提高霍爾傳感器測(cè)量精度的方法研究

王 鋒，劉美全，范江瑋

（軍械工程學(xué)院 車(chē)輛與電氣工程系，河北 石家莊 050003）

根據(jù)霍爾原理，半導(dǎo)體材料通電后形成載流子，有磁場(chǎng)存在時(shí)，產(chǎn)生的洛侖茲力使載流子向材料橫向兩側(cè)偏轉(zhuǎn)并積聚，就會(huì)在橫向兩側(cè)形成一個(gè)電場(chǎng)[1]，這個(gè)電場(chǎng)力和洛侖茲力相反，阻礙載流子繼續(xù)堆積，當(dāng)霍爾電場(chǎng)力增大到與洛侖茲力相等時(shí)，材料橫向兩側(cè)就建立起一個(gè)穩(wěn)定的電壓[2]，形成霍爾電勢(shì)。根據(jù)這一原理制成了霍爾傳感器，使用沒(méi)有觸點(diǎn)，具有測(cè)試動(dòng)態(tài)范圍大、頻率響應(yīng)范圍寬等諸多優(yōu)點(diǎn)。

當(dāng)霍爾傳感器控制電流和環(huán)境溫度一定時(shí)，霍爾電勢(shì)與磁感應(yīng)強(qiáng)度成正比。當(dāng)環(huán)境溫度一定時(shí)，霍爾電勢(shì)與控制電流和磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度乘積成正比[1，3]。

霍爾傳感器的由半導(dǎo)體材料制成，由于半導(dǎo)體材料自身特性及生產(chǎn)安裝工藝水平的限制，在實(shí)際測(cè)試中，多個(gè)因素都可能會(huì)影響測(cè)量的精度，集中表現(xiàn)為零位誤差和環(huán)境溫度誤差。而這些誤差從自身是無(wú)法消除的，必須采取相應(yīng)的補(bǔ)償、抑制手段才能保證測(cè)量的結(jié)果有效。

1 零位誤差特性及消除

由于構(gòu)成霍爾元件的材料固有特性以及生產(chǎn)工藝的水平，導(dǎo)致存在多個(gè)因素可能影響霍爾元件的測(cè)量精度。當(dāng)外加磁場(chǎng)不存在或控制電流尚未施加時(shí)，元件已經(jīng)有電壓輸出，稱(chēng)之為零位特性，由此而帶來(lái)的誤差就是零位誤差。零位誤差的產(chǎn)生原因主要是寄生直流電壓、感應(yīng)零電動(dòng)勢(shì)、自激場(chǎng)零電壓、不等位電動(dòng)勢(shì)等因素的存在。

1.1 自激場(chǎng)零電壓和感應(yīng)零電勢(shì)

在霍爾傳感器未放入測(cè)試磁場(chǎng)時(shí)，由于控制電流的存在，在一定條件下，其建立的磁場(chǎng)可以使傳感器產(chǎn)生一個(gè)自激場(chǎng)，致使霍爾傳感器有電壓輸出，這就是自激場(chǎng)零電壓。理論上，材料左右的場(chǎng)相等，產(chǎn)生方向相反的電勢(shì)而相互抵消。實(shí)際應(yīng)用中，控制電流的引線(xiàn)也會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)，使霍爾元件左右兩邊的場(chǎng)強(qiáng)不相等，產(chǎn)生電勢(shì)的輸出，即自激場(chǎng)零電壓。盡量將控制電流的引線(xiàn)安排適當(dāng)，就可以把這種影響控制在較小的范圍內(nèi)。

在傳感器尚未加控制電流的情況下，如果存在脈動(dòng)或交變磁場(chǎng)，在傳感器輸出端會(huì)產(chǎn)生電壓，即為感應(yīng)零電勢(shì)。由電磁感應(yīng)定律，產(chǎn)生的感應(yīng)電勢(shì)與元件電極引線(xiàn)所構(gòu)成的感應(yīng)面積成正比。為了減小感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，一方面要使布線(xiàn)合理，如圖1（a），另外還可以在磁路的間隙安裝一個(gè)與之特性相同的輔助霍爾元件，如圖1（b），可以起到明顯的補(bǔ)償效果。

圖1 感應(yīng)零電勢(shì)及補(bǔ)償方法Fig.1 Induction of zero potential and compensation method

1.2 寄生直流電壓和不等位電動(dòng)勢(shì)

在外加磁場(chǎng)尚未施加的情況下，霍爾元件以交流電作為控制電流，傳感器的輸出包含一個(gè)直流分量，稱(chēng)之為寄生直流電壓。當(dāng)控制極焊接處存在歐姆接觸不良，在局部形成整流效應(yīng)，產(chǎn)生直流分量。其次，當(dāng)兩個(gè)霍爾電極的焊點(diǎn)大小不同，使其熱容量產(chǎn)生差異引發(fā)溫度不同，形成直流附加電壓。第三，電流極引線(xiàn)、布線(xiàn)不合理，導(dǎo)致線(xiàn)路在霍爾傳感器附近產(chǎn)生附加磁場(chǎng)。

