CN113411074B - 霍尔传感器开关及电子设备 - Google Patents

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Abstract

本申请公开一种霍尔传感器开关和电子设备，所述霍尔传感器开关包括：霍尔元件，具有第一控制端、第二控制端、第一输出端以及第二输出端，所述第一控制端与电源电压之间串联有第一电阻，所述第二控制端接地；比较模块，连接至所述霍尔元件的所述第一输出端和第二输出端，根据所述第一输出端和所述第二输出端之间的差分电压的大小，输出相应的开关控制信号；温度补偿模块，用于向所述第一输出端输入补偿电流，使得所述比较模块输出的开关控制信号发生翻转时所对应的磁场大小与所述霍尔元件灵敏度的温度系数无关。上述霍尔传感器开关的稳定性较高。

Description

霍尔传感器开关及电子设备
技术领域
本申请涉及霍尔传感技术领域，具体涉及一种霍尔传感器开关及一种电子设备。
背景技术
霍尔器件是一种基于霍尔效应原理制作的磁性传感器，霍尔效应是电磁效应的一种，当电流垂直于外磁场通过导体时，导体内垂直于电流和磁场的方向会产生一附加电场，从而在导体的两端产生电势差，这一现象就是霍尔效应，这个电势差被称为霍尔电势差。
霍尔传感器开关内部集成了霍尔器件，此类传感器开关具有功耗小、灵敏度高、输入输出隔离度高等特点，已经被广泛应用于工业、通信和仪器制造等领域。
请参考图1，为单极(南极)性霍尔开关功能图。当磁铁的南极靠近霍尔传感器开关芯片表面，当芯片感应到的磁场强度大于磁场阈值BOP时，霍尔传感器开关的输出由高电平变成低电平。
在很多应用领域，都要求霍尔传感器开关工作在较宽的温度范围内。例如，在汽车行业的传感器开关产品中，要求工作温度范围是-40℃～125℃，在军工行业的传感器开关产品中，要求工作温度范围是-55℃～150℃，较大的工作温度范围对于霍尔传感器开关的温度特性要求很高。霍尔传感器开关最重要的参数就是灵敏度，要求霍尔开关在宽范围温度范围内都保持稳定的灵敏度，则需要霍尔开关灵敏度的温度系数较小。
现有技术中的霍尔传感器开关当外部的温度发生变化时，霍尔器件的灵敏度会发生变化，导致检测结果发生一定的偏差，无法满足宽工作温度范围的要求。
发明内容
鉴于此，本申请提供一种霍尔传感器开关及电子设备，以解决现有的霍尔传感器开关稳定性较差的问题。
本申请提供一种霍尔传感器开关，包括：霍尔元件，具有第一控制端、第二控制端、第一输出端以及第二输出端，所述第一控制端与电源电压之间串联有第一电阻，所述第二控制端接地；比较模块，连接至所述霍尔元件的所述第一输出端和第二输出端，根据所述第一输出端和所述第二输出端之间的差分电压的大小，输出相应的开关控制信号；温度补偿模块，用于向所述第一输出端输入补偿电流，使得所述比较模块输出的开关控制信号发生翻转时，所对应的磁场大小与所述霍尔元件灵敏度的温度系数无关。
可选的，所述比较模块包括第一放大器和与所述第一放大器的输出端连接的比较器；所述第一放大器的正输入端连接至所述霍尔元件的第二输出端，负输入端连接至所述霍尔元件的和第一输出端，输出端连接至所述比较器的两个输入端，用于将对所述第一输出端和第二输出端之间的差分电压放大后输出至所述比较器；所述比较器根据输入的差分电压大小，输出相应的开关控制信号。
可选的，所述温度补偿模块包括：串联于电源电压与固定电位端之间的第二电阻，所述固定电位端具有固定电位，且连接至所述霍尔元件的第一输出端；所述第二电阻的与所述霍尔元件在相同的温度下具有相同的电子迁移率。
可选的，所述温度补偿模块还包括：钳位放大器，所述钳位放大器的正输入端连接至所述霍尔元件的第一控制端，负输入端连接至所述固定电位端，且所述钳位放大器的输出端连接至所述钳位放大器的负输入端。
可选的，所述固定电位端与所述霍尔元件的第一输出端之间连接有开关元件，所述钳位放大器的输出端连接至所述开关元件的控制端。
可选的，所述开关元件为PMOS晶体管，所述钳位放大器的输出端连接至所述PMOS晶体管的栅极，所述PMOS晶体管的源极连接至所述钳位放大器的负输入端，所述PMOS晶体管的漏极连接至所述霍尔元件的第一输出端。
可选的，所述第二电阻与所述霍尔元件的电阻类型一致。
可选的，所述第二电阻为方块电阻。
可选的，所述比较模块输出的开关控制信号发生翻转时，对应的电磁场大小为B，
Figure BDA0003160449130000031
