霍尔传感器(精)

三、温度特性及补偿
1．温度特性
霍尔元件的温度特性是指元件的内阻及输出与温度 之间的关系。与一般半导体一样，由于电阻率、迁移率 以及载流子浓度随温度变化，所以霍尔元件的内阻、输 出电压等参数也将随温度而变化。不同材料的内阻及霍 尔电压与温度的关系曲线见图6-2-2和6-2-3所示。
Rt/R0(%)
UHt/UH0(%)
图6-2-3 霍尔电压与温度的关系曲线
图中，内阻和霍尔电压都用相对比率表示。我们把温度每变化1℃时，
霍尔元件输入电阻或输出电阻的相对变化率称为内阻温度系数，用β 表示。 把温度每变化1℃时，霍尔电压的相对变化率称为霍尔电压温度系数，用α 表示。
可以看出：砷化铟的内阻温度系数最小，其次是锗和硅，锑化铟最大。 除了锑化铟的内阻温度系数为负之外，其余均为正温度系数。
霍尔电压的温度系数硅最小，且在温度范围内是正值，其次是砷化铟， 它是值在左右温度下由正变负；再次是锗，而锑化铟的值最大且为负数， 在低温下其霍尔电压将是的霍尔电压的3倍，到了高温，霍尔电压降为时的 15%。
2.温度补偿
霍尔元件温度补偿的方法很多，下面介绍两种常用的方法.
利用输入回路的串联电阻进行补偿图6-2-4a是输入补偿的基本线路，
2) 霍尔电压UH与元件的尺寸有关。
根据式(6-2-7)，d 愈小，KH 愈大，霍尔灵敏度愈高，所以霍尔元 件的厚度都比较薄，但d太小，会使元件的输入、输出电阻增加。
从式(6-2-4)中可见，元件的长度比l/b对UH也有影响。前面的公式
推导，都是以半导体内各处载流子作平行直线运动为前提的。这种情况
只有在l/b很大时，即控制电极对霍尔电极无影响时才成立，但实际上
R0= U0/I
(6-2-17)
不等位电压是由于元件输出极焊接不对称、厚薄不均匀以及两个输出极接 触不良等原因千万的，可以通过桥路平衡的原理加以补偿。
2.寄生直流电压 在无磁场的情况下，元件通入交流电流，输出端除交流不 等位电压以外的直流分量称为寄生直流电压。产生寄生直流电 压的原因不致上的两个方面： 1) 由于控制极焊接处欧姆接触不良而造成一种整流效应， 使控制电流因正、反向电流大小不等而具有一定的直流分量。 2) 输出极焊点热容量不相等产生温差电动势。 对于锗霍尔元件，当交流控制电流为20mA时，输出极的寄 生直流电压小于100μ V。制做和封装霍尔元件时，发送电极欧 姆接触性能和元件的散热条件，是减少寄生直流电压的有效措 施。 3. 感应电动势 在未通电流的情况下，由于脉动或交变磁场的作用，在输 出端产生的电动势称为感应电动势。根据电磁感应定律，感应 电动势的大小与霍尔元件输出电极引线构成的感应面积成正比。
霍尔电压的温度系数, β 为输入电阻的温度系数。当温度变
化Δ t时，其增量为: Δ RH=RH0α Δ t Δ Ri=Ri0β Δ t
I R E
I
R
Rit Rvt
E
UHr
a)
b)
图6-2-4 输入补偿原理图
a 基本电路 b 等效电路
IB
根据式(6-2-6)中 U H RH d 电压随温度变化的关系式为
与磁场和电流都垂直的方向上会出现一个电热差，这种现象为霍尔效应。 利用霍尔效应制成的元件称为霍尔传感器。见图6-2-1，半导体材料的长、 宽、厚分别为ｌ、ｂ和ｄ。在与ｘ轴相垂直的两个端面ｃ和ｄ上做两个 金属电极，称为控制电极。在控制电极上外加一电压ｕ，材料中便形成 一个沿ｘ方向流动的电流Ｉ，称为控制电流。
图中的四端元件是霍尔元件的符号。两个输入端串联补偿电阻R并接恒电源，
输出端开路。根据温度特性，元件霍尔系数和输入内阻与温度之间的关系
式为
RHt=RH0(1+α t)
Rit=Ri0(1+β t)
式中，RHt为温度为ｔ时霍尔系数；RH0为0℃时的霍尔系数； Rit为温度为ｔ时的输入电阻；Ri0为0℃时的输入电阻；α 为
的单位是mV/(mA·T)由式(6-2-6)可见，霍尔元件灵敏度KH
是在单位磁感应强度和单位激励电流作用下，霍尔元件输
出的霍尔电压值，它不仅决定于载流体材料，而且取决于
它的几何尺寸
KH

