CN101290233A - 霍尔效应电路的温度补偿方法及其电路 - Google Patents

Abstract

一种霍尔效应电路的温度补偿方法及其电路，是将与霍尔迁移率的温度系数变化成正比关系相互跟随的正温度系数电压调节器作为霍尔效应电路的偏置电压。电路中包括电源保护器、内部电路电源、霍尔电压生成单元、霍尔电压放大单元、施密特触发器、输出驱动器，一正温度系数温度电压调节器连接在内部电路电源，用于给其他电路单元供电。本发明中霍尔迁移率随着温度的变化关系就会和电压调节器的随温度变化的变化关系相互跟随，从而使得霍尔灵敏度在较宽的温度范围内随温度的变化很小，也就得霍尔传感器电路可以工作在高温的状态。本发明能够在使用较少的元器件同时，满足霍尔效应电路温度范围工作的性能要求。

Description

霍尔效应电路的温度补偿方法及其电路

【技术领域】

本发明涉及霍尔效应电路，特别是霍尔效应电路中的一种的温度补偿方法及其电路。

【背景技术】

在一块定向(X，Y，Z)的半导体薄片上，如果沿X轴方向通电，在和片子表面垂直的Y轴方向加上磁场B，则在薄片的Z轴横向两侧会出现一个电压，这种现象就是霍尔效应，是由科学家爱德文·霍尔在1879年发现的。以此为基础的霍尔传感器已发展成一个品种多样的磁传感器产品家族，被越来越多地应用于工业控制的各个领域。

常规的霍尔效应开关电路如图1所示，它由电池接反保护100、电压调节器(内部电路的电源)101、霍尔薄片(霍尔电压生成单元)102、放大器(霍尔电压放大单元)103、施密特触发器(开关信号产生单元)104和输出驱动105组成。常规设计中，电压调节器100设计成不随外加电源电压变化、不随温度变化的参考电压(偏置电压，下同)，例如2.5V。众所周知，霍尔系数K_H＝ρμ，由于半导体材料的电阻率ρ和迁移率μ都是温度的函数且温度系数较大，因此产生霍尔电压的半导体材料(例如硅)的电阻随着温度的升高呈现较大的增加，这样当一个固定电压(如图1中的电压调节器101)加在霍尔片(Hall Plate)上时，随着温度升高导致流过霍尔片的电流逐渐减小，所以霍尔敏感度(单位控制电流和单位磁感应强度时产生的霍尔电压的大小称为霍尔元件的灵敏度)就随着温度的升高以较快的速度降低。在许多应用中，霍尔灵敏度的较大大改变是不可以接受的。现有技中的霍尔传感器电路的工作范围一般只有-20～85℃，但在车用电路中要求霍尔传感器电路的工作范围达到-40～150℃甚至更宽的温度范围。为此有必要找到一种对霍尔电压和霍尔灵敏度进行补偿的方法以使得霍尔传感器可以工作在更宽的温度范围。

在美国专利US4521727提出了一种霍尔效应温度补偿方法，该方法需要温度系数很小的如C_rS_i薄膜电阻(又称零温度系数电阻)，然而这种可制造所谓零温度系数电阻的半导体工艺是很少有的，而且也增加了相应的制造成本。

【发明内容】

本发明所要解决的技术问题是克服上述现有技术中所存在的缺陷，提供一种霍尔效应电路的温度补偿方法及其电路。

本发明所提出的霍尔效应电路的温度补偿方法是将与霍尔迁移率的温度系数变化成正比关系相互跟随的正温度系数电压调节器作为霍尔效应电路的偏置电压。

根据上述霍尔效应电路的温度补偿方法所涉及的电路中，它包括电源保护器、内部电路电源、霍尔电压生成单元、霍尔电压放大单元、施密特触发器、输出驱动器，其特征在于：一正温度系数温度电压调节器连接在内部电路电源，用于给其他电路单元供电。

本发明的核心是采用和霍尔迁移率的温度系数成一定关系的正温度系数的电压调节器作为霍尔片的偏置电压，并将这具有参考电压特性的正温度系数电压调节器连接霍尔效应电路内部电路电源。这样，霍尔迁移率随着温度的变化关系就会和电压调节器的随温度变化的变化关系相互跟随，从而使得霍尔灵敏度在较宽的温度范围内随温度的变化很小，也就得霍尔传感器电路可以工作在高温的状态。本发明能够在使用较少的元器件同时，满足霍尔效应电路温度范围工作的性能要求。

