第9章常用半导体传感器 ·139 02 04 06 B( 图9-6UrB特性曲线 9.1.3误差分析及其补偿方法 霍尔传感器输入输出关系比较简单，而且线性好，但是影响它的性能的因素及造 成误差的因素很多，主要有以下几个方面。 9.1.3.1元件的几何尺寸、电极接点的大小对性能的影响 （1)几何尺寸对性能影响 在公式U=KB中，是把霍尔片的长度L视为趋向无穷大，实际上霍尔片总有 定的长宽比L小，而元件的长宽比是否合适对霍尔电势的大小有着直接的关系。为此， 在霍尔输出表达式中应该增加一项与元件几何尺寸有关的系数。这样就可写成 U=RIBf (A) (95) 式中∫，(L心为元件的形状系数。该系数与L11之间的关系如图97所示。由图可以 看出，当L11>2时，形状系数∫(L心接近于1。从提高灵敏度的角度，把L11选得越 大越好.但在实际设计时，取L11-2已足够，因L八过大反而使输入功耗增加，以致
9 ·139· 图 9-6 UH-B特性曲线 霍尔传感器输入-输出关系比较简单，而且线性好，但是影响它的性能的因素及造 成误差的因素很多，主要有以下几个方面。 9.1.3.1 元件的几何尺寸、电极接点的大小对性能的影响 （1）几何尺寸对性能影响 在公式 UH=KHIB 中，是把霍尔片的长度 L 视为趋向无穷大，实际上霍尔片总有一 定的长宽比 L/l ，而元件的长宽比是否合适对霍尔电势的大小有着直接的关系。为此， 在霍尔输出表达式中应该增加一项与元件几何尺寸有关的系数。这样就可写成 H f L/l d H H R U IB = （ ） （9-5） 式中 H f L/l （ ） 为元件的形状系数。该系数与 L l / 之间的关系如图 9-7 所示。由图可以 看出，当 L l / >2 时，形状系数 H f L/l （ ） 接近于 1。从提高灵敏度的角度，把 L l / 选得越 大越好。但在实际设计时，取 L l / =2 已足够，因 L/l 过大反而使输入功耗增加，以致
·140. 传感器技术设计与应用 降低元件的效率。 (2)电极大小对输出影响 霍尔电极的大小对霍尔电势的输出影响如图9-8所示。图9-8()为输出电极示意 图，图9-8(b)为霍尔电极大小对霍尔电势输出的影响。对于理想元件的要求：控制电 流端的电极是良好面接触；霍尔电极为点接触。实际上，霍尔电极有一定宽度$，S对 灵敏度和线性度有较大的影响。研究表明：当SL<0.1时，电极宽度的影响可忽略。 100 o 801 0.8H 60 06 40 0.4日 20 0.2 020,40608102 10 2.0 30 (a)霍尔输出电极示意图 图97霍尔元件的形状系数曲线 图9-8霍尔电极的大小对输出的影响 9.1.3.2零位误差及补偿 零位误差：霍尔元件不加控制电流或不加磁场时，而输出的霍尔电势称为零位误差。 主要在以下四种： (1)不等位电势U。 图9给出了不等位电势产生示意图。不等位电势是一个主要的零位误差，产生不
·140· 降低元件的效率。 （2）电极大小对输出影响 霍尔电极的大小对霍尔电势的输出影响如图 9-8 所示。图 9-8（a）为输出电极示意 图，图 9-8（b）为霍尔电极大小对霍尔电势输出的影响。对于理想元件的要求：控制电 流端的电极是良好面接触；霍尔电极为点接触。实际上，霍尔电极有一定宽度 S，S 对 灵敏度和线性度有较大的影响。研究表明：当 S/L<0.1 时，电极宽度的影响可忽略。 图 9-7 霍尔元件的形状系数曲线 图 9-8 霍尔电极的大小对输出的影响 9.1.3.2 零位误差及补偿 零位误差：霍尔元件不加控制电流或不加磁场时，而输出的霍尔电势称为零位误差。 主要在以下四种： （1）不等位电势 U0 图 9-9 给出了不等位电势产生示意图。不等位电势是一个主要的零位误差，产生不
第9章常用半导体传惑器 ·141 等位电势的主要原因：一是两个霍尔电势板在制作过程中并非绝对对称；二是电阻率不 均匀；三是霍尔元件的厚度不均匀；四是控制电流极的端面接触不良。 (a)电势不对称 (b)电流极接触不良 图99不等位电势产生示意图 分析不等位电势的方法：把霍尔元件等效为一个电桥，电桥的四个电阻分别为、 2、3、4,如图910所示。当两个霍尔电势极在同一等位面上时，1可2=0=4，则电桥 平衡Uo=0;当霍尔电势不在同一等位面上时图9-9(a)],因r减小增大，则电桥 平衡被破坏，因此，输出电压U6不为0。恢复电桥平衡办法是：增大2或。如果确知 霍尔电极偏离等位面的方向，就可以采用一些补偿的方法减小不等位电势。图911给出 了不等位电势采用补偿线路进行补偿的方法。 图9-10霍尔元件的等效电路