其中，R0为第一电阻的阻值，q为电荷常数，n为电子浓度，W为第二电阻的宽度，L为第二电阻的长度，d为第二电阻的厚度，v为电荷运动速度，W′为霍尔盘的宽度，L′为霍尔盘的长度。
可选的，所述霍尔元件为正方形的霍尔盘，所述第一控制端和第二控制端分别位于其中两个相对的顶角，所述第一输出端和第二输出端位于另外两个相对的顶角。
本申请还提供一种电子设备，包括上述任一项所述的霍尔传感器开关。
本申请上述霍尔传感器开关通过补偿电路，向霍尔元件的一个输出端输入补偿电流，使得所述比较模块输出的开关控制信号发生翻转时，所对应的磁场大小与所述霍尔元件灵敏度的温度系数无关。在其他模块的温度稳定性较高的情况下，所述霍尔传感器开关的灵敏度也能够保证较高的稳定性。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是单极性霍尔传感器开关的功能示意图；
图2是传统的霍尔传感器开关的内部结构示意图；
图3是本申请一实施例的霍尔传感器开关的结构示意图；
图4是本申请一实施例的霍尔传感器开关的结构示意图。
具体实施方式
如背景技术中所述，现有的霍尔传感器开关的灵敏度随温度会发生变化，无法满足宽温度范围的要求。
请参考图2，为传统的霍尔传感器开关的内部结构示意图。
所述霍尔传感器开关的主体架构包括霍尔盘、放大器AMP和比较器COMP，处在电路中的霍尔盘可以等效为一个惠斯通电桥，其等效阻值设为RH，具有四个端口，H1～H4。H1端到H3端的电压为
Figure BDA0003160449130000041
当磁感应强度为B的磁场垂直加到霍尔盘上时，H4到H2输出霍尔电压为：
Figure BDA0003160449130000042
其中，KH为霍尔灵敏度。
霍尔电压VH经过放大器AMP放大后与参考电压Vref比较，则比较器的输入差分电压为：
Figure BDA0003160449130000043
其中，A为放大器AMP的放大倍数。
由式(2)可以得出，比较器COMP输入差分电压的温度系数基本由霍尔灵敏度的温度系数决定。由于霍尔盘内载流子浓度等随温度变化而变化，会导致霍尔盘的内阻、霍尔电势等也随温度变化而变化，从而导致霍尔器件的灵敏度发生变化，进而导致检测的结果也会有一定的偏差。
本发明提出一种新的霍尔传感器开关电路，提高霍尔传感器开关的灵敏度的稳定性。
下面结合附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而非全部实施例。基于本申请中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。在不冲突的情况下，下述各个实施例及其技术特征可以相互组合。
请参考图3，为本发明一实施例的霍尔传感器开关的结构示意图。
所述霍尔传感器开关包括霍尔元件110、比较模块120以及温度补偿模块130。
所述霍尔元件10包括第一控制端H1、第二控制端H3、第一输出端H2和第二输出端H4。所述第一控制端H1和第二控制端H3之间用于施加控制电压，形成第一控制端H1和第二控制端H3之间的控制电流。在施加电磁场B的情况下，会在第一输出端H2、第二输出端H4之间产生感应电流，从而在所述第一输出端H2和第二输出端H4之间产生霍尔电压VH。
该实施例中，所述第一控制端H1，连接至电源电压VDD，具体的，所述第一控制H1与所述电源电压VDD之间，串联第一电阻R0，通过所述第一电阻R0限制流过所述霍尔元件110的控制电流大小。所述第二控制端H3接地。
所述霍尔元件110为霍尔盘，具体的，所述霍尔元件100为正方形的霍尔盘。所述第一控制端H1和第二控制端H3分别位于其中两个相对的顶角，所述第一输出端H2和第二输出端H4位于另外两个相对的顶角。H1和H3直接的电流方向与H2和H4之间的电流相位相差90°。
所述比较模块120，连接至所述霍尔元件110的所述第一输出端H2和第二输出端H4，根据所述第一输出端H2和所述第二输出端H4之间的差分电压Vin的大小，输出相应的开关控制信号VO。当所述差分电压Vin为0时，所述开关控制信号VO发生翻转，即从高电平变为低电平，或者从低电平变为高电平。
所述温度补偿模块130，用于向所述第一输出端H2输入补偿电流，使得所述霍尔元件110的第一输出端H2与第二输出端H4之间的差分电压Vin为0时，所对应的磁场大小与所述霍尔元件灵敏度的温度系数无关。在其他模块的温度稳定性较高的情况下，所述霍尔传感器开关的灵敏度也能够保证较高的稳定性。