【附图说明】

图1为现有技术中常规霍尔传感器的电路；

图2为本发明实施例示出的具有温度补偿的霍尔效应电路框图；

图3为图2中具有温度补偿作用的调压调节器的电路结构图。

【具体实施方式】

以下结合实施例以及附图对本发明作进一步的描述。

在霍尔效应电路中，霍尔片的敏感度可以表达成如下公式：

$S_H=\frac{V_H}{B_Z}=\frac{r_n}{\mathrm{qt}\left(N_D\right)}\left(G_T\right)\left(I_Y\right)---\left(1\right)$

式中：

B_Z表示垂直加在霍尔片上的磁通量密度；

q表示电子电荷；

N_D表示霍尔片中的N型载流子密度；

t表示霍尔薄片的厚度；

V_H表示霍尔电压；

I_Y表示流过霍尔片的电流；

G_T表示霍尔片的几何因子；

$r_n=\frac{\mathrm{HallMobility}}{\mathrm{Driftmobility}}=\frac{{\mathrm{\μ}}_H}{{\mathrm{\μ}}_n},$ μ_H和μ_n分别表示霍耳迁移率和漂移迁移率。

在霍尔片中的流过的电流可表示为：

$I_Y=\frac{V_a}{R_H},$ 这里V_a代表加在霍尔片上的电压；R_H代表霍尔片的电阻。霍尔片的电阻又可表示为： $R_H=\left(\frac{\mathrm{\ρ}}{t}\right)\left(\frac{L}{W}\right),$ 这里ρ代表电阻率，L和W代表霍尔片的长度和宽度。由于 $\frac{\mathrm{\ρ}}{t}=\frac{1}{\left(q{\mathrm{\μ}}_n\right)\left(N_D\right)\left(t\right)},$ 于是霍尔敏感度可表示为：

$S_H=\frac{V_H}{B_Z}=\left({\mathrm{\μ}}_H\right)\left(G_T\right)\left(V_a\right)\left(\frac{W}{L}\right)---\left(2\right)$

如果把上式表示成与温度相关的形式，则有：

$S_H\left(T\right)-\frac{V_H\left(T\right)}{B_Z}=\left[{\mathrm{\μ}}_H\left(T\right)\right]\left(G_T\right)\left(V_a\right)\left(\frac{W}{L}\right)---\left(3\right)$

从上面的等式可以看出，霍尔灵敏度正比于霍尔迁移率和加在霍尔片上的偏置电压。当加在霍尔片上的偏置电压V_a恒定不变时，由于霍尔迁移率存在较大的温度效应导致霍尔灵敏度随着温度的改变而较大的改变。

霍尔迁移率可表示为：

μ_H(T)＝μ_H(T₀)/(1+α×ΔT)        (4)

其中μ_H(T₀)表示参考温度(一般指室温25℃)下的霍耳迁移率；α代表霍尔迁移率的温度系数，ΔT＝T-T₀。

在常规设计的霍尔效应电路中，加在霍尔片上的偏置电压，往往设计成一个不随电源电压变化、不随温度变化的参考电压或称电压调节器。

如果把加在霍尔片上的偏置电压设计成一个不随电源电压变化但随温度以一定关系变化的参考电压V_a(T)，那么就可补偿霍耳迁移率的温度效应，就可使得霍尔灵敏度在更宽的温度范围内随温度的变化很小。

由等式(3)和(4)可以看出，如果：

V_a(T)＝[V_a(T₀)](1+α×ΔT)    (5)

V_a(T₀)表示参考温度(一般指室温25℃)下的加在霍尔片上的参考电压值。把(5)和(4)式代入(3)式，得到，

$S_H\left(T\right)=\left[{\mathrm{\μ}}_H\left(T_0\right)\right]\left(G_T\right)\left[V_a\left(T_0\right)\right]\·\left(\frac{W}{L}\right)---\left(6\right)$

从而霍尔灵敏度不再依赖于温度，即霍尔灵敏度不再随着温度的改变而改变。

本发明设计思想的核心是采用和霍尔迁移率的温度系数成一定关系的正温度系数的电压调节器作为霍尔片的偏置电压，霍尔迁移率随着温度的变化关系就会和电压调节器的随温度变化的变化关系相互跟随，从而使得霍尔灵敏度在较宽的温度范围内随温度的变化很小，也就得霍尔传感器电路可以工作在高温的状态。

霍尔效应温度补偿方法的实施步骤：

(1)测试制作霍尔元件的材料的霍耳迁移率和温度系数，本发明的所提到的霍尔元件采用集成电路常用的硅材料。霍耳迁移率测试方法可采用变温霍尔效应实验仪，根据实验结果计算出霍尔迁移率及其温度系数μ_H(T)＝μ_H(T₀)/(1+α×ΔT)，其中α代表霍耳迁移率的温度系数。具体测试方法在国家标准GB/T 4326-1984《非本征半导体单晶霍尔迁移率和霍尔系数的测量方法》中有详细说明；