對(duì)寄生直流電壓采取有效的抑制方法，在霍爾元件的制作和封裝時(shí)，盡量保證電極的歐姆接觸性能，改善散熱條件、均勻散熱。

不等位電動(dòng)勢(shì)是引起元件零位電勢(shì)最主要的因素。在控制極輸入恒定的電流，當(dāng)不存在外磁場(chǎng)時(shí)，霍爾元件輸出的空載電勢(shì)應(yīng)該為零。但實(shí)際的制造工藝水平限制，兩個(gè)霍爾電極焊接的位置不可能實(shí)現(xiàn)完全對(duì)稱(chēng)，使得兩電極不位于同一等位面上。此外，材料基片的厚薄不一，以及材料的電阻率分布不均等因素都會(huì)導(dǎo)致等位面的歪斜，而這些都會(huì)造成不等位電動(dòng)勢(shì)的產(chǎn)生。

圖2 霍爾傳感器不等位電勢(shì)補(bǔ)償電路圖Fig.2 Hall sensor range voltage compensation circuit diagram

通過(guò)對(duì)半導(dǎo)體材料特性及霍爾原理的分析，霍爾元件上的不等位電動(dòng)勢(shì)與其上的不等位電阻是一致的。由此，霍爾傳感器可以等效為一個(gè)電橋結(jié)構(gòu)，補(bǔ)償可以通過(guò)調(diào)整電橋上的電阻來(lái)實(shí)現(xiàn)?；魻栐幕窘Y(jié)構(gòu)如圖2（a）所示，A、B為控制電極，C、D為霍爾輸出電極。等效為電橋，極間的分布電阻分別為 R1、R2、R3、R4，等效電路如圖 2（b）所示。

對(duì)于理想的霍爾元件，材料均勻、極點(diǎn)對(duì)稱(chēng)是不存在不等位電勢(shì)的，即R1=R2=R3=R4。但實(shí)際的材料中不等位電勢(shì)是存在，也就是在實(shí)際的元件中，構(gòu)成電橋的4個(gè)電阻并非完全相等，電橋沒(méi)有達(dá)到平衡。調(diào)整這個(gè)電橋達(dá)到平衡，一種簡(jiǎn)單的方法是并聯(lián)一個(gè)變阻RP在阻值較大的橋臂上。通常補(bǔ)償電阻的溫度系數(shù)與霍爾元件等效橋臂電阻的不同，如果環(huán)境溫度變化，設(shè)計(jì)的補(bǔ)償平衡就會(huì)被打破。這種電路的優(yōu)點(diǎn)是調(diào)整補(bǔ)償比較方便，能量損失小，在不等位電勢(shì)較小時(shí)，不會(huì)明顯降低輸出的霍爾電壓，當(dāng)輸入信號(hào)是激勵(lì)電流時(shí)，對(duì)輸入信號(hào)的削弱也不多。

2 溫度特性及補(bǔ)償

由于半導(dǎo)體器件的電阻率、載流子濃度和遷移率等隨溫度變化，使得霍爾傳感器的內(nèi)阻、霍爾電勢(shì)等參數(shù)也隨之變化[4-5]。溫度對(duì)霍爾傳感器的參數(shù)及工作狀態(tài)有顯著的影響[6-7]，為了削弱溫度變化對(duì)霍爾傳感器測(cè)量的影響，對(duì)電路進(jìn)行溫度補(bǔ)償是非常必要的。

2.1 恒壓供電輸入端補(bǔ)償

設(shè)電壓源輸出為U，霍爾傳感器的內(nèi)阻為r0，靈敏度為K0，為補(bǔ)償溫度變化對(duì)傳感器輸出的影響，在電路中串聯(lián)一個(gè)電阻R0，等效原理圖如圖3所示。

圖3 恒壓供電輸入補(bǔ)償電路Fig.3 Constant voltage compensation circuit power supply input

設(shè)霍爾傳感器輸出電勢(shì)的穩(wěn)定系數(shù)為α，霍爾傳感器內(nèi)阻為r，溫度系數(shù)為β，R為串聯(lián)的補(bǔ)償電阻，溫度系數(shù)為δ，采用恒壓源供電，電源內(nèi)阻為r′，溫度系數(shù)為ξ。根據(jù)霍爾傳感器的輸出公式，在初始狀態(tài)，霍爾電勢(shì)為：

