霍爾傳感器誤差原因及補償

張建宇

（武漢東湖學院 湖北 武漢 430212）

0 引言

在霍爾傳感器的具體應用中，零位誤差、寄生直流電勢誤差、感應零位電勢誤差、自激磁場零位電勢誤差以及溫度誤差都十分常見。因此，具體研究與應用中，技術人員一定要對其誤差的主要原因進行科學分析，并采取合理的措施來加以補償。通過這樣的方式，才可以有效確保霍爾傳感器的應用效果，讓霍爾效應原理的應用優勢得以充分發揮，這對于霍爾傳感器的良好應用以及相關領域的進一步發展都將有著十分積極的促進作用。

1 霍爾傳感器概述

霍爾傳感器，就是以霍爾效應為依據進行制作的傳感器，它是磁場傳感器中的一種。因為霍爾效應在半導體性能研究中屬于一種基本方法，所以，以此為基礎的霍爾傳感器也在半導體材料的性能研究中得到了廣泛應用。憑借著結構簡單、體積小、無觸點等的諸多優勢，霍爾傳感器在當今的很多領域中都備受歡迎。尤其是隨著當今科學技術的發展，霍爾傳感器的用途也變得越來越廣泛，比如在汽車工業中的動力系統、車身控制系統、牽引力控制系統、防抱死制動系統中，霍爾傳感器都發揮著良好的控制作用；再比如，在當今的出租車計價器中，霍爾傳感器的應用效果也十分突出；另外，霍爾傳感器也在變頻器中發揮著良好的應用優勢[1]。以下是我國目前所應用的幾種常見的霍爾傳感器型號及其用途。

（1）ATS667LSG型霍爾傳感器：其主要應用領域是航空、汽車、電力、石化等，主要用途是用作齒輪傳感器。

（2）EW-632型霍爾傳感器：其主要應用領域是農用機械、電動車、空調、冰箱等，主要用途是用作位置傳感器。

（3）EW-732型霍爾傳感器：其主要應用領域是農用機械、電動車、空調、冰箱等，主要用途是用作位置傳感器。

（4）HG-106C型霍爾傳感器：其主要應用領域是安防、工具等，主要用途是定位。

（5）HG-166A型霍爾傳感器：其主要應用領域是安防，主要用途是定位。

2 霍爾效應原理

假設一個形狀為N型的半導體薄片，其長度是L，寬度是W，厚度是d。將一個磁場施加到這個半導體薄片的上方，與其平面相垂直，這個磁場的磁感應強度是B，然后將電流I通入L方向。根據該半導體所具有的導電規律，其中的自由電子會朝著電流I的反方向移動，其速度是v，而在自由電子受到了磁場內的洛倫茲力（F）之后，其中的正電荷與負電荷將會分別沿著與磁場、電流相垂直的方向移動到半導體兩端，最終會在其兩側匯集，一個穩定的電動勢UR便由此形成，這個電動勢就叫做霍爾電動勢，而這種現象則叫做霍爾效應[2]。

3 霍爾傳感器誤差主要原因分析

3.1 零位誤差

在霍爾傳感器的具體應用中，零位誤差是一種比較常見的誤差形式。此類誤差的根本形成原因是不等位電勢。之所以會出現這樣的情況，其主要的原因包括以下的幾個方面：（1）兩個霍爾電機并未在同一個等位面上進行安裝；（2）因為材料不夠均勻而導致的電阻不均勻分布；（3）由于控制電極未能良好接觸，導致電流不能均勻分布。這些情況都會讓霍爾傳感器產生零位誤差，進而對其應用效果造成不利影響。

3.2 寄生直流電勢誤差

就霍爾傳感器的具體應用而言，寄生直流電勢誤差也較為常見。之所以會產生此類誤差，其主要的原因包括以下幾個方面：（1）控制機和霍爾極之間的元件存在接觸不良現象，進而有非歐姆接觸形成；（2）兩個霍爾電極之間存在大小不等現象，進而導致其熱容量差異，散熱狀態也會由此而不同，這樣便會在兩極之間產生溫差電勢，霍爾傳感器中的元件也會出現溫漂現象，進而出現寄生直流電勢誤差。如果這樣的誤差得不到有效消除，霍爾傳感器的應用效果必將受到不良影響。

3.3 感應零位電勢誤差

在霍爾傳感器的應用過程中，感應零位電勢誤差也屬于一種典型的誤差形式，此類誤差與霍爾傳感器的應用環境有關。當霍爾傳感器應用到脈動磁場或者是交流磁場的情況下，即使不進行控制電流的施加，因霍爾極不能夠對稱分布，霍爾端也會存在一定大小的輸出，這個輸出會和磁場自身的脈動頻率、兩個霍爾電機所組成的面積以及磁感應強度幅值成正比關系，進而產生感應零位電勢誤差，對霍爾傳感器的應用造成一定程度的不良影響。

