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, 经硏磨抛光,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 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。 813温度特性及补偿 8.1.3.1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8.1.2和8.1.3所示。 Rt/Ro(%) UHt/ UHO(%) 30 Si(2) Ge(Hz-4) 20 10 InAs 0 In Sb 40-20020406080100t(℃) 40-20020406080100t(℃) 图812霍尔内阻与温度的关系曲线 图813霍尔电压与温度的关系曲线
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。 8.1.3 温度特性及补偿 8.1.3.1 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8.1.2和8.1.3所示。 -40 -20 0 20 40 60 80 100 10 0 20 0 30 0 t(℃) Rt/R0(%) -40 - 20 0 20 40 60 80 100 10 0 20 0 30 0 t (℃) UHt/UH0(%) Si (1) Si (2) Ge( Hz-4 ) Ge (Hz-2) InAs InSb -1 -3 InSb InAs Ge (Hz -1、 2、3) Si 图8.1.2 霍尔内阻与温度的关系曲线 图8.1.3 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℃C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°C时,霍尔电压的 相对变化率称为霍尔电压温度系数,用a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%。 8.1.3.2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 1)利用输入回路的串联电阻进行补偿。图814a是输入补偿的基本线路,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=RHo 1+at R=R0(1+6t) 式中,Rm为温度为t时霍尔系数;Rm为0℃时的霍尔系数;R1为温度为t时的输入电阻 R为0℃时的输入电阻;a为霍尔电压的温度系数,B为输入电阻的温度系数。当温度变 化4时,其增量为:4 RiF RHo a4t4R=Ri0B4t.根据式(86)中及E/R+R),可得出霍 尔电压随温度变化的关系式为 RUn e 对上式求温度的导数,可得增量表达式 d r+r (8-13) UHo(a- RoB R。+R
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%。 8.1.3.2 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. 1）利用输入回路的串联电阻进行补偿。图8.1.4a是输入补偿的基本线路，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+αt) Rit=Ri0(1+βt) 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Δt时，其增量为: ΔRH=RH0αΔt ΔRi=Ri0βΔt .根据式(8-6)中及I=E/(R+Ri )，可得出霍 尔电压随温度变化的关系式为 对上式求温度的导数，可得增量表达式 (8-13) it Ht H H R R E B d R U R + = t R R R U U i i H H + = ( − ) 0 0 0
要使温度变化时霍尔电压不变,必 须使 roB a 0 即 R。+R 81B-a) 式(8-13)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 a)基本电路 b)等效电路 方法减小第二项,实现自补偿。 图814输入补偿原理图 将元件的α、6值代入式(8-14),根据R0的值就可确定串联电阻R的值。 (2)利用输岀回路的负载进行补偿。见图81.5,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+at)Rvt=RV0(1+Bt) 式中,U为温度为t时的霍尔电压;U0为0时的霍尔电压;R为温度为t时的输出电阻;R为 0时的输出电阻。负载R2上的电压U为 U[UHo(1+at)]R/Rvo/1+8+)+RJ (8-15) 为使U不随温度变化,可对式(8-15)求导数并使其等于零,可得 R/R=6a1=6/a 8-16) 最后,将实际使用的霍尔元件的a、B值代入,便可得出温度补偿时的R值。当R=R 时,补偿最好
R E I R E I Rit UHr a）基本电路 b） 等效电路 Rvt 图8.1.4 输入补偿原理图 要使温度变化时霍尔电压不变，必 须使 即 (8-14) 式(8-13)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。 0 0 0 = + = R R R i i ( ) 0 − = Ri R 将元件的α、β值代入式(8-14)，根据Ri0的值就可确定串联电阻R的值。 (2) 利用输出回路的负载进行补偿。见图8.1.5，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+αt) Rvt=Rv0(1+βt) 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+αt) ] RL /[Rv0(1+βt)+RL ] (8-15) 为使UL不随温度变化，可对式(8-15)求导数并使其等于零，可得 RL /Rv0≈β/α.1≈β/α (8-16) 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
814零位特性及补偿 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 R 误差称为零位误差。主要表现在以下几个方面 8.1.4.1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L,两输出端产生的电压称为不等腰三 a)基本电路 角形位电压,用表示。U与的比值称为不等 b)等效电路 位电阻,用R表示,即R=U(8-17) 图815输出补偿原理图 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。 8.1.4.2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 8.1.4.3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
图8.1.5 输出补偿原理图 RL I I Rit Rvt UHr a）基本电路 b）等效电路 RL UL 8.1.4 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 8.1.4.1 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 R0= U0 /I (8-17). 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。 8.1.4.2 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。 8.1.4.3 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
82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。 821开关型集成霍尔传感器 开关型集成霍尔传感器是把霍尔元件的输出经过处理后输出一个高电平或低电平的数 字信号。霍尔开关电路又称霍尔数字电路,由稳压器、霍尔片、差分放大器,斯密特触发 器和输出级组成,其典型电路见图8.2.1 下面我们分析电路的工作原理 图中的霍尔元件是在N型硅外延层上制作的。由于N型硅外延层的电阻率p一般为1.0~ 1.5Ωcm电子迁移率μ约为1200cm2(Vs),厚度d约为10μm,故很适合做霍尔元件。集成块中 霍尔元件的长600μm,宽为400μm。由于在制造工艺中采用了光刻技术,电极的对称性好, 零位误差大大减小。另外,由于厚度d很小,霍尔灵敏度也相对提高了,在0.1T磁场作用下, 元件开路时可输出20m左右的霍尔电压。霍尔输出经前置放大的后送到斯密特触发器,通 过整形成为矩形脉冲输出。当磁感应强度B为0时,霍尔元件无输出,即U=0。线路中,由于 流过V2集电极电阻的电流大于流过V1集电极电阻的电流,输出电压Ub3>U,则V3优先导通, 经过下面的正反馈过程:
8.2 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。 8.2.1 开关型集成霍尔传感器 开关型集成霍尔传感器是把霍尔元件的输出经过处理后输出一个高电平或低电平的数 字信号。霍尔开关电路又称霍尔数字电路，由稳压器、霍尔片、差分放大器，斯密特触发 器和输出级组成，其典型电路见图8.2.1。 下面我们分析电路的工作原理。 图中的霍尔元件是在N型硅外延层上制作的。由于N型硅外延层的电阻率ρ一般为1.0～ 1.5Ωcm电子迁移率μ约为1200cm2(Vs)，厚度d约为10μm，故很适合做霍尔元件。集成块中 霍尔元件的长600μm，宽为400μm。由于在制造工艺中采用了光刻技术，电极的对称性好， 零位误差大大减小。另外，由于厚度d很小，霍尔灵敏度也相对提高了，在0.1T磁场作用下， 元件开路时可输出20mV左右的霍尔电压。霍尔输出经前置放大的后送到斯密特触发器，通 过整形成为矩形脉冲输出。当磁感应强度B为0时，霍尔元件无输出，即UH=0。线路中，由于 流过V2集电极电阻的电流大于流过V1集电极电阻的电流，输出电压U b3＞Ub4，则V3优先导通， 经过下面的正反馈过程：