時聖利1 高保生2 柴玉強１
（1.山東航天電子技術研究所，山東 煙台 264000；2.中國農業大學〈煙台〉理工學院，山東 煙台 264000）
【摘要】本文概述了霍爾元件的製作材料，研究了霍爾元件失調電壓的產生及抑制失調電壓的措施，最後探討了霍爾器件的應用領域及發展方向。
關鍵詞 霍爾元件；失調電壓；發展方向
0 引言
傳感器技術作為現代信息社會的三大支柱技術之一，被廣泛地應用於國民經濟的各個領域，霍爾傳感器就是其中應用非常廣泛的一類，它是一種基於霍爾效應的磁敏傳感器，它不僅用於測量電壓、電流、功率和磁感應強度等電磁參數，在非電量測量技術中還廣泛應用於測量力、力矩、壓力、應力、位置、位移、速度、加速度、角度、角速度、轉數、轉速等非電量參數。由於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 霍爾元件的製作材料
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，易於本徵激發，因此它的溫度穩定性差，無法在高溫環境下使用；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，能在較寬的溫度範圍內工作，同時磁場線性度也是最好的。
1.2 霍爾元件失調電壓的產生及抑制
1.2.1 霍爾元件失調電壓的產生
在直流狀態下，霍爾元件可以看作是一個由分布電阻構成的文氏橋，如圖1所示，當在H1端接電源VCC，H3端接地，理想情況時，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。當有磁場作用於霍爾元件時，就會在H2和H4的兩端產生感應電勢，感應電勢的極性是由磁場方向和電流方向共同決定，這個感應電勢經過放大、控制處理後就可以去驅動輸出電路。
實際的霍爾元件由於材料的各向異性、雜質分布的不均勻、幾何結構的非對稱以及壓阻效應等的影響，在有電流流過時，即使沒有外加磁場，其輸出電勢差也不為零，這個電勢差就是霍爾元件的失調電壓VOS。
霍爾元件失調電壓的產生主要包括兩個方面，一個是工藝的原因，包括材料的各向異性、雜質擴散的不均勻、幾何結構的非對稱等。另一個原因是外界機械壓力通過壓阻效應引起的，通常是在封裝時造成的。
1.2.2 霍爾元件失調電壓的抑制
本文研究的抑制失調電壓的方法為正交電流法，正交電流法就是在一個霍爾元件上，交替地改變輸入電流的通路，使輸出感應電壓周期性地分別從兩對正交的埠輸出，利用感應電壓和失調電壓極性的不同變化，實現對失調電壓和霍爾電勢的分離。只需一個霍爾元件，即可實現對磁場信號的檢測和對失調電壓與感應電壓的分離，在信號檢測電路之後採用一個斬波穩定放大器實現對霍爾元件失調電壓的抑制，同時實現對有效信號霍爾電勢的放大，此外這種斬波穩定放大電路不但可以對自身失調電壓實現抑制而且具有非常高的輸入阻抗。
在時鐘正半周，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生如圖所示極性的感應電壓；在時鐘的負半周，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生如圖所示極性的感應電壓。假設在同一時鐘的高、低電平時分別把Hl和H2連接至後級差分放大器的同一個輸入端，而H3和H4則連接至差分放大器的另一個輸入端，則在同一時鐘信號的高、低電平時，接入到差分放大器的霍爾感應電勢的極性是相反的，而失調電壓的極性則總是相同的，這可以通過以下的假定來說明。假定此時的失調電壓是由於某種原因(如壓阻效應)導致Hl、H2端之間的等效電阻變大，由於Rl=R3=R4=R，R2>R，則圖2(a)所示電路的失調電壓VH2H4也為(R/(R+R2)-1/2)·VCC，其極性與此時的感應電壓的極性相同；圖2(b)所示電路的失調電壓VH1H3也為(R/(R+R2)-1/2)·VCC，其極性與此時的感應電壓的極性相反，即在同一個時鐘的高、低電平時，霍爾元件的失調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後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電壓，但在每個時鐘周期內，都是一個半周為霍爾電壓和失調電壓的和，另一個半周為它們的差，因此，要得到霍爾電壓、抑制失調電壓就可以根據失調電壓在這兩個半周內的極性分別採用相加或相減的方法來實現。在失調電壓極性不變時，採用相減的方法，在失調電壓相反時採用相加的方法。經仿真證明具有很好的效果。
2 霍爾元件應用及發展方向
霍爾傳感器不僅用於測量電壓、電流、功率和磁感應強度等電磁參數，還廣泛應用於測量直線位移、角位移、轉速和壓力等非電量參數。隨著該技術的推廣，其應用領域將越來越廣，已被廣泛的應用在航天、航空、機械、能源、石油、化工、醫療、汽車、公安防範、儀器儀表、辦公自動化、交通運輸等領域，在各種信息採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，其主要發展方向：一是加強開展基礎研究，重點研究新材料和新工藝；二是朝著微型化、集成化方向發展；三是朝著實現高靈敏度、高精度、高穩定性、低溫漂、微功耗、智能化和多功能化方向發展。
參考文獻
［1］高橋清,莊慶德.展望21世紀新技術革命中的傳感器[J].傳感器技術,2001(01):1-3.
［2］塗有瑞.半導體磁場傳感器的過去和未來[J].傳感器世界,2003(07):1-10.
［3］Alan Hastings. The Art of Analog Layout[M].清華大學出版社,2004:227-230.
［4］白韶紅.集成霍爾傳感器的發展[J].自動化儀表,2003(03):l-9.
［5］薛同蓮.CMOS霍爾傳感器的設計與參數優化[D].上海大學,2007,1:8-12.