當(dāng)溫度變化ΔT時(shí)，霍爾電勢(shì)表示為：

根據(jù)各參數(shù)的溫度變化規(guī)律，式中，

補(bǔ)償電路的目的就是消除溫度變化對(duì)霍爾傳感器輸出的影響[3]，因此，補(bǔ)償?shù)睦硐虢Y(jié)果是U′H=UH，將式（3）（4）（5）（6）代入，得：

整理變形可以得到：

當(dāng)忽略電源的內(nèi)阻影響時(shí)，式（8）變?yōu)椋?/p>

其中，α、β、δ都是霍爾傳感器的固有參數(shù)，選定傳感器類(lèi)型后，這些參數(shù)就確定下來(lái)。R0滿(mǎn)足式（9）的值時(shí)，可以補(bǔ)償溫度變化的影響。但分析中是以忽略電源內(nèi)阻為前提的，這也就帶來(lái)了補(bǔ)償?shù)恼`差。電壓源供電，霍爾傳感器的控制電流不僅受溫度影響，還要受到內(nèi)阻分壓作用的影響，為此，可以采用恒流源作為霍爾傳感器的電源，采取并聯(lián)補(bǔ)償?shù)姆绞健?/p>

2.2 恒流源供電輸入端補(bǔ)償

采用恒流源供電，補(bǔ)償電阻與傳感器并聯(lián)，原理圖如圖4所示。

圖4 恒流源供電輸入補(bǔ)償電路Fig.4 Constant current source power supply input compensation circuit

根據(jù)原理圖，在初始狀態(tài)，

當(dāng)溫度變化ΔT時(shí)，根據(jù)電路圖可知：

通常測(cè)量不會(huì)在溫度變化劇烈的條件下進(jìn)行，因此溫度變化值很小，且δ值一般也很小[3]，可以略去高次項(xiàng)，則式（14）不會(huì)為：

3 綜合補(bǔ)償

使用霍爾傳感器，如果溫度恒定，可以只考慮對(duì)零位的補(bǔ)償，但如果環(huán)境溫度變化明顯，就需要同時(shí)進(jìn)行零位和溫度的誤差補(bǔ)償。

采用如圖5所示電路，通過(guò)調(diào)節(jié)Rp1來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)零位電勢(shì)的控制。在一個(gè)輸出端串上一個(gè)用來(lái)補(bǔ)償溫度的電橋，電橋的一個(gè)臂并聯(lián)一支熱敏電阻R（t）來(lái)調(diào)節(jié)溫度系數(shù)，這樣的結(jié)構(gòu)可使電橋給出一個(gè)隨溫度變化的可調(diào)不平衡電壓。通過(guò)調(diào)整這個(gè)電壓就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度漂移的補(bǔ)償。

圖5 綜合補(bǔ)償電路Fig.5 Comprehensive compensation circuit

4 其他輔助措施

傳感器的正常工作，除了消除自身的問(wèn)題，還必須考慮到周?chē)h(huán)境的影響，主要是來(lái)自外界電磁波的干擾。采取以下必要措施來(lái)抗干擾：

1）采取屏蔽，抑制干擾耦合。在電磁干擾源和傳感器之間采用金屬層屏蔽。應(yīng)對(duì)高頻電場(chǎng)采用銅、鋁等良導(dǎo)體，增加反射。對(duì)于低頻磁場(chǎng)，采用鐵和鎳鐵等高導(dǎo)磁材料作為屏蔽介質(zhì)，抑制穿透。

2）電路系統(tǒng)接地，消除傳導(dǎo)耦合。為避免地線(xiàn)形成環(huán)路產(chǎn)生新的干擾，所有接地的引線(xiàn)應(yīng)該盡可能地短且盡量直。信號(hào)回路、電源回路以及信號(hào)屏蔽回路各自的接地線(xiàn)保持獨(dú)立。此外，電源線(xiàn)使用雙絞線(xiàn)，相互抵消干擾。

3）通過(guò)濾波抑制干擾。根據(jù)干擾與信號(hào)不同的頻譜特點(diǎn)，通過(guò)由針對(duì)性的濾波，實(shí)現(xiàn)對(duì)干擾的有效抑制。

5 結(jié) 論

半導(dǎo)體自身的材料特性及制作工藝水平限制，使得霍爾傳感器在實(shí)際使用中會(huì)有一些自身不能克服的問(wèn)題，主要表現(xiàn)為零位電勢(shì)和溫度漂移。通過(guò)研究的材料的特性及工作原理，必須采取正確的補(bǔ)償方法才能最大程度的抑制這些誤差，保證測(cè)量的精度。通過(guò)補(bǔ)償電路，使霍爾電勢(shì)與磁場(chǎng)強(qiáng)度呈現(xiàn)滿(mǎn)意的線(xiàn)性關(guān)系，提高了霍爾傳感器的實(shí)用性和對(duì)環(huán)境的適應(yīng)能力。

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