霍爾效應及其非線(xiàn)性修正(圖)

霍爾效應

當一塊通有電流的金屬或半導體薄片垂直地放在磁場(chǎng)中時(shí)，薄片的兩端就會(huì )產(chǎn)生電位差，這種現象就稱(chēng)為霍爾效應。兩端具有的電位差值稱(chēng)為霍爾電勢UH，其表達式為
UH=K·Ia·B/d

其中K為霍爾系數，Ia為薄片中通過(guò)的電流，B為外加磁場(chǎng)(洛倫茲力Lorrentz)的磁感應強度，d是薄片的厚度。由此可見(jiàn)，霍爾效應的靈敏度高低與外加磁場(chǎng)的磁感應強度成正比的關(guān)系。其中，磁場(chǎng)中金屬板的霍爾效應，純金屬的霍爾系數比較小，而半導體材料的霍爾系數要大幾個(gè)數量級，因此一般使用硅、鍺、砷化銦、銻化銦等半導體材料作為霍爾元件。

圖1 S-5711ANDL-I4T1G引腳排列圖

其中，無(wú)接觸傳感將是大勢所趨，在無(wú)接觸型傳感器中，憑借著(zhù)高可靠性等優(yōu)勢，霍爾效應傳感器(Hall Effect Sensor)在汽車(chē)領(lǐng)域也贏(yíng)得廣泛的應用空間?；魻栯娏鱾鞲衅鞯膬?yōu)點(diǎn)是電路形式簡(jiǎn)單，成本相對較低。缺點(diǎn)是精度，線(xiàn)性度較差，響應時(shí)間較慢，溫度漂移較大。本文主要針對霍爾電流傳感器的非線(xiàn)性問(wèn)題討論了減小非線(xiàn)性度的修正方法。

修正方法分析

現以集成S-5711ANDL-I4T1G霍爾傳感器為例說(shuō)明修正方法。

1 S-5711A簡(jiǎn)介

S-5711A系列是采用CMOS技術(shù)開(kāi)發(fā)的高靈敏度、低消耗電流的霍爾IC(磁性開(kāi)關(guān)IC)?？蓹z測出磁束密度的強度，使輸出電壓發(fā)生變化。通過(guò)與磁石的組合，可進(jìn)行各種設備的開(kāi)/關(guān)檢測。

①S-5711ANDL-I4T1G引腳排列圖如圖1所示。

②S-5711A工作特性

S-5711A系列霍爾集成傳感器的工作特性曲線(xiàn)如圖2所示。若將磁石靠近傳感器IC，針對此IC的標記面，當垂直方向的磁束密度超過(guò)BOPN或BOPS時(shí)，VOUT從“H”轉變?yōu)?/span>“L”；若將磁石遠離此IC，當磁束密度低于BRPN或BRPS時(shí)，VOUT從“L”轉變?yōu)?/span>“H”。

由霍爾開(kāi)關(guān)集成傳感器的一般工作特性可知，磁滯BH對開(kāi)關(guān)動(dòng)作的可靠性非常有利?；魻栭_(kāi)關(guān)集成傳感器的工作特性曲線(xiàn)反映了外加磁場(chǎng)與傳感器輸出電平的關(guān)系。當外加磁感應強度大于“開(kāi)”的磁感應強度時(shí)，輸出電平由高變低，傳感器處于開(kāi)狀態(tài)。當外加磁感應強度小于釋放點(diǎn)“關(guān)”的磁感應強度時(shí)，輸出電平由低變高，傳感器處于關(guān)狀態(tài)。

此類(lèi)傳感器的優(yōu)點(diǎn)是：不受磁石極性影響，可減少在生產(chǎn)組裝時(shí)的人為出錯；從機械式轉到IC開(kāi)關(guān)，其消耗電流低也是一個(gè)優(yōu)點(diǎn)。而其應用環(huán)境也很廣泛，主要包括手機（滑蓋/開(kāi)合蓋/翻蓋）等須以感應開(kāi)合蓋或開(kāi)合組件實(shí)現整機系統或模塊開(kāi)關(guān)功能的各種場(chǎng)合。