由于补偿电流的输入，使得所述第一输出端H2与第二输出端H4之间的差分电压Vin为在霍尔电流产生的霍尔电压基础上再减去补偿电流在所述第一输出端H2产生的电压。通过向所述霍尔元件110输入合适的补偿电流，可以消除开关控制信号VO发生翻转时的磁场阈值与霍尔元件110的温度系数之间的关系，从而提高霍尔传感器开关的灵敏度的稳定性。具体的，所述补偿电流可以与一电阻成反比，且所述电阻与所述霍尔元件110具有相同的电子迁移率。
请参考图4，为本发明另一实施例的霍尔传感器开关的结构示意图。
该实施例中，所述比较模块120包括第一放大器AMP1和与所述第一放大器AMP1的输出端连接的比较器COMP。
所述第一放大器AMP1的正输入端连接至所述霍尔元件110的第二输出端H4，负输入端连接至所述霍尔元件110的第一输出端H2，输出端连接至所述比较器COMP的两个输入端，用于将对所述第一输出端H2和第二输出端H4之间的差分电压Vin放大后输出至所述比较器COMP。所述比较器COMP根据输入的差分电压大小，输出相应的开关控制信号VO。
所述温度补偿模块130包括：串联于电源电压VDD与固定电位端B之间的第二电阻R1，所述固定电位端B具有固定电位，且连接至所述霍尔元件110的第一输出端H2。所述温度补偿模块130输出的补偿电流大小I＝VB/R1，与所述第二电阻R1的阻值R1成反比。所述第二电阻R1与所述霍尔元件110在相同的额温度下，具有相同的电子迁移率。具体的，所述第二电阻R1可以与所述霍尔元件110为相同的电阻类型。例如，所述第二电阻R1与所述霍尔元件110均为方块电阻。
所述固定电位端B可以通过连接至恒压电源或者钳位电路，使得所述固定电位端B具有固定的电位。该实施例中，所述温度补偿模块130还包括钳位放大器AMP2，用于将所述固定电位端B的电压钳位至固定值。具体的，所述钳位放大器AMP2的正输入端连接至所述霍尔元件110的第一控制端H1，负输入端与电源电压VDD之间串联有第二电阻R1，且连接至所述霍尔元件110的第一输出端H2，即第一电阻R0与所述霍尔元件110的连接端A，且所述钳位放大器AMP2的输出端连接至所述钳位放大器AMP2的负输入端。所述钳位放大器AMP2将负输入端即固定电位端B的电位VB，钳位至所述连接端A的电位VA，即VA＝VB。霍尔元件110的等效电阻值为RH，
Figure BDA0003160449130000071
则，经过第二电阻R1至所述第一输出端H2的补偿电流为I1，
Figure BDA0003160449130000072
霍尔元件110等效为一个惠斯通电桥，每个桥臂的电阻为RH，第一输出端H2和第二输出端H4之间由于磁场B产生霍尔电压VH,
Figure BDA0003160449130000073
由于补偿电流I1的输入，所述第一输出端H2和第二输出端H4向所述第一放大器AMP1的输入端输入差分电压Vin，
Figure BDA0003160449130000074
当Vin＝0时，式(6)化简可得到比较器COMP的翻转点磁场大小：
Figure BDA0003160449130000075
而第二电阻R1为方块电阻，
Figure BDA0003160449130000076
其中，q为电荷常数，n为电子浓度，un为电子迁移率，w为电阻的宽度，L为电阻的长度，d为电阻的厚度。
在恒压条件(即VA恒定的情况)下，霍尔元件110的灵敏度可表示为：
Figure BDA0003160449130000081
其中un为霍尔元件的电子迁移率，与第二电阻R1的迁移率相同。v为电荷运动速度，W′为霍尔元件110的宽度，L′为霍尔元件110的长度。由于R1与un成反比，KH与un成正比，式(7)中，R1与KH相乘，正好抵消了un的影响。
将式(8)、(9)代入式(7)可得比较器COMP的翻转点磁场大小：
Figure BDA0003160449130000082
由式(10)中可见，翻转点磁场B与温度相关的参数只有第一电阻R0的阻值，而与霍尔元件110的温度系数无关。即便随温度变化，霍尔元件110的电子迁移率发生变化而导致霍尔元件110的灵敏度发生变化，但是翻转点磁场B的大小也不会跟随霍尔元件110的灵敏度变化而变化。
为了尽可能降低温度变化对翻转点磁场B的影响，所述第一电阻R0可以采用温度系数很小的电阻类型，例如低温飘电阻，包括：箔电阻、薄膜电阻、箔电阻、金属膜电阻以及模压电阻等。比较器COMP的翻转点磁场B的大小随着温度的变化较小，可以得到一个稳定的磁场翻转点，从而提高了霍尔传感器开关的稳定性。
