CN108534805B - 一种激光调值高精度霍尔传感器及其激光调值方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种激光调值高精度霍尔传感器及其激光调值方法，主要解决现有普通线性霍尔传感器灵敏度变化较大、散差较大；可编程霍尔传感器产品成本高、有时无法实现EEPROM的问题。该霍尔传感器包括霍尔片、温度调节电路、增益调节电路和补偿调节电路；温度调节电路包括缓冲跟随器一、缓冲跟随器二、可调电阻RIa、电阻RIb和运算放大器A1，所述可调电阻RIa和电阻RIb的数量均为两个；增益调节电路包括电阻RF、可调电阻R33和可调电阻R32，补偿调节电路包括可调电阻R30、可调电阻R31、电阻RX和电阻RF。同时，本发明还提供了基于上述霍尔传感器的激光调值方法。
Description
技术领域
本发明涉及线性霍尔传感器领域，具体涉及一种激光调值高精度霍尔传感器及其激光调值方法。
背景技术
线性霍尔传感器广泛应用于汽车、工厂自动化和新能源领域，用于测量位移、角度、速度和电流等物理量。半导体器件本身随温度的变化，特性会产生偏移，在半导体线性霍尔传感器制作过程中，由于不可避免的工艺偏差，导致传感器本身性能不一致，产生如下缺陷：1.线性霍尔传感器的灵敏度随温度变化较大；2.不同批次的霍尔传感器的灵敏度不一样；3.无磁场时，各个霍尔传感器的输出不一样，且散差较大，以上缺陷限制了线性霍尔传感器的高端应用。
为解决上述问题，德国Micronas、Infineon、比利时Melexis等公司开发了可编程霍尔传感器芯片，在芯片上集成了EEPROM，需客户自己对芯片现场编程纠正这些误差，但是此种方式导致了如下问题：1.EEPROM的集成电路模块不是标准工艺库中的模块，需单独购买，增加了产品成本；2.需要数字电路支撑该EEPROM，对于特定工艺，如双极工艺，无法实现数字功能，因此无法实现EEPROM；3.针对每个器件EEPROM的编程，不可避免地要耗费人力物力，并且对劳动力的要求较高，提高了芯片的使用成本。
发明内容
本发明的目的是解决现有普通线性霍尔传感器灵敏度变化较大、散差较大；可编程霍尔传感器产品成本高、有时无法实现EEPROM的问题，提供一种可满足零偏，高灵敏度和温度稳定性的激光调值高精度霍尔传感器及其激光调值方法。
本发明解决上述问题的技术方案是：
一种激光调值高精度霍尔传感器，包括霍尔片、温度调节电路、增益调节电路和补偿调节电路；所述温度调节电路包括缓冲跟随器一、缓冲跟随器二、可调电阻RIa、电阻RIb和运算放大器A1，所述可调电阻RIa和电阻RIb的数量均为两个；所述缓冲跟随器一的输入端和缓冲跟随器二的输入端分别与霍尔片的两个电压输出端连接，所述缓冲跟随器一的输出端通过可调电阻RIa、电阻RIb与运算放大器A1的正输入端连接，所述缓冲跟随器二的输出端通过可调电阻RIa、电阻RIb与运算放大器A1的负输入端连接，运算放大器A1的输出端为霍尔传感器的输出端；所述增益调节电路包括电阻RF、可调电阻R33和可调电阻R32，所述电阻RF的输入端与运算放大器A1的负输入端连接，输出端通过可调电阻R33接地，所述可调电阻R32的输入端与电阻RF的输出端连接，输出端与运算放大器A1的输出端连接；所述补偿调节电路包括可调电阻R30、可调电阻R31、电阻RX和电阻RF，所述可调电阻R30的输入端与霍尔片的电压输入端连接，输出端通过可调电阻R31接地，所述电阻RX的输入端与可调电阻R30的输出端连接，输出端通过电阻RF与运算放大器A1的正输入端连接。
进一步地，所述补偿调节电路设定霍尔传感器的传输函数为：
其中：Vout-霍尔传感器的输出电压；
