霍爾元件研究及發(fā)展方向

時(shí)圣利 高保生 柴玉強(qiáng)

（1.山東航天電子技術(shù)研究所，山東 煙臺 264000；2.中國農(nóng)業(yè)大學(xué)〈煙臺〉理工學(xué)院，山東 煙臺 264000）

0 引言

傳感器技術(shù)作為現(xiàn)代信息社會(huì)的三大支柱技術(shù)之一，被廣泛地應(yīng)用于國民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)領(lǐng)域，霍爾傳感器就是其中應(yīng)用非常廣泛的一類，它是一種基于霍爾效應(yīng)的磁敏傳感器，它不僅用于測量電壓、電流、功率和磁感應(yīng)強(qiáng)度等電磁參數(shù)，在非電量測量技術(shù)中還廣泛應(yīng)用于測量力、力矩、壓力、應(yīng)力、位置、位移、速度、加速度、角度、角速度、轉(zhuǎn)數(shù)、轉(zhuǎn)速等非電量參數(shù)。由于霍爾傳感器的核心器件是霍爾元件，所以對霍爾元件的研究有重要意義。

1 霍爾元件的研究

1.1 霍爾元件的制作材料

早期的霍爾元件通常使用的材料有InSb，InAs，GaAs，Ge等，表1給出這些半導(dǎo)體材料的基本特性。1nSb材料電子遷移率高，其霍爾元件具有很高的靈敏度。然而，1nSb材料的禁帶寬度小，易于本征激發(fā)，因此它的溫度穩(wěn)定性差，無法在高溫環(huán)境下使用；GaAs是另一種使用廣泛的霍爾元件材料，它的靈敏度比1nSb低很多，但是溫度特性好，能在較寬的溫度范圍內(nèi)工作，同時(shí)磁場線性度也是最好的。

表1 制作霍爾元件半導(dǎo)體材料性能

1.2 霍爾元件失調(diào)電壓的產(chǎn)生及抑制

1.2.1 霍爾元件失調(diào)電壓的產(chǎn)生

圖1 文氏橋等效電路

在直流狀態(tài)下，霍爾元件可以看作是一個(gè)由分布電阻構(gòu)成的文氏橋，如圖1所示，當(dāng)在H1端接電源VCC，H3端接地，理想情況時(shí)，Rl=R2=R3=R4=R，H2、H4端對地的直流電位為VCC/2，兩端之間的電勢差為零。當(dāng)有磁場作用于霍爾元件時(shí)，就會(huì)在H2和H4的兩端產(chǎn)生感應(yīng)電勢，感應(yīng)電勢的極性是由磁場方向和電流方向共同決定，這個(gè)感應(yīng)電勢經(jīng)過放大、控制處理后就可以去驅(qū)動(dòng)輸出電路。

實(shí)際的霍爾元件由于材料的各向異性、雜質(zhì)分布的不均勻、幾何結(jié)構(gòu)的非對稱以及壓阻效應(yīng)等的影響，在有電流流過時(shí)，即使沒有外加磁場，其輸出電勢差也不為零，這個(gè)電勢差就是霍爾元件的失調(diào)電壓VOS。

霍爾元件失調(diào)電壓的產(chǎn)生主要包括兩個(gè)方面，一個(gè)是工藝的原因，包括材料的各向異性、雜質(zhì)擴(kuò)散的不均勻、幾何結(jié)構(gòu)的非對稱等。另一個(gè)原因是外界機(jī)械壓力通過壓阻效應(yīng)引起的，通常是在封裝時(shí)造成的。

1.2.2 霍爾元件失調(diào)電壓的抑制

本文研究的抑制失調(diào)電壓的方法為正交電流法，正交電流法就是在一個(gè)霍爾元件上，交替地改變輸入電流的通路，使輸出感應(yīng)電壓周期性地分別從兩對正交的端口輸出，利用感應(yīng)電壓和失調(diào)電壓極性的不同變化，實(shí)現(xiàn)對失調(diào)電壓和霍爾電勢的分離。只需一個(gè)霍爾元件，即可實(shí)現(xiàn)對磁場信號的檢測和對失調(diào)電壓與感應(yīng)電壓的分離，在信號檢測電路之后采用一個(gè)斬波穩(wěn)定放大器實(shí)現(xiàn)對霍爾元件失調(diào)電壓的抑制，同時(shí)實(shí)現(xiàn)對有效信號霍爾電勢的放大，此外這種斬波穩(wěn)定放大電路不但可以對自身失調(diào)電壓實(shí)現(xiàn)抑制而且具有非常高的輸入阻抗。

