)]RL/[Rv0(1+βt)+RL](6-2-15)

為使UL不隨溫度變化，可對(duì)式(6-2-15)求導(dǎo)數(shù)并使其等于零，可得

RL/Rv0≈β/α-1≈β/α(6-2-16)最后，將實(shí)際使用的霍爾元件的α、β值代入，便可得出溫度補(bǔ)償時(shí)的RL值。當(dāng)RL=Rv0時(shí)，補(bǔ)償最好。

四、零位特性及補(bǔ)償在無(wú)外加磁場(chǎng)或無(wú)控制電流的情況下，元件產(chǎn)生輸出電壓的特性稱為零位特性由此而產(chǎn)生的誤差稱為零位誤差。主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面1.不等位電壓在無(wú)磁場(chǎng)的情況下，霍爾元件通以一定的控制電流I，兩輸出端產(chǎn)生的電壓稱為不等腰三角形位電壓，用U0表示。U0與I的比值稱為不等位電阻，用R0表示，即

R0=U0/I(6-2-17)不等位電壓是由于元件輸出極焊接不對(duì)稱、厚薄不均勻以及兩個(gè)輸出極接觸不良等原因千萬(wàn)的，可以通過(guò)橋路平衡的原理加以補(bǔ)償。

2.寄生直流電壓在無(wú)磁場(chǎng)的情況下，元件通入交流電流，輸出端除交流不等位電壓以外的直流分量稱為寄生直流電壓。產(chǎn)生寄生直流電壓的原因不致上的兩個(gè)方面：1)由于控制極焊接處歐姆接觸不良而造成一種整流效應(yīng)，使控制電流因正、反向電流大小不等而具有一定的直流分量。2)輸出極焊點(diǎn)熱容量不相等產(chǎn)生溫差電動(dòng)勢(shì)。對(duì)于鍺霍爾元件，當(dāng)交流控制電流為20mA時(shí)，輸出極的寄生直流電壓小于100μV。制做和封裝霍爾元件時(shí)，發(fā)送電極歐姆接觸性能和元件的散熱條件，是減少寄生直流電壓的有效措施。3.感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)在未通電流的情況下，由于脈動(dòng)或交變磁場(chǎng)的作用，在輸出端產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)稱為感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。根據(jù)電磁感應(yīng)定律，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的大小與霍爾元件輸出電極引線構(gòu)成的感應(yīng)面積成正比。

4.自激場(chǎng)零電壓在無(wú)外加磁場(chǎng)的情況下，由控制電流所建立的磁場(chǎng)在一定條件下使霍爾元件產(chǎn)生的輸出電壓稱為自激場(chǎng)零電壓。感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)和自激場(chǎng)零電壓都可以用改變霍爾元件輸出和輸入引線的布置方法加以改善。

五、集成霍爾傳感器集成霍爾傳感器是利用硅集成電路工藝將霍爾元件和測(cè)量線路集成在一起的一種傳感器。它取消了傳感器和測(cè)量電路之間的界限，實(shí)現(xiàn)了材料、元件、電路三位一體。集成霍爾傳感器與分立相比，由于減少了焊點(diǎn)，因此顯著地提高了可靠性。此外，它具有體積小、重量輕、功耗低等優(yōu)點(diǎn)，正越來(lái)越愛(ài)到眾的重視。集成霍爾傳感器的輸出是經(jīng)過(guò)處理的霍爾輸出信號(hào)。按照輸出信號(hào)的形式，可以分為開(kāi)關(guān)型集成霍爾傳感器和線性集成霍爾傳感器兩種類型。(一)開(kāi)關(guān)型集成霍爾傳感器

開(kāi)關(guān)型集成霍爾傳感器是把霍爾元件的輸出經(jīng)過(guò)處理后輸出一個(gè)高電平或低電平的數(shù)字信號(hào)。其典型電路見(jiàn)圖6-2-6，下面我們分析電路的工作原理。

圖中的霍爾元件是在N型硅外延層上制作的。由于N型硅外延層的電阻率ρ一般為1.0～1.5Ωcm電子遷移率μ約為1200cm2(Vs)，厚度d約為10μm，故很適合做霍爾元件。集成塊中霍爾元件的長(zhǎng)600μm，寬為400μm。由于在制造工藝中采用了光刻技術(shù)，電極的對(duì)稱性好，零位誤差大大減小。另外，由于厚度d很小，霍爾靈敏度也相對(duì)提高了，在0.1T磁場(chǎng)作用下，元件開(kāi)路時(shí)可輸出20mV左右的霍爾電壓?；魻栞敵鼋?jīng)前置放大的后送到斯密特觸發(fā)器，通過(guò)整形成為矩形脈沖輸出。當(dāng)磁感應(yīng)強(qiáng)度B為0時(shí)，霍爾元件無(wú)輸出，即UH=0。線路中，由于流過(guò)V2集電極電阻的電流大于流過(guò)V1集電極電阻的電流，輸出電壓Ub3＞Ub4，則V3優(yōu)先導(dǎo)通，經(jīng)過(guò)下面的正反饋過(guò)程：

最終使得V3飽和V4截止。此時(shí)，V4的集電極處于高電位，Uc4≈E，V5截止，V6、V7均截止，輸出為高電平。當(dāng)磁感應(yīng)強(qiáng)度B不為0時(shí)，霍爾元件有UH輸出。若集成霍爾傳感器處于正向磁場(chǎng)，則UH1升高，UH2下降，使V1的基極電位升高，V2的基極電位下降。于是，V1的集電極輸出電壓Ub3下降，V2的集電極輸出電壓Vb4升高。當(dāng)Ub3=Ue3+0.6V時(shí)，V3由飽和進(jìn)入放大狀態(tài)，經(jīng)過(guò)下面的正反饋過(guò)程：