(2)根据霍尔效应电路中其它单元电路要求设置一不随电源电压变化，而随着温度的变化遵循下述式(5)的参考电压：V_a(T)＝[V_a(T₀)](1+α×ΔT)，其中α代表霍耳迁移率的温度系数。例如2.5V输出的参考电压电路单元，参考电路的特点是几乎不随电源电压变化，而随着温度的变化遵循上面所述等式(5)：

(3)将上述具有参考电压特性的正温度系数电压调节器作为霍尔效应电路的偏置电压。

基于上面理论设计生产出来的霍尔效应电路灵敏度温度系数的调整。由于在上面理论推导中采用的是一级效应关系式，忽略了一些二级效应，这是对理论设计结果与实际测试结果对比后进行修正的过程。

本设计思想的核心是采用和霍尔迁移率的温度系数成一定关系的正温度系数的电压调节器作为霍尔片的偏置电压，该电压调节器输出电压和温度的关系为V_a(T)＝[V_a(T₀)](1+α×ΔT)，其中，α为霍耳迁移率的温度系数。那么霍尔迁移率随着温度的的变化关系就会和电压调节器的随温度变化的变化关系相互跟随，从而使得霍尔灵敏度在较宽的温度范围内随温度的变化很小，使得霍尔传感器电路可以工作在高温的状态。

图2是本发明霍尔效应电路温度补偿方法的一实施例，它由电源保护器200、内部电路的电源201、霍尔电压生成单元(霍尔薄片)202、霍尔电压放大单元(放大器)203、施密特触发器(开关信号产生单元)204、输出驱动器205所构成，一正温度系数温度电压调节器(补偿单元)(206)连接在内部电路电源(201)上，用于给其他电路单元供电。

图3示出了图2中正温度系数的电压调节器结构的一个实施例示意图。它由正温度系数电流源301、可调电阻302、产生负温度系数的NPN晶体管304组成。

该NPN晶体管基极与集电极相连接，发射极接在地线305上，正温度系数电流源301与可调电阻302串连连接后，与NPN晶体管基极与集电极的公共端相连接。

在输出端303的是V_reg(T)＝I_p(T)R+V_BE，

式中I_p(T)是和温度成正比的恒流源，也称PTAT源，实际电路中一般采用两个面积不同的NPN晶体管的BE电压差ΔV_BE/R，此外很多已经共知的电路结构都可实现正温度系数恒流源这一目的。

以上所述的实施例仅为说明本发明的技术思想及特点，其目的在使本领域技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此来限定本发明的保护范围，即依本发明所揭示的精神所作的均等变化或修饰，仍应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (4)

1、一种霍尔效应电路的温度补偿方法，其特征在于：将与霍尔迁移率的温度系数变化成正比关系相互跟随的正温度系数电压调节器作为霍尔效应电路的偏置电压。

2、根据权利要求1所述的霍尔效应电路的温度补偿方法，其特征在于它包括如下步骤：

a.测试霍尔元件材料的霍耳迁移率和温度系数，霍尔迁移率为：

μ_H(T)＝μ_H(T₀)/(1+α×ΔT)(4)

式(4)中μ_H(T₀)表示参考温度(一般指室温25℃)下的霍耳迁移率，α代表霍尔迁移率的温度系数，ΔT＝T-T₀；

b.根据霍尔效应电路中其它单元电路要求设置一不随电源电压变化，而随着温度的变化遵循下述式(5)的参考电压：

V_a(T)＝[V_a(T₀)](1+α×ΔT)(5)

式(5)中V_a(T₀)表示参考温度(一般指室温25℃)下加在霍尔片上的参考电压值，α代表霍耳迁移率的温度系数；

c.将上述步骤b中具有参考电压特性的正温度系数电压调节器作为霍尔效应电路的偏置电压。

3、上述霍尔效应电路的温度补偿方法所涉及的电路，包括电源保护器(200)、内部电路电源(201)、霍尔电压生成单元(202)、霍尔电压放大单元(203)、施密特触发器(204)、输出驱动器(205)，其特征在于：一正温度系数温度电压调节器(补偿单元)(206)连接在内部电路电源(201)上，用于给其他电路单元供电。

4、根据权利要求3所述的电路，其特征在于：所述的正温度系数温度电压调节器包括正温度系数电流源(301)、可调电阻(302)、以及可产生负温度系数的NPN晶体管(304)构成，该NPN晶体管基极与集电极相连接，发射极接在地线(305)上，正温度系数电流源(301)与可调电阻(302)串连连接后，与NPN晶体管基极与集电极的公共端相连接。

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