圖2 正交電流法

在時(shí)鐘正半周，如圖2(a)所示，分別把霍爾元件的Hl、H3端接入電源和地，電流由Hl流向H3，在如圖所示的磁場作用下將產(chǎn)生如圖所示極性的感應(yīng)電壓；在時(shí)鐘的負(fù)半周，如圖2(b)所示，霍爾元件的H2、H4端分別被接入到電源和地，電流由H2流向H4，在如圖所示的磁場作用下將產(chǎn)生如圖所示極性的感應(yīng)電壓。假設(shè)在同一時(shí)鐘的高、低電平時(shí)分別把Hl和H2連接至后級差分放大器的同一個(gè)輸入端，而H3和H4則連接至差分放大器的另一個(gè)輸入端，則在同一時(shí)鐘信號的高、低電平時(shí)，接入到差分放大器的霍爾感應(yīng)電勢的極性是相反的，而失調(diào)電壓的極性則總是相同的，這可以通過以下的假定來說明。假定此時(shí)的失調(diào)電壓是由于某種原因(如壓阻效應(yīng))導(dǎo)致Hl、H2端之間的等效電阻變大，由于Rl=R3=R4=R，R2＞R，則圖2(a)所示電路的失調(diào)電壓VH2H4也為(R/(R+R2)-1/2)·VCC，其極性與此時(shí)的感應(yīng)電壓的極性相同；圖2(b)所示電路的失調(diào)電壓VH1H3也為(R/(R+R2)-1/2)·VCC，其極性與此時(shí)的感應(yīng)電壓的極性相反，即在同一個(gè)時(shí)鐘的高、低電平時(shí)，霍爾元件的失調(diào)電壓的極性保持不變。改變霍爾元件的電流方向或改變接入到后級差分放大器的連接方式，就可得到不同極性組合的霍爾電壓和失調(diào)電壓，但在每個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)，都是一個(gè)半周為霍爾電壓和失調(diào)電壓的和，另一個(gè)半周為它們的差，因此，要得到霍爾電壓、抑制失調(diào)電壓就可以根據(jù)失調(diào)電壓在這兩個(gè)半周內(nèi)的極性分別采用相加或相減的方法來實(shí)現(xiàn)。在失調(diào)電壓極性不變時(shí)，采用相減的方法，在失調(diào)電壓相反時(shí)采用相加的方法。經(jīng)仿真證明具有很好的效果。

2 霍爾元件應(yīng)用及發(fā)展方向

霍爾傳感器不僅用于測量電壓、電流、功率和磁感應(yīng)強(qiáng)度等電磁參數(shù)，還廣泛應(yīng)用于測量直線位移、角位移、轉(zhuǎn)速和壓力等非電量參數(shù)。隨著該技術(shù)的推廣，其應(yīng)用領(lǐng)域?qū)⒃絹碓綇V，已被廣泛的應(yīng)用在航天、航空、機(jī)械、能源、石油、化工、醫(yī)療、汽車、公安防范、儀器儀表、辦公自動(dòng)化、交通運(yùn)輸?shù)阮I(lǐng)域，在各種信息采集和處理中都起到了極其重要的作用。

隨著霍爾傳感器的廣泛應(yīng)用，作為霍爾傳感器的核心器件—霍爾元件必將大有作為，其主要發(fā)展方向：一是加強(qiáng)開展基礎(chǔ)研究，重點(diǎn)研究新材料和新工藝；二是朝著微型化、集成化方向發(fā)展；三是朝著實(shí)現(xiàn)高靈敏度、高精度、高穩(wěn)定性、低溫漂、微功耗、智能化和多功能化方向發(fā)展。

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