3.4 自激磁場零位電勢誤差

在霍爾傳感器中，自激磁場零位電勢誤差也較為常見，而其主要原因則與霍爾傳感器的控制電流相關。在將控制電流通入到霍爾傳感器的過程中，這個電流將會伴隨著相應的磁場產生，這個磁場就叫做自激磁場。而在此過程中，如果電極引線不能對稱，霍爾傳感器的兩邊便會出現磁感應強度不一致現象，自激磁場零位電勢便會由此而輸出，進而引發自激磁場零位電勢誤差。如果這種誤差得不到有效的消除，便會讓霍爾傳感器的應用效果受到很大程度的不利影響。

3.5 溫度誤差

對于霍爾傳感器而言，在具體的應用過程中，溫度誤差也是一種常見且典型的誤差形式。因霍爾傳感器的主要應用原理是霍爾效應，所以霍爾系數將會對其應用效果產生很大程度的影響作用。具體應用中，霍爾系數可按照以下公式來進行計算：

其中，KH代表霍爾系數；ρ代表半導體材料本身所具有的電阻率；μ代表半導體材料中的電阻遷移率[3]。而無論是半導體材料自身的電阻率還是其電阻遷移率，都將在很大程度上受到溫度的直接影響，且具有較大的溫度系數。因此，在霍爾傳感器的具體應用中，如果受到了溫度影響，便會產生相應的溫度誤差，進而對其應用效果造成不良影響。

4 霍爾傳感器誤差補償方法

4.1 各種誤差同時消除電路的設置

為了讓霍爾傳感器在具體應用中的誤差得以良好補償，在對其進行應用的過程中，技術人員可通過合理的電路設置來實現各種誤差的同時補償效果。圖1為本次研究中所設計的一種檢測電路圖。

如圖1所示，H1霍爾傳感器以及H2霍爾傳感器屬于統一型號且出廠時間一致的兩個霍爾傳感器。在這兩個霍爾傳感器的具體工作中，如果被測電路里沒有信號輸入，因為量傳感器具有完全一致的性能，所以其誤差也完全相等。因此，我們便可將這個相等的誤差叫做共模誤差。在共模誤差作用下，兩個霍爾傳感器中所形成的共模電壓也完全相等，由此可知，A1以及A2之間具有完全相等的輸入。如果將A1中的輸出U0控制為零，在被測電路中有輸入的情況下，只能夠影響到H2霍爾傳感器。通過這樣的方式，便可在測量不受影響的基礎上將霍爾傳感器自身的誤差降到最小。其中的R1以及R2都屬于可調形式的電阻，對這兩個電阻的阻止進行合理調整，讓被測電路中的信號輸入值為零，這樣就可以有效消除傳感器中的所有誤差，讓最終的輸出始終為零[4-5]。該方法對于上述所有的霍爾傳感器誤差都可以起到良好的補償作用，且操作方法十分簡單。

4.2 交流共模抑制電路的設置

在通過上述電路設置方法進行霍爾傳感器的誤差補償過程中，因為作用在兩個霍爾傳感器上的共模誤差并不會在輸入端形成電位差，所以其輸出電壓將始終為零。由此可見，借助于共模電壓的作用，無論外部存在怎樣的影響因素，或者是影響因素出現怎樣的變化，霍爾傳感器的輸出都不會受到任何影響，整個電路中都存在著非常高的共模抑制能力。但是在交流共模電壓條件下，便會產生完全不同的情況。出現該情況的原因是在信號傳輸線路以及運算放大輸出端這兩者之間有寄生電容的存在。圖2是交流共模條件下的電壓影響示意圖。

其中，Ri1和Ri2都屬于傳輸線中的電阻，（C1+C2’）以及（C2+C2’）兩個分布電容分別構成各自的兩個分壓電路。在直流共模電壓條件下，因為（C1+C2’）以及（C2+C2’）兩個分布電容都處于開路狀態，所以分布電容中的分壓進入放大電路中的情況也并不存在。但是在交流共模電壓條件下，因為（C1+C2’）以及（C2+C2’）兩個分布電容則處在交流導通狀態。在這種狀態下，假設交流信號的頻率是ω，j是共模常數，那么A1和A2兩個放大器中的交流共模電壓輸出向量分別用以下兩個公式來表示：

因為（C1+C2’）、（C2+C2’）、A1和A2不可能具有完全一致的數值，所以在測量放大器中，Uf1以及Uf2這兩個輸入端的干擾電壓也并不會完全一致。在這樣的情況下，測量放大器的輸出中便會有共模誤差電壓存在，且在共模電壓頻率的提升中，這個電壓也會隨之增加。