9 ·141· 等位电势的主要原因：一是两个霍尔电势板在制作过程中并非绝对对称；二是电阻率不 均匀；三是霍尔元件的厚度不均匀；四是控制电流极的端面接触不良。 图 9-9 不等位电势产生示意图 分析不等位电势的方法：把霍尔元件等效为一个电桥，电桥的四个电阻分别为 r1、 r2、r3、r4，如图 9-10 所示。当两个霍尔电势极在同一等位面上时，r1=r2=r3=r4，则电桥 平衡 U0=0；当霍尔电势不在同一等位面上时[图 9-9（a）]，因 r3 减小、r4 增大，则电桥 平衡被破坏，因此，输出电压 U0 不为 0。恢复电桥平衡办法是：增大 r2或 r3。如果确知 霍尔电极偏离等位面的方向，就可以采用一些补偿的方法减小不等位电势。图 9-11 给出 了不等位电势采用补偿线路进行补偿的方法。 图 9-10 霍尔元件的等效电路
·142 传感器技术设计与应用 (e) 图9-11不等位电势的几种补偿方法 (2)寄生直流电势 寄生直流电动势：由于霍尔元件的电极不可能做到完全的欧姆接触，在控制电极 板和霍尔电势板上都可能出现整流效应。因此，当元件通以交流控制电流（不加磁场） 时，它的输出除了交流不等位电势外，还有一直流电势分量，此电势分量称为寄生直 流电动势。 产生寄生直流电势的原因：一是控制电流与霍尔电势极的欧姆接触不良造成的整流 效应；二是由于霍尔电势极的焊点大小不一致，两焊点的热容量不一致产生温差，造成 直流附加电势。 减小寄生直流电势的措施：寄生直流电势是霍尔元件零位误差的一个组成部分，它 的存在对于霍尔元件在交流情况下使用是有很大妨碍的，尤其是这个直流附加电势是随
·142· 图 9-11 不等位电势的几种补偿方法 （2）寄生直流电势 寄生直流电动势：由于霍尔元件的电极不可能做到完全的欧姆接触，在控制电极 板和霍尔电势板上都可能出现整流效应。因此，当元件通以交流控制电流（不加磁场） 时，它的输出除了交流不等位电势外，还有一直流电势分量，此电势分量称为寄生直 流电动势。 产生寄生直流电势的原因：一是控制电流与霍尔电势极的欧姆接触不良造成的整流 效应；二是由于霍尔电势极的焊点大小不一致，两焊点的热容量不一致产生温差，造成 直流附加电势。 减小寄生直流电势的措施：寄生直流电势是霍尔元件零位误差的一个组成部分，它 的存在对于霍尔元件在交流情况下使用是有很大妨碍的，尤其是这个直流附加电势是随
第9章常用半导体传惑器 ·143: 时间变化时，这将会导致输出漂移，为了减少寄生直流电势，在元件的制作和安装时 应尽量改善电极的欧姆接触性能和元件的散热条件。 (3)感应零电势Vo 定义：当没有控制电流时，在交流或脉动磁场作用下产生的电势叫感应零电势V。 大小与霍尔电极引线构成的感应面积A成正比，如图912（ā）所示。由电磁感应定律 =盟 （9-6) 式中B为感应强度。磁感应零电势补偿方法如图912(b,图912(c),使霍尔电 势极引线围成的感应面积A所产生的感应电势互相抵消。 -66 (a)感应零电势示意图 (6)自身补偿法 (c)外加补偿法 图912磁感应零电势及其补偿 (4)自激场零电势 自激场：当霍尔元件通以控制电流时，此电流就会产生磁场，这一磁场称为自激场， 左右两半场相等，产生的电势方向相反而抵消，图913(a)所际。 自激场零电势：实际应用时并非两半场相等，如图8-13(b)分布量，因而有霍尔 电势输出，这输出称为自激场零电势。 克服自激场零电势措施：只要在安装过程中，适当安排控制电流引线就可以消除自
9 ·143· 时间变化时，这将会导致输出漂移，为了减少寄生直流电势，在元件的制作和安装时， 应尽量改善电极的欧姆接触性能和元件的散热条件。 （3）感应零电势 Vi0 定义：当没有控制电流时，在交流或脉动磁场作用下产生的电势叫感应零电势 Vi0。 大小与霍尔电极引线构成的感应面积 A 成正比，如图 9-12（a）所示。由电磁感应定律， i0 dB V A dt = − （9-6） 式中 B 为感应强度。磁感应零电势补偿方法如图 9-12（b）、图 9-12（c），使霍尔电 势极引线围成的感应面积 A 所产生的感应电势互相抵消。 图 9-12 磁感应零电势及其补偿 （4）自激场零电势 自激场：当霍尔元件通以控制电流时，此电流就会产生磁场，这一磁场称为自激场。 左右两半场相等，产生的电势方向相反而抵消，图 9-13（a）所示。 自激场零电势：实际应用时并非两半场相等，如图 8-13（b）分布量，因而有霍尔 电势输出，这输出称为自激场零电势。 克服自激场零电势措施：只要在安装过程中，适当安排控制电流引线就可以消除自