Ub3↓→Ic3↓→Ub4↑→Ic4↑→Ue3↑

最終使得V3截止V4飽和。此時(shí)，V4的集電極處于低電位。于是，V5導(dǎo)通，由V5和V6組成的P-N-P和N-P-N型三極管的復(fù)合管，足以使V7、V8進(jìn)入飽和狀態(tài)。輸出由原來(lái)的高電平UoH轉(zhuǎn)換成低電平U0L。

當(dāng)正向磁場(chǎng)退出時(shí)，隨著作用于霍爾元件上磁感應(yīng)強(qiáng)度B的減少，UH相應(yīng)減小。Ub3升高，Ub4下降。當(dāng)Ub3=Ue4+0.5V，V3由截止進(jìn)入放大狀態(tài)，經(jīng)過(guò)下面正反饋過(guò)程：Ub3↑→Ic3↑→Ub4↓→Ic4↓→Ue3↓

最終又使得V3飽和，V4截止。V4的集電極處于高電位，恢復(fù)初始狀態(tài)，V7、V8截止，輸出又轉(zhuǎn)換成高電平UoH。

集成霍爾傳感器的輸出電平與磁場(chǎng)B之間的關(guān)系見(jiàn)圖6-2-7，可以看出，集成霍爾傳感器的導(dǎo)通磁感應(yīng)強(qiáng)度和截止磁感應(yīng)強(qiáng)度之間存在滯后效應(yīng)，這是由于V3、V4共用射極電阻的正反饋?zhàn)饔檬顾鼈兊娘柡碗娏鞑幌嗟纫鸬摹Ｆ浠夭顚挾圈為ΔB=B(H→L)-B(L→H)

開(kāi)關(guān)型集成霍爾傳感器的這一特性，正是我們所需要的，它大大增強(qiáng)了開(kāi)關(guān)電路的抗干擾能力，保證開(kāi)關(guān)動(dòng)作穩(wěn)定，不產(chǎn)生振蕩現(xiàn)象。國(guó)產(chǎn)CS型集成霍爾傳感器的磁電特性如下：回差寬度典型值6×10-3T。電源電壓CS837、CS683710V(CS839、CS683918V)。低電平輸出電壓U0L均為0.4V，高電平輸出最大漏電流為10μA，高電平電源電流ICCH

CS837、CS6837為6mA(CS839、CS6839為7mA)，低電平電源電流ICCL

CS837、CS6837為9mA(CS839、CS6839為7mA)。

(二)線性集成霍爾傳感器線性集成霍爾傳感器是把霍爾元件與放大線路集成在一丐的傳感器。其輸出信號(hào)與磁感應(yīng)強(qiáng)度成比例。通常由霍爾元件、差分放大、射極跟隨輸出及穩(wěn)壓四部分組成，其典型線路見(jiàn)圖6-2-8。這是HL1-1型線性集成霍爾傳感器，它的電路比較簡(jiǎn)單，用于精度要求不高的一些場(chǎng)合。圖中，霍爾元件的輸出經(jīng)由V1、V2、R1至R5組成的第一級(jí)差分放大器放大，放大后的信號(hào)再由V3、V6、R6、R7組成的第二級(jí)差分放大器放大。第二級(jí)放大采用達(dá)林頓對(duì)管，射極電阻R8外接，適當(dāng)選取R8的阻值，可以調(diào)整該極的工作點(diǎn)，從而改變電路增益。在電源電壓為9V，R8取2K時(shí)，全電路的增益可達(dá)1000倍左右，與分立元件霍爾傳感器相比，靈敏度大為提高。

六、霍爾傳感器的應(yīng)用(一)

HNV025A型霍爾電壓傳感器1．工作原理它是利用磁補(bǔ)償原理的一種霍爾電壓傳感器，能夠測(cè)量直流，交流以及各種波形電壓，同時(shí)在電氣上是高度絕緣的。它用磁檢測(cè)器檢測(cè)磁芯中次級(jí)電流所產(chǎn)生的磁場(chǎng)補(bǔ)償初級(jí)電流所產(chǎn)生的磁場(chǎng)的程度，使之在零磁通狀態(tài)下工作。因此有等式：Np·Ip=Ns·Is；式中Ip為初級(jí)電流；Np為初級(jí)匝數(shù)；Is為次級(jí)電流；Ns為次級(jí)匝數(shù)2.主要參數(shù)：初級(jí)額定電流In±10mA測(cè)量范圍Ip0～±14mA測(cè)量電阻Rm@±10mARMminRMmax100300Ω次級(jí)額定電流Is±25mA電源電壓Vc±15(±5%)V匝數(shù)比2500:1000功耗電流10+IsmA絕緣電壓2.5KV/50Hz/1min總精度±0.6%FS線性度<0.2%FSTypeMax失調(diào)電流±0.1±0.15mA失調(diào)電流溫漂

0～70℃±0.2±0.3mA-40～85℃±0.3±0.6mA

響應(yīng)時(shí)間<40uS

工作溫度C檔-10～70℃E檔-40～85℃儲(chǔ)存溫度C檔-40～85℃E檔-55～125℃原邊線圈電阻@Ta=25℃140Ω副邊線圈電阻@Ta=25℃40Ω3.特點(diǎn)：該型傳感器具有優(yōu)異的性能價(jià)格比、體積小、全封密、高度電絕緣；高可靠性、高過(guò)載容量等優(yōu)越性能。4.應(yīng)用范圍：變速驅(qū)動(dòng)領(lǐng)域；