［責任編輯：楊玉潔］
（1.山東航天電子技術研究所，山東 煙台 264000；2.中國農業大學〈煙台〉理工學院，山東 煙台 264000）
【摘要】本文概述了霍爾元件的製作材料，研究了霍爾元件失調電壓的產生及抑制失調電壓的措施，最後探討了霍爾器件的應用領域及發展方向。
關鍵詞 霍爾元件；失調電壓；發展方向
0 引言
傳感器技術作為現代信息社會的三大支柱技術之一，被廣泛地應用於國民經濟的各個領域，霍爾傳感器就是其中應用非常廣泛的一類，它是一種基於霍爾效應的磁敏傳感器，它不僅用於測量電壓、電流、功率和磁感應強度等電磁參數，在非電量測量技術中還廣泛應用於測量力、力矩、壓力、應力、位置、位移、速度、加速度、角度、角速度、轉數、轉速等非電量參數。由於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 霍爾元件的製作材料
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，易於本徵激發，因此它的溫度穩定性差，無法在高溫環境下使用；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，能在較寬的溫度範圍內工作，同時磁場線性度也是最好的。
1.2 霍爾元件失調電壓的產生及抑制
1.2.1 霍爾元件失調電壓的產生
在直流狀態下，霍爾元件可以看作是一個由分布電阻構成的文氏橋，如圖1所示，當在H1端接電源VCC，H3端接地，理想情況時，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。當有磁場作用於霍爾元件時，就會在H2和H4的兩端產生感應電勢，感應電勢的極性是由磁場方向和電流方向共同決定，這個感應電勢經過放大、控制處理後就可以去驅動輸出電路。
實際的霍爾元件由於材料的各向異性、雜質分布的不均勻、幾何結構的非對稱以及壓阻效應等的影響，在有電流流過時，即使沒有外加磁場，其輸出電勢差也不為零，這個電勢差就是霍爾元件的失調電壓VOS。
霍爾元件失調電壓的產生主要包括兩個方面，一個是工藝的原因，包括材料的各向異性、雜質擴散的不均勻、幾何結構的非對稱等。另一個原因是外界機械壓力通過壓阻效應引起的，通常是在封裝時造成的。
1.2.2 霍爾元件失調電壓的抑制
本文研究的抑制失調電壓的方法為正交電流法，正交電流法就是在一個霍爾元件上，交替地改變輸入電流的通路，使輸出感應電壓周期性地分別從兩對正交的埠輸出，利用感應電壓和失調電壓極性的不同變化，實現對失調電壓和霍爾電勢的分離。只需一個霍爾元件，即可實現對磁場信號的檢測和對失調電壓與感應電壓的分離，在信號檢測電路之後採用一個斬波穩定放大器實現對霍爾元件失調電壓的抑制，同時實現對有效信號霍爾電勢的放大，此外這種斬波穩定放大電路不但可以對自身失調電壓實現抑制而且具有非常高的輸入阻抗。
在時鐘正半周，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生如圖所示極性的感應電壓；在時鐘的負半周，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生如圖所示極性的感應電壓。假設在同一時鐘的高、低電平時分別把Hl和H2連接至後級差分放大器的同一個輸入端，而H3和H4則連接至差分放大器的另一個輸入端，則在同一時鐘信號的高、低電平時，接入到差分放大器的霍爾感應電勢的極性是相反的，而失調電壓的極性則總是相同的，這可以通過以下的假定來說明。假定此時的失調電壓是由於某種原因(如壓阻效應)導致Hl、H2端之間的等效電阻變大，由於Rl=R3=R4=R，R2>R，則圖2(a)所示電路的失調電壓VH2H4也為(R/(R+R2)-1/2)·VCC，其極性與此時的感應電壓的極性相同；圖2(b)所示電路的失調電壓VH1H3也為(R/(R+R2)-1/2)·VCC，其極性與此時的感應電壓的極性相反，即在同一個時鐘的高、低電平時，霍爾元件的失調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後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電壓，但在每個時鐘周期內，都是一個半周為霍爾電壓和失調電壓的和，另一個半周為它們的差，因此，要得到霍爾電壓、抑制失調電壓就可以根據失調電壓在這兩個半周內的極性分別採用相加或相減的方法來實現。在失調電壓極性不變時，採用相減的方法，在失調電壓相反時採用相加的方法。經仿真證明具有很好的效果。
2 霍爾元件應用及發展方向
霍爾傳感器不僅用於測量電壓、電流、功率和磁感應強度等電磁參數，還廣泛應用於測量直線位移、角位移、轉速和壓力等非電量參數。隨著該技術的推廣，其應用領域將越來越廣，已被廣泛的應用在航天、航空、機械、能源、石油、化工、醫療、汽車、公安防範、儀器儀表、辦公自動化、交通運輸等領域，在各種信息採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，其主要發展方向：一是加強開展基礎研究，重點研究新材料和新工藝；二是朝著微型化、集成化方向發展；三是朝著實現高靈敏度、高精度、高穩定性、低溫漂、微功耗、智能化和多功能化方向發展。
參考文獻
［1］高橋清,莊慶德.展望21世紀新技術革命中的傳感器[J].傳感器技術,2001(01):1-3.
［2］塗有瑞.半導體磁場傳感器的過去和未來[J].傳感器世界,2003(07):1-10.
［3］Alan Hastings. The Art of Analog Layout[M].清華大學出版社,2004:227-230.
［4］白韶紅.集成霍爾傳感器的發展[J].自動化儀表,2003(03):l-9.
［5］薛同蓮.CMOS霍爾傳感器的設計與參數優化[D].上海大學,2007,1:8-12.
［責任編輯：楊玉潔］
收藏