VH-缓冲跟随器一或缓冲跟随器二的输出电压；
RI-补偿调节电路的等效输入电阻；
Vs-电源电压。
进一步地，所述可调电阻R32、可调电阻R33、可调电阻R30、可调电阻R31和可调电阻RIa均为CrSi薄膜电阻。
进一步地，所述霍尔片位于传感器芯片中心，以减小由于热应力和封装应力导致的零偏。
进一步地，所述电阻RF与霍尔片材料相同。
同时，本发明还提供一种基于上述激光调值高精度霍尔传感器的激光调值方法，包括以下步骤：
1)激光修调可调电阻RIa和电阻RIb，获得相应的温度系数；
2)霍尔片输出测点TP1-TP2短路，激光调整缓冲跟随器一和缓冲跟随器二的尾电阻，使得缓冲跟随器一和缓冲跟随器二的驱动电流一致，在没有磁场时，缓冲输出电压Vos在测点TP3-TP4处为0，确保缓冲跟随器一和缓冲跟随器二工作在完全对称状态下；
3)TP3-TP4短路，TP1-TP2处于开路状态，测量运算放大器A1内的尾电阻，确保运算放大器A1失调电压为0mv，确保差动运放的失调为零；
4)激光修调可调电阻R32、可调电阻R33，获得需要的灵敏度；
5)激光修调可调电阻R30、可调电阻R31，获得需要的零偏；
6)将霍尔传感器封装。
本发明的优点为：
1.本发明利用CrSi材料特有的低温度系数(接近0ppm每度)和稳定系数(批对批变化不超过10ppm每度)，霍尔传感器通过内部设定的温度调节电路、增益调节电路和补偿调节电路，可满足霍尔片的零偏，高灵敏度和温度稳定性的要求。
2.本发明霍尔传感器通过内部设定的电路实现纠正误差，不需要客户端编程，节省了产品的制造成本以及使用成本。
3.本发明霍尔传感器内部设定的电路适用于所有霍尔传感器，对于特定工艺，如双极工艺等无法实现数字功能的霍尔传感器同样适用。
4.本发明选用CrSi材料的近零温度系数且其温度系数特别稳定的特性，作为温度补偿电阻，消除霍尔片本身及其后续电路温度对霍尔传感器性能的影响，获得接近于温度系数的高精度霍尔传感器。
附图说明
图1为本发明霍尔传感器电路原理图。
具体实施方式
如图1所示的激光调值高精度霍尔传感器，霍尔片输出的差动电压信号经一对缓冲跟随器后，由带温度补偿的运算放大器放大，并设有一个补偿调节电路(即反馈控制网络)；本发明的霍尔传感器包括霍尔片、温度调节电路、增益调节电路和补偿调节电路。
温度调节电路包括缓冲跟随器一、缓冲跟随器二、可调电阻RIa、电阻RIb和运算放大器A1，可调电阻RIa和电阻RIb的数量均为两个；缓冲跟随器一的输入端和缓冲跟随器二的输入端分别与霍尔片的两个电压输出端连接，缓冲跟随器一的输出端通过可调电阻RIa、电阻RIb与运算放大器A1的正输入端连接，缓冲跟随器二的输出端通过可调电阻RIa、电阻RIb与运算放大器A1的负输入端连接，运算放大器A1的输出端为霍尔传感器的输出端。
增益调节电路包括可调电阻R32、可调电阻R33和电阻RF，电阻RF的输入端与运算放大器A1的负输入端连接，输出端通过可调电阻R33接地，可调电阻R32的输入端与电阻RF的输出端连接，输出端与运算放大器A1的输出端连接。
补偿调节电路包括可调电阻R30、可调电阻R31、电阻RX和电阻RF，可调电阻R30的输入端与霍尔片的电压输入端连接，输出端通过可调电阻R31接地，电阻RX的输入端与可调电阻R30的输出端连接，输出端通过电阻RF与运算放大器A1的正输入端连接。
可调电阻R30、可调电阻R31、可调电阻R32、可调电阻R33和可调电阻RIa均为CrSi薄膜电阻，其中霍尔片位于传感器芯片中心，以减小由于热应力和封装应力导致的零偏；霍尔片的输出电压经过缓冲跟随器，再经过一个带有频率补偿的开环运放以及一个电阻负反馈网络(即补偿调节电路)，补偿调节电路设定了霍尔传感器的传输函数如下：
