專利名稱：霍爾效應(yīng)電路的溫度補(bǔ)償方法及其電路的制作方法
霍爾效應(yīng)電路的溫度補(bǔ)償方法及其電路
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及霍爾效應(yīng)電路，特別是霍爾效應(yīng)電路中的一種的溫度 補(bǔ)償方法及其電路。背景技術(shù)：
在一塊定向(X,Y，Z)的半導(dǎo)體薄片上，如果沿X軸方向通電， 在和片子表面垂直的Y軸方向加上磁場(chǎng)B，則在薄片的Z軸橫向兩 側(cè)會(huì)出現(xiàn)一個(gè)電壓，這種現(xiàn)象就是霍爾效應(yīng)，是由科學(xué)家愛德文-霍 爾在1879年發(fā)現(xiàn)的。以此為基礎(chǔ)的霍爾傳感器已發(fā)展成一個(gè)品種多 樣的磁傳感器產(chǎn)品家族，被越來越多地應(yīng)用于工業(yè)控制的各個(gè)領(lǐng)域。
常規(guī)的霍爾效應(yīng)開關(guān)電路如圖1所示，它由電池接反保護(hù)100、 電壓調(diào)節(jié)器(內(nèi)部電路的電源)101、霍爾薄片(霍爾電壓生成單元) 102、放大器(霍爾電壓放大單元)103、施密特觸發(fā)器(開關(guān)信號(hào)產(chǎn) 生單元)104和輸出驅(qū)動(dòng)105組成。常規(guī)設(shè)計(jì)中，電壓調(diào)節(jié)器100設(shè) 計(jì)成不隨外加電源電壓變化、不隨溫度變化的參考電壓(偏置電壓， 下同)，例如2.5V。眾所周知，霍爾系數(shù)1^=/^，由于半導(dǎo)體材料 的電阻率戶和遷移率戶都是溫度的函數(shù)且溫度系數(shù)爭(zhēng)支大，因此產(chǎn)生霍 爾電壓的半導(dǎo)體材料(例如硅)的電阻隨著溫度的升高呈現(xiàn)較大的增 加，這樣當(dāng)一個(gè)固定電壓(如圖1中的電壓調(diào)節(jié)器101)加在霍爾片 (HallPlate)上時(shí)，隨著溫度升高導(dǎo)致流過霍爾片的電流逐漸減小，所以霍爾敏感度(單位控制電流和單位磁感應(yīng)強(qiáng)度時(shí)產(chǎn)生的霍爾電壓 的大小稱為霍爾元件的靈敏度)就隨著溫度的升高以較快的速度降 低。在許多應(yīng)用中，霍爾靈敏度的較大大改變是不可以接受的?，F(xiàn)有
技中的霍爾傳感器電路的工作范圍一般只有-20 85'C，但在車用電路 中要求霍爾傳感器電路的工作范圍達(dá)到-40 150。C甚至更寬的溫度范 圍。為此有必要找到一種對(duì)霍爾電壓和霍爾靈敏度進(jìn)行補(bǔ)償?shù)姆椒ㄒ?使得霍爾傳感器可以工作在更寬的溫度范圍。
在美國(guó)專利US4521727提出了一種霍爾效應(yīng)溫度補(bǔ)償方法，該 方法需要溫度系數(shù)很小的如CrS,薄膜電阻(又稱零溫度系數(shù)電阻)， 然而這種可制造所謂零溫度系數(shù)電阻的半導(dǎo)體工藝是很少有的，而且 也增加了相應(yīng)的制造成本。
發(fā)明內(nèi)容
陷，提供一種霍爾效應(yīng)電路的溫度補(bǔ)償方法及其電路。
本發(fā)明所提出的霍爾效應(yīng)電路的溫度補(bǔ)償方法是將與霍爾遷移 率的溫度系數(shù)變化成正比關(guān)系相互跟隨的正溫度系數(shù)電壓調(diào)節(jié)器作 為霍爾效應(yīng)電路的偏置電壓。