2 修正方法

圖2 S-5711A工作特性

S-5711ANDL-I4T1G集成傳感器具有高靈敏度，工作溫度范圍寬(-40～+85℃)等特點(diǎn)。通常，霍爾電壓VOUT與磁感應強度B為非線(xiàn)性關(guān)系，其絕對線(xiàn)性度為29%。且存在不平衡電壓UHe，如果使用不當，必定會(huì )影響檢測系統的精度。S-5711ANDL-I4T1G芯片內部電路原理如圖3所示。

圖3 S-5711ANDL-I4T1G芯片內部電路原理

其輸出電壓由下式所確定:

UH=KHIHBcosθ+KeIH

式中KH——霍爾靈敏度

IH——霍爾傳感器驅動(dòng)電流；

B——磁感應強度；

Cosθ——元件平面法線(xiàn)與B的夾角；

Ke———不平衡系數。

KeIH=UHe稱(chēng)為不平衡電壓，（UHe/UH））×100%稱(chēng)為不平衡率，設其為Re。一般霍爾元件的Re為±10%左右。KH和由被檢電流產(chǎn)生的B均為非線(xiàn)性因素。消除不平衡電壓和改善的非線(xiàn)性度的電路如圖4所示。

圖4 消除不平衡電壓和改善的非線(xiàn)性度的電路

圖4中的電流I相當于被檢測電流，芯片3腳不用。改變電流I就是改變了磁感應強度B。測試曲線(xiàn)如圖5所示。

圖5中：曲線(xiàn)1：R14=0；曲線(xiàn)2：R14→∞；曲線(xiàn)3：R14=100Ω。直線(xiàn)4稱(chēng)為理論線(xiàn)性度擬合曲線(xiàn)，是原點(diǎn)（0，0）和限量點(diǎn)Q（3.8，2.4）的連線(xiàn)。曲線(xiàn)1沒(méi)有加校正電位計RP1，這時(shí)不平衡電壓UHe=0.3V，不平衡率為Re=（UHe/UH）×100%=(0.3/2.4)×100%=12.5%。
對線(xiàn)性度進(jìn)行分析如下。

線(xiàn)性度是測量系統靜態(tài)特性對選定擬合直線(xiàn)y=b+kx的接近程度。

δL=（|Δm|/Ym）×100%

式中Δm——靜態(tài)特性與選定擬合直線(xiàn)的最大擬合偏差；

Ym——y的限量值。

確定擬合直線(xiàn)的方法不同，δL也不同。本文采用絕對線(xiàn)性度方法，這種方法得到的值一般比最小二乘法線(xiàn)性度的要大。

對于圖5中曲線(xiàn)1：|Δm1|=0.7V，限量值Ym=UHm=2.4V，由式δL=（|Δm|/Ym）×100%可知線(xiàn)性度δL1=29%，即對霍爾傳感器不加校正電路時(shí)，絕對線(xiàn)性度為29%，比較大。電路經(jīng)過(guò)校正后，最佳工作狀態(tài)為圖5中曲線(xiàn)3，有|Δm3|=0.13V，同理δL3=7.6%，可見(jiàn)線(xiàn)性度得到很大的改善。圖5中曲線(xiàn)2（R14→∞）：消除了不平衡電壓，又獲得了良好的線(xiàn)性度。但同時(shí)在同樣磁感應強度下即同強度被檢測電流情況下，輸出電壓下降，即傳感器靈敏度下降，但這個(gè)不足可由后級放大器來(lái)彌補。

結束語(yǔ)

通過(guò)非線(xiàn)性修正，此設計的霍爾電流傳感器具備了較高的精度和良好的線(xiàn)性度，實(shí)用性強。通過(guò)實(shí)驗和理論分析，文中設計的電路能找出霍爾傳感器的最佳線(xiàn)性工作狀態(tài)，并消除不平衡電壓。