1 nqd
(6-2-7)
由式(6-2-4)、(6-2-6)还可以得到载流体的电阻率ρ 与霍
尔系数RH和载流子迁移率μ
4. 自激场零电压 在无外加磁场的情况下，由控制电流所建立的磁场在一 定条件下使霍尔元件产生的输出电压称为自激场零电压。 感应电动势和自激场零电压都可以用改变霍尔元件输出 和输入引线的布置方法加以改善。 五、集成霍尔传感器 集成霍尔传感器是利用硅集成电路工艺将霍尔元件和测 量线路集成在一起的一种传感器。它取消了传感器和测量电 路之间的界限，实现了材料、元件、电路三位一体。集成霍 尔传感器与分立相比，由于减少了焊点，因此显著地提高了 可靠性。此外，它具有体积小、重量轻、功耗低等优点，正 越来越爱到众的重视。 集成霍尔传感器的输出是经过处理的霍尔输出信号。按 照输出信号的形式，可以分为开关型集成霍尔传感器和线性 集成霍尔传感器两种类型。
设图中的材料是Ｎ型半导体，导电的载流子是电子。在ｚ轴方向的
磁场作用下，电子将受到一个沿ｙ轴负方向力的作用，这个力就是洛仑
兹力。洛仑兹力用Fｌ表示，大小为： FL=qvB
(6-2-1)
式中，q为载流子电荷；ｖ为载流子的运动速度；Ｂ为磁感应强度。
上一节 下一节
z y
x
B
I
A
D
Cd
lB
b
UH
图6-2-1 霍尔效应
大开路霍尔电压，即：
1
U Hm 2bB 2AT / d (6-2-12)
式说明，在同样磁场强度、相同尺寸和相等功耗下，不同材料元件输出 霍尔电压仅仅取决于，即材料本身的性质。
根据式(6-2-12)，选择霍尔元件的材料时，为了提高霍尔灵敏度， 要求材料的RH和μ ρ 1/2尽可能地大。
霍尔元件的结构与其制造工艺有关。例如，体型霍尔元件是将半导 体单晶材料定向切片，经研磨抛光，然后用蒸发合金法或其它方法制作 欧姆接触电极，最后焊上引线并封装。而薄膜霍尔元件则是在一片极薄 的基片上用蒸发或外延的方法做成霍尔片，然后再制作欧姆接触电极， 焊引线最后封装。相对来说，薄膜霍尔元件的厚度比体型霍尔元件小一、 二个数量级，可以与放大电路一起集成在一块很小的晶片上，便于微型 化。
300
Si(1) Si(2)
200
Ge(Hz-4)
100 -40 -20 0
InAs -1
Ge(Hz-2) -3
InSb
20 40 60 80 100 t( )
图6-2-2 霍尔内阻与温度的关系曲线
300
200
100 -40 -20 0
Si
InAs Ge(Hz-1 2 3)
InSb
20 40 60 80 100 t( )
(6-2-8)
之间的关系:

RH

通过以上分析，可以看出:
1) 霍尔电压UH与材料的性质有关。根据式(6-2-8)，材料的ρ 、μ 大，RH就大。金属的μ 虽然很大，但ρ 很小，故不宜做成元件。在半导
体材料中，由于电子的迁移率比空穴的大，且μ n>μ p，所以霍尔元件一 般采用N型半导体材料。
A B-霍尔电极 C D-控制电极
在洛仑兹力的作用下，电子向一侧偏转，使该侧形成负电荷的积累，
另一侧则形成正电荷的积累。这样，A、B两端面因电荷积累而建立了一个
电场Ｅｈ，称为霍尔电场。该电场对电子的作用力与洛仑兹力的方向相反， 即阻止电荷的继续积累。当电场力与洛仑兹力相等时，达到动态平衡，这 时有
qEH=qvB
即
v I nqbd
(6-2-5)
将式（6-2-5）代入式（6-2-3），得到
UH

1 nqd
IB

RH
IB d
Hale Waihona Puke Baidu
K H IB
(6-2-6)
式中RH为霍尔系数，它反映材料霍尔效应的强弱，RH

1 nq
；
KH为霍尔灵敏度，它表示一个霍尔元件在单位控制电流和
单位磁感应强度时产生的霍尔电压的大小，KH=RH/d，它
载流子的平均速度值。载流子迁移率用符号μ 表示，
μ =v/EI。其中EI是C、D两端面之间的电场强度。它是由 外加电压U产生的，即EI＝U/L。因此我们可以把电子运 动速度表示为v=μ U/l。这时式(6-2-3)可改写为:
UH