為實現交流共模條件下不良影響的有效克服，便可以圖1為基礎，將A4運算放大器增設其中，不對傳輸線中的屏蔽層做接地處理，而是將其改成對應共模電壓的電位。通過這樣的方式，便可消除傳輸線和屏蔽層這兩者之間的瞬間電位差，讓上述問題得以有效解決。而在對保護電位進行設置的過程中，可將從A1運算放大器到A2運算放大器的輸出端作為中點，這個電位剛好與交流共模電壓Uc相等。通過這樣的方式，便可讓交流共模電壓對于霍爾傳感器所產生的干擾得以有效抑制，進而達到良好的誤差補償效果，且這種電路在任何的傳感器電路中都十分適用。

4.3 零位誤差補償電路的設置

在霍爾傳感器的具體應用中，除了以上的通用誤差補償方法之外，也可以通過零位誤差補償電路的合理設置來進行其單純的零位誤差補償。通過以往的試驗與研究發現，在霍爾傳感器中，其不等位電動勢及其不等位電阻具有一致性。因此，針對霍爾傳感器的零位誤差，在對其進行補償的過程中，我們可以將霍爾傳感器等效成一個電橋，然后通過電阻調整的方式來達到補償效果。圖3是某霍爾傳感器的元件結構示意圖（a）及其等效電路示意圖（b）。

在霍爾傳感器元件結構圖中，A和B所代表的是控制電路，C和D所代表的是霍爾電極，R1、R2、R3以及R4所代表的是分布在霍爾電極之間的電阻。當霍爾傳感器處于理想狀態下時，R1、R2、R3以及R4這4個電阻的阻值相等，此時，霍爾傳感器所獲得到的零位電動勢是零，也就是零位電阻是零，這樣便可將其中的不等位電動勢消除。因此，就實際而言，如果霍爾傳感器中有零位電動勢存在，就表明這4個電阻的阻值并不能做到完全相等，也就是會出現電橋不平衡情況。

為了讓霍爾傳感器達到良好的電橋平衡效果，在對零位補償電路進行設計的過程中，可以將一個可調形式的電阻Rp并聯到具有較大阻值的橋臂上，或者是將電阻Rp和另一個電阻R同時并聯在兩個橋臂上。就理論而言，此類調整方案共有3種：（1）將一個可調節形式的電阻懸Rp掛在單橋臂上；（2）分別將可調節形式的電阻Rp以及電阻R懸掛在雙橋臂上；（3）將一個可調節形式的電阻Rp懸掛在雙橋臂上。

而經過多次的試驗和研究發現，相比較前兩種調整方案而言，將第3種方案中的電路用作霍爾傳感器具體應用中的零位補償電路，不僅可使其電路結構更加簡單，操作起來更加便捷，且能夠讓霍爾傳感器具有非常高的測量精度。因此，第3種補償電路可用作霍爾傳感器零位誤差補償中的首選電路。

4.4 溫度誤差補償措施的合理應用

在霍爾傳感器的具體應用中，針對其溫度誤差，也可通過以下的幾項措施來進行補償。

（1）可將具有較小溫度系數的半導體用作傳感器材料，比如InAs半導體。

（2）可將恒流源供電的方式加以合理應用，并將其輸入回路與電阻并聯，以此來達到良好的溫度誤差補償效果。具體補償中，其補償電阻可按照以下公式來進行計算：

其中，R0所代表的是補償電阻；Ri所代表的是霍爾傳感器中的輸入電阻；α所代表的是霍爾傳感器輸入電阻所具有的溫度系數；β所代表的是補償溫度系數；δ所代表的是霍爾傳感器靈敏度所具有的溫度系數。

（3）可將更具合理性的負載電阻應用其中。

（4）可將恒壓源供電方式加以合理應用，并使其輸入回路與電阻串聯，以此來達到良好的溫度誤差補償效果。

（5）可將相應的溫度補償元件加以合理應用，比如電壓源和電流源等，具體應用中，可根據實際情況將其串聯或者是并聯到霍爾傳感器的電阻上，這樣便可起到有效的溫度誤差補償作用。

5 結語

綜上所述，在霍爾傳感器的具體應用過程中，很多的影響因素都會導致其誤差產生。基于此，技術人員一定要針對各種因素加以科學分析，并通過科學合理的方式來進行誤差補償，這樣才可以有效確保霍爾傳感器的測量精度，滿足其實際應用需求，這對于霍爾傳感器的良好應用以及相關行業的進一步發展都將起到積極的促進作用。