提高霍爾傳感器測量精度的方法研究

王 鋒，劉美全，范江瑋

（軍械工程學院 車輛與電氣工程系，河北 石家莊 050003）

根據霍爾原理，半導體材料通電后形成載流子，有磁場存在時，產生的洛侖茲力使載流子向材料橫向兩側偏轉并積聚，就會在橫向兩側形成一個電場[1]，這個電場力和洛侖茲力相反，阻礙載流子繼續堆積，當霍爾電場力增大到與洛侖茲力相等時，材料橫向兩側就建立起一個穩定的電壓[2]，形成霍爾電勢。根據這一原理制成了霍爾傳感器，使用沒有觸點，具有測試動態范圍大、頻率響應范圍寬等諸多優點。

當霍爾傳感器控制電流和環境溫度一定時，霍爾電勢與磁感應強度成正比。當環境溫度一定時，霍爾電勢與控制電流和磁場的磁感應強度乘積成正比[1，3]。

霍爾傳感器的由半導體材料制成，由于半導體材料自身特性及生產安裝工藝水平的限制，在實際測試中，多個因素都可能會影響測量的精度，集中表現為零位誤差和環境溫度誤差。而這些誤差從自身是無法消除的，必須采取相應的補償、抑制手段才能保證測量的結果有效。

1 零位誤差特性及消除

由于構成霍爾元件的材料固有特性以及生產工藝的水平，導致存在多個因素可能影響霍爾元件的測量精度。當外加磁場不存在或控制電流尚未施加時，元件已經有電壓輸出，稱之為零位特性，由此而帶來的誤差就是零位誤差。零位誤差的產生原因主要是寄生直流電壓、感應零電動勢、自激場零電壓、不等位電動勢等因素的存在。

1.1 自激場零電壓和感應零電勢

在霍爾傳感器未放入測試磁場時，由于控制電流的存在，在一定條件下，其建立的磁場可以使傳感器產生一個自激場，致使霍爾傳感器有電壓輸出，這就是自激場零電壓。理論上，材料左右的場相等，產生方向相反的電勢而相互抵消。實際應用中，控制電流的引線也會產生磁場，使霍爾元件左右兩邊的場強不相等，產生電勢的輸出，即自激場零電壓。盡量將控制電流的引線安排適當，就可以把這種影響控制在較小的范圍內。

在傳感器尚未加控制電流的情況下，如果存在脈動或交變磁場，在傳感器輸出端會產生電壓，即為感應零電勢。由電磁感應定律，產生的感應電勢與元件電極引線所構成的感應面積成正比。為了減小感應電動勢，一方面要使布線合理，如圖1（a），另外還可以在磁路的間隙安裝一個與之特性相同的輔助霍爾元件，如圖1（b），可以起到明顯的補償效果。

圖1 感應零電勢及補償方法Fig.1 Induction of zero potential and compensation method

1.2 寄生直流電壓和不等位電動勢

在外加磁場尚未施加的情況下，霍爾元件以交流電作為控制電流，傳感器的輸出包含一個直流分量，稱之為寄生直流電壓。當控制極焊接處存在歐姆接觸不良，在局部形成整流效應，產生直流分量。其次，當兩個霍爾電極的焊點大小不同，使其熱容量產生差異引發溫度不同，形成直流附加電壓。第三，電流極引線、布線不合理，導致線路在霍爾傳感器附近產生附加磁場。

對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，盡量保證電極的歐姆接觸性能，改善散熱條件、均勻散熱。

不等位電動勢是引起元件零位電勢最主要的因素。在控制極輸入恒定的電流，當不存在外磁場時，霍爾元件輸出的空載電勢應該為零。但實際的制造工藝水平限制，兩個霍爾電極焊接的位置不可能實現完全對稱，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導致等位面的歪斜，而這些都會造成不等位電動勢的產生。

圖2 霍爾傳感器不等位電勢補償電路圖Fig.2 Hall sensor range voltage compensation circuit diagram

通過對半導體材料特性及霍爾原理的分析，霍爾元件上的不等位電動勢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電橋結構，補償可以通過調整電橋上的電阻來實現。霍爾元件的基本結構如圖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。