U
l
bB
(6-2-4)
当材料中的电子浓度为n时，有如下关系式: I=nqbdv
设霍尔元件的输入电阻为Ri，当输入控制电流I时，元件
的功耗Pi为
Pi

I 2R

I2
l
bd
(6-2-9)
式中，ρ 为霍尔元件的电阻率。
设霍尔元件允许的最大温升为Δ T，相应的最大允许控制 电流为Icm时，在单位时间内通过霍尔元件表面逸散的热量应
等于霍尔元件的最大功耗，即
Pm

I
2 cm
l bd

RL
UHr
a)
b)
图6-2-5 输出补偿原理图
a 基本电路 b 等效电路
(2)利用输出回路的负载进行补偿，见图6-2-5，霍尔元件的输入采
用恒流源，使控制电流Ｉ稳定不变。这样，可以不考虑输入回路的温度 影响。输出回路的输出电阻及霍尔电压与温度之间的关系为UHt=UH0(1+α t) Rvt=Rv0(1+β t)
U及H I=REH /Rd(HRt B+RRi)E，Rit 可得出霍尔
对上式求温度的导数，可得增量表达式
U H
U H 0 (

Ri0 )t Ri0 R
(6-2-13)
要使温度变化时霍尔电压不变，必须使
即
R Ri0 ( )(6-2-14)


Ri0 Ri0 R
(6-2-16)
最后，将实际使用的霍尔元件的α 、β 值代入，便可得出温度补偿时的RL 值。当RL= Rv0时，补偿最好。
四、零位特性及补偿
在无外加磁场或无控制电流的情况下，元件产生输出电压的特性称为 零位特性由此而产生的误差称为零位误差。主要表现在以下几个方面
1.不等位电压
在无磁场的情况下，霍尔元件通以一定的控制电流I，两输出端产生 的电压称为不等腰三角形位电压，用U0表示。U0与I的比值称为不等位电阻， 用R0表示，即
电流恒定时愈大愈大。当磁场改变方向时，也改变方向。同样，当霍尔 灵敏度及磁感应强度恒定时，增加控制电流，也可以提高霍尔电压的输 出。
二、霍尔元件
如前所述，霍尔电压UH正比于控制电流和磁感应强度。在
实际应用中，总是希望获得较大的霍尔电压。增加控制电流虽 然能提高霍尔电压输出，但控制电流太大，元件的功耗也增加， 从而导致元件的温度升高，甚至可能烧毁元件。

0

式(6-2-13)中的第一项表示因温度升高霍尔系数引起霍尔
电压的增量，第二项表示输入电阻因温度升高引起霍尔电
压减小的量。很明显，只有当第一项时，才能用串联电阻
的方法减小第二项，实现自补偿。
将元件的α 、β 值代入式(6-2-14)，根据Ri0的值就可 确定串联黾阻R的值。
I
I
Rit Rvt
UL RL
2 AlbT
(6-2-10)
式中，A为散热系数W/(m2C)。上式中的2lb表示霍尔片的上、
下表面积之和，式中忽略了通过侧面积逸散的热量。
这样，由上式便可得出通过霍尔元件的最大允许控制电流为
Icm b 2AdT / (6-2-11)
将上式及RH=μ ρ 代入式(6-2-6)，得到霍尔元件在最大允许温升下的最
霍尔电场的强度为
EH=vB
在A与B两点间建立的电势差称为霍尔电压，用UH表示
UH= EHb= vBb
(6-2-3)
(6-2-2)
由式(6-2-3)可见，霍尔电压的大小决定于载流体中电
子的运动速度，它随载流体材料的不同而不同。材料中
电子在电场作用下运动速度的大小常用载流子迁移率来
表征／所谓载流子迁移率，是指在单位电场强度作用下，
霍尔传感器
霍尔传感器是利用半导体材料的霍尔效应进行测量的一种传感器。
它可以直接测量磁场及微位移量，也可以间接测量液位、压力等工业生 产过程参数。目前霍尔传感器已从分立元件发展到了集成电路的阶段， 正越来越受到人们的重视，应用日益广泛。
一、霍尔效应
在置于磁场的导体或半导体时通入电流，若电流与磁场垂直，则在
这是做不到的。由于控制电极对内部产生的霍尔电压有局部短路作用在 两控制电极的中间处测得的霍尔电压最大，离控制电极很近的地方，霍
尔电压下降到接近于零。为了减少短路影响l/b要大一些，一般l/b=2。 但如果l/b过大，反而使输入功耗增加降低元件的输出。
霍尔电压UH与控制电流及磁场强度有关。根据式正比于及。当控制
式中，UHt为温度为t时的霍尔电压；UH0为0时的霍尔电压；Rvt为温度 为t时的输出电阻；Rv0为０时的输出电阻。负载RL上的电压UL为
UL=[UH0(1+α t) ] RL/[Rv0(1+β t)+RL]
(6-2-15)
为使UL不随温度变化，可对式(6-2-15)求导数并使其等于零，可得
RL/Rv0≈β /α -1≈β /α