其中：Vout-霍尔传感器的输出电压；
VH-缓冲跟随器一或缓冲跟随器二的输出电压；
RF-反馈电阻网络的电阻值；
Vs-电源电压；
RI-补偿调节电路的等效输入电阻；
RI代表RIa或者RIb，本发明RIa和RIb的值相等且分别代表差动放大器正端和负端的输入电阻。此处的核心是选择合适的输入电阻材料和阻值，这里RF采用与霍尔片材料一致的材料，这里采用外延电阻，因此RF本身的温度系数与霍尔片相互补偿，可以消除。另外，R30、R31、R32、R33为同样材料的电阻，其温度系数可以消除，根据以上公式(1)，电阻R30、
R31、R32、R33均为CrSi薄膜电阻，其温度系数可以消除；Vs为供电电压，没有温度系数，因此等式的后半部分不随温度变化，前半部分的RF为外延电阻；VH为霍尔电压，由外延电阻组成的电阻网络生成这二者可以互相消除，因此输出电压的温度系数完全由RI决定，鉴于Crsi有微小的负温度系数，这里RI由2部分组成，正温度的基极电阻和负温度CrSi电阻，经过一定比例组合，获得不随温度变化的输出Vout。
在RI中，CrSi电阻的温度系数为-20ppm每度，因此这里再选择一个正温度系数电阻的基极电阻，其温度系数为1000ppm，两者组合，可以获得0ppm的温度系数，这里Crsi的温度系数为-20ppm，基极电阻温度系数为1000ppm，Rcrsi/Rb＝1000/20，CrSi电阻和基极电阻按比例1:50组合，就可获得0ppm的温度系数)，从而获得灵敏度不随温度变化的传感器。
缓冲跟随器一和缓冲跟随器二的输出电压在全温度范围内为常数值；缓冲跟随器一和缓冲跟随器二的驱动电流与绝对温度成正比，而缓冲跟随器本身的输出阻抗具有负温度系数，这里正(驱动电流)负(输出阻抗)抵消，确保缓冲跟随器的输出阻抗不随温度变化，从而确保后续放大器的输入阻抗不随温度变化。
RI为补偿调节电路的等效输入电阻，这里RIa和RIb为缓冲跟随器后的差动放大器的输入阻抗，这里要求，RIa和RIb尽量相等，且RIa和RIb的温度系数由CrSi电阻和基极电阻按比例1:50组合，确保该电阻温度系数为0ppm，因而保证传感器的温度系数为零。
同时，本发明还提供一种高精度霍尔传感器的激光调值方法，包括以下步骤：
1)激光修调可调电阻RIa和RIb，获得相应的温度系数；根据上述公式(1)，由于RIa和RIb有2种电阻，(分别为CrSi电阻和基极电阻)组成，两种电阻本身有制作误差，因此，将CrSi电阻制作的比公称值小10％左右，在应用温度内(-40到150度)通过激光调阻可以获得要求的0ppm的温度系数；
2)霍尔元件输出TP1-TP2短路，激光调整缓冲跟随器的尾电阻，使得两个缓冲跟随器的驱动电流完全一样，从而在没有磁场的情况下，缓冲输出电压Vos在TP3-TP4处为0，这样确保两个缓冲跟随器工作在完全对称状态下，从而使得传感器具有最大的线性范围；
3)TP3-TP4短路，TP1-TP2处于开路状态，测量运算放大器A1内的尾电阻，确保运算放大器A1失调电压为0mv，确保差动运放的失调为零，使得传感器具有最大精度；
4)激光修调可调电阻R32、可调电阻R33，获得需要的灵敏度；根据上述公式(1)，可调电阻R32可增加传感器增益，可调电阻R33可减小传感器增益，根据实际测量值可以选择调值R32或R33；
5)激光修调可调电阻R30、可调电阻R31，获得需要的零偏；根据上述公式(1)，可调电阻R31可以调高零偏，调电阻R30可以调低零偏，从而确保没有磁场时传感器输出电压为供电电压的一半；
6)最后，将霍尔传感器封装。