對于理想的霍爾元件，材料均勻、極點對稱是不存在不等位電勢的，即R1=R2=R3=R4。但實際的材料中不等位電勢是存在，也就是在實際的元件中，構成電橋的4個電阻并非完全相等，電橋沒有達到平衡。調整這個電橋達到平衡，一種簡單的方法是并聯一個變阻RP在阻值較大的橋臂上。通常補償電阻的溫度系數與霍爾元件等效橋臂電阻的不同，如果環境溫度變化，設計的補償平衡就會被打破。這種電路的優點是調整補償比較方便，能量損失小，在不等位電勢較小時，不會明顯降低輸出的霍爾電壓，當輸入信號是激勵電流時，對輸入信號的削弱也不多。

2 溫度特性及補償

由于半導體器件的電阻率、載流子濃度和遷移率等隨溫度變化，使得霍爾傳感器的內阻、霍爾電勢等參數也隨之變化[4-5]。溫度對霍爾傳感器的參數及工作狀態有顯著的影響[6-7]，為了削弱溫度變化對霍爾傳感器測量的影響，對電路進行溫度補償是非常必要的。

2.1 恒壓供電輸入端補償

設電壓源輸出為U，霍爾傳感器的內阻為r0，靈敏度為K0，為補償溫度變化對傳感器輸出的影響，在電路中串聯一個電阻R0，等效原理圖如圖3所示。

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

設霍爾傳感器輸出電勢的穩定系數為α，霍爾傳感器內阻為r，溫度系數為β，R為串聯的補償電阻，溫度系數為δ，采用恒壓源供電，電源內阻為r′，溫度系數為ξ。根據霍爾傳感器的輸出公式，在初始狀態，霍爾電勢為：

當溫度變化ΔT時，霍爾電勢表示為：

根據各參數的溫度變化規律，式中，

補償電路的目的就是消除溫度變化對霍爾傳感器輸出的影響[3]，因此，補償的理想結果是U′H=UH，將式（3）（4）（5）（6）代入，得：

整理變形可以得到：

當忽略電源的內阻影響時，式（8）變為：

其中，α、β、δ都是霍爾傳感器的固有參數，選定傳感器類型后，這些參數就確定下來。R0滿足式（9）的值時，可以補償溫度變化的影響。但分析中是以忽略電源內阻為前提的，這也就帶來了補償的誤差。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，采取并聯補償的方式。

2.2 恒流源供電輸入端補償

采用恒流源供電，補償電阻與傳感器并聯，原理圖如圖4所示。

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

根據原理圖，在初始狀態，

當溫度變化ΔT時，根據電路圖可知：

通常測量不會在溫度變化劇烈的條件下進行，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，則式（14）不會為：

3 綜合補償

使用霍爾傳感器，如果溫度恒定，可以只考慮對零位的補償，但如果環境溫度變化明顯，就需要同時進行零位和溫度的誤差補償。

采用如圖5所示電路，通過調節Rp1來實現對零位電勢的控制。在一個輸出端串上一個用來補償溫度的電橋，電橋的一個臂并聯一支熱敏電阻R（t）來調節溫度系數，這樣的結構可使電橋給出一個隨溫度變化的可調不平衡電壓。通過調整這個電壓就可以實現對溫度漂移的補償。

圖5 綜合補償電路Fig.5 Comprehensive compensation circuit

4 其他輔助措施

傳感器的正常工作，除了消除自身的問題，還必須考慮到周圍環境的影響，主要是來自外界電磁波的干擾。采取以下必要措施來抗干擾：

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。應對高頻電場采用銅、鋁等良導體，增加反射。對于低頻磁場，采用鐵和鎳鐵等高導磁材料作為屏蔽介質，抑制穿透。

2）電路系統接地，消除傳導耦合。為避免地線形成環路產生新的干擾，所有接地的引線應該盡可能地短且盡量直。信號回路、電源回路以及信號屏蔽回路各自的接地線保持獨立。此外，電源線使用雙絞線，相互抵消干擾。

3）通過濾波抑制干擾。根據干擾與信號不同的頻譜特點，通過由針對性的濾波，實現對干擾的有效抑制。

5 結 論

半導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際使用中會有一些自身不能克服的問題，主要表現為零位電勢和溫度漂移。通過研究的材料的特性及工作原理，必須采取正確的補償方法才能最大程度的抑制這些誤差，保證測量的精度。通過補償電路，使霍爾電勢與磁場強度呈現滿意的線性關系，提高了霍爾傳感器的實用性和對環境的適應能力。

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