该实施例中，所述固定电位端B负输入端与所述霍尔元件110的第一输出端H2之间连接有开关元件，所述钳位放大器AMP2的输出端连接至所述开关元件的控制端。上述开关元件仅在所述钳位放大器AMP2处于正常工作状态时，所述开关元件导通，使得所述固定电位端B连接至所述第一输出端H2。该实施例中，所述开关元件为PMOS晶体管，所述钳位放大器的输出端连接至所述PMOS晶体管的栅极，所述PMOS晶体管的源极连接至所述钳位放大器AMP2的负输入端，所述PMOS晶体管的漏极连接至所述霍尔元件110的第一输出端H2。
在其他实施例中，也可以通过其他钳位电路，将所述固定电位端B的电位限定在固定电位值，所述钳位电路的具体结构在此不做限定，本领域技术人员可以根据需求进行合理的选择。
本发明的实施例还提供一种电子设备，包括如上述实施例中任一实施例所述的霍尔传感器开关。
以上所述仅为本申请的实施例，并非因此限制本申请的专利范围，凡是利用本申请说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，例如各实施例之间技术特征的相互结合，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本申请的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种霍尔传感器开关，其特征在于，包括：
霍尔元件，具有第一控制端、第二控制端、第一输出端以及第二输出端，所述第一控制端与电源电压之间串联有第一电阻，所述第二控制端接地；
比较模块，连接至所述霍尔元件的所述第一输出端和第二输出端，根据所述第一输出端和所述第二输出端之间的差分电压的大小，输出相应的开关控制信号；
温度补偿模块，用于向所述第一输出端输入补偿电流，使得所述比较模块输出的开关控制信号发生翻转时所对应的磁场大小与所述霍尔元件灵敏度的温度系数无关；所述温度补偿模块包括：串联于电源电压与固定电位端之间的第二电阻，所述固定电位端具有固定电位，且连接至所述霍尔元件的第一输出端；所述第二电阻的与所述霍尔元件在相同的温度下具有相同的电子迁移率。
2.根据权利要求1所述的霍尔传感器开关，其特征在于，所述比较模块包括第一放大器和与所述第一放大器的输出端连接的比较器；所述第一放大器的正输入端连接至所述霍尔元件的第二输出端，负输入端连接至所述霍尔元件的和第一输出端，输出端连接至所述比较器的两个输入端，用于将对所述第一输出端和第二输出端之间的差分电压放大后输出至所述比较器；所述比较器根据输入的差分电压大小，输出相应的开关控制信号。
3.根据权利要求1所述的霍尔传感器开关，其特征在于，所述温度补偿模块还包括：钳位放大器，所述钳位放大器的正输入端连接至所述霍尔元件的第一控制端，负输入端连接至所述固定电位端，且所述钳位放大器的输出端连接至所述钳位放大器的负输入端。
4.根据权利要求3所述的霍尔传感器开关，其特征在于，所述固定电位端与所述霍尔元件的第一输出端之间连接有开关元件，所述钳位放大器的输出端连接至所述开关元件的控制端。
5.根据权利要求4所述的霍尔传感器开关，其特征在于，所述开关元件为PMOS晶体管，所述钳位放大器的输出端连接至所述PMOS晶体管的栅极，所述PMOS晶体管的源极连接至所述钳位放大器的负输入端，所述PMOS晶体管的漏极连接至所述霍尔元件的第一输出端。
6.根据权利要求1所述的霍尔传感器开关，其特征在于，所述第二电阻与所述霍尔元件的电阻类型一致。
7.根据权利要求1所述的霍尔传感器开关，其特征在于，所述第二电阻为方块电阻。
8.根据权利要求7所述的霍尔传感器开关，其特征在于，所述比较模块输出的开关控制信号发生翻转时，对应的电磁场大小为B，
Figure FDA0003812114920000021
其中，R0为第一电阻的阻值，q为电荷常数，n为电子浓度，W为第二电阻的宽度，L为第二电阻的长度，d为第二电阻的厚度，v为电荷运动速度，W′为霍尔盘的宽度，L′为霍尔盘的长度。
9.根据权利要求1所述的霍尔传感器开关，其特征在于，所述霍尔元件为正方形的霍尔盘，所述第一控制端和第二控制端分别位于其中两个相对的顶角，所述第一输出端和第二输出端位于另外两个相对的顶角。
10.一种电子设备，其特征在于，包括：如权利要求1至9中任一项所述的霍尔传感器开关。
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