本发明是基于CrSi薄膜电阻的激光调值高精度霍尔传感器，利用CrSi材料的该霍尔传感器可以在晶圆上修调零点偏移，零点的温度稳定性以及需要的灵敏度，以确保各个芯片性能一致和稳定，本发明霍尔传感器可满足零偏，灵敏度和温度稳定性的要求，且不需要客户端编程，节省了制造成本和使用成本。
Claims (5)
1.一种激光调值高精度霍尔传感器，其特征在于：包括霍尔片、温度调节电路、增益调节电路和补偿调节电路；
所述温度调节电路包括缓冲跟随器一、缓冲跟随器二、可调电阻RIa、电阻RIb和运算放大器A1，所述可调电阻RIa和电阻RIb的数量均为两个，分别为第一可调电阻RIa、第二可调电阻RIa和第一电阻RIb、第二电阻RIb；所述缓冲跟随器一的输入端和缓冲跟随器二的输入端分别与霍尔片的两个电压输出端连接，所述缓冲跟随器一的输出端依次通过第一可调电阻RIa、第一电阻RIb与运算放大器A1的正输入端连接，所述缓冲跟随器二的输出端依次通过第二可调电阻RIa、第二电阻RIb与运算放大器A1的负输入端连接，运算放大器A1的输出端为霍尔传感器的输出端；
所述增益调节电路包括第一电阻RF、可调电阻R33和可调电阻R32，所述第一电阻RF的输入端与运算放大器A1的负输入端连接，输出端通过可调电阻R33接地，所述可调电阻R32的输入端与电阻RF的输出端连接，输出端与运算放大器A1的输出端连接；
所述补偿调节电路包括可调电阻R30、可调电阻R31、电阻RX和第二电阻RF，所述可调电阻R30的输入端与霍尔片的电压输入端连接，输出端通过可调电阻R31接地，所述电阻RX的输入端与可调电阻R30的输出端连接，输出端通过第二电阻RF与运算放大器A1的正输入端连接；
所述可调电阻R32、可调电阻R33、可调电阻R30、可调电阻R31和可调电阻RIa均为CrSi薄膜电阻。
2.根据权利要求1所述的激光调值高精度霍尔传感器，其特征在于：所述补偿调节电路设定霍尔传感器的传输函数为：
其中：Vout-霍尔传感器的输出电压；
VH-缓冲跟随器一或缓冲跟随器二的输出电压；
RI-补偿调节电路的等效输入电阻；
Vs-电源电压。
3.根据权利要求2所述的激光调值高精度霍尔传感器，其特征在于：所述霍尔片位于传感器芯片中心。
4.根据权利要求3所述的激光调值高精度霍尔传感器，其特征在于：所述电阻RF与霍尔片材料相同。
5.基于权利要求1至4任一所述的激光调值高精度霍尔传感器的激光调值方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)激光修调可调电阻RIa和电阻RIb，获得相应的温度系数；
2)霍尔片正输出TP1-霍尔片负输出TP2短路，激光调整缓冲跟随器一和缓冲跟随器二的尾电阻，使得缓冲跟随器一和缓冲跟随器二的驱动电流一致，在没有磁场时，缓冲输出电压Vos在TP3-TP4处为0，确保缓冲跟随器一和缓冲跟随器二工作在完全对称状态下；
3)与霍尔片正输出连接的缓冲跟随器一的输出TP3-与霍尔片负输出连接的缓冲跟随器二的输出TP4短路，TP1-TP2处于开路状态，测量运算放大器A1内的尾电阻，确保运算放大器A1失调电压为0mv，确保差动运放的失调为零；
4)激光修调可调电阻R32、可调电阻R33，获得需要的灵敏度；
5)激光修调可调电阻R30、可调电阻R31，获得需要的零偏；
6)将霍尔传感器封装。
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| CN108534805A (zh) | 2018-09-14 |
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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