根據(jù)上述霍爾效應(yīng)電路的溫度補(bǔ)償方法所涉及的電路中，它包括 電源保護(hù)器、內(nèi)部電路電源、霍爾電壓生成單元、霍爾電壓放大單元、 施密特觸發(fā)器、輸出驅(qū)動(dòng)器，其特征在于 一正溫度系數(shù)溫度電壓調(diào) 節(jié)器連接在內(nèi)部電路電源，用于給其他電路單元^^電。
本發(fā)明的核心是采用和霍爾遷移率的溫度系數(shù)成一定關(guān)系的正溫度系數(shù)的電壓調(diào)節(jié)器作為霍爾片的偏置電壓，并將這具有參考電壓特 性的正溫度系數(shù)電壓調(diào)節(jié)器連接霍爾效應(yīng)電路內(nèi)部電路電源。這樣， 霍爾遷移率隨著溫度的變化關(guān)系就會(huì)和電壓調(diào)節(jié)器的隨溫度變化的 變化關(guān)系相互跟隨，從而使得霍爾靈敏度在較寬的溫度范圍內(nèi)隨溫度 的變化很小，也就得霍爾傳感器電路可以工作在高溫的狀態(tài)。本發(fā)明 能夠在使用較少的元器件同時(shí)，滿足霍爾效應(yīng)電路溫度范圍工作的性
能要求<


圖1為現(xiàn)有技術(shù)中常規(guī)霍爾傳感器的電路； 圖2為本發(fā)明實(shí)施例示出的具有溫度補(bǔ)償?shù)幕魻栃?yīng)電路框圖； 圖3為圖2中具有溫度補(bǔ)償作用的調(diào)壓調(diào)節(jié)器的電路結(jié)構(gòu)圖。
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合實(shí)施例以及附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的描述。 在霍爾效應(yīng)電路中，霍爾片的敏感度可以表達(dá)成如下公式
s"-^~^(g》(iy) (1)
Bz qt(ND) 式中
Bz表示垂直加在霍爾片上的磁通量密度；
q表示電子電荷；
N。表示霍爾片中的N型栽流子密度；
t表示霍爾薄片的厚度；
Vw表示霍爾電壓；
Iy表示流過霍爾片的電流；C^表示霍爾片的幾何因子；
、== =~， ^和A分別表示霍耳遷移率和漂移遷移
Drift mobility率。
在霍爾片中的流過的電流可表示為
Iy--V丄，這里V,代表加在霍爾片上的電壓；11 代表霍爾片的電
阻?；魻柶碾娮栌挚杀硎緸閞H=f^Yii)，這里戶代表電阻率，
l和w代表霍爾片的長(zhǎng)度和寬度。由于￡" j v、，于是霍爾敏 感度可表示為
sH=^ = UHXGTXva)^) (2)
如果把上式表示成與溫度相關(guān)的形式，則有 SH(T)V,k(T)KGTXva)^ ") 從上面的等式可以看出，霍爾靈敏度正比于霍爾遷移率和加在霍
爾片上的偏置電壓。當(dāng)加在霍爾片上的偏置電壓、恒定不變時(shí)，由于 霍爾遷移率存在較大的溫度效應(yīng)導(dǎo)致霍爾靈敏度隨著溫度的改變而 較大的改變。
霍爾遷移率可表示為
<formula>formula see original document page 7</formula> (4)
其中Ah(T。)表示參考溫度(一般指室溫25。c)下的霍耳遷移率；
"代表霍爾遷移率的溫度系數(shù)，△ r = t - t。。在常規(guī)設(shè)計(jì)的霍爾效應(yīng)電路中，加在霍爾片上的偏置電壓，往往 設(shè)計(jì)成一個(gè)不隨電源電壓變化、不隨溫度變化的參考電壓或稱電壓調(diào) 節(jié)器。
如果把加在霍爾片上的偏置電壓設(shè)計(jì)成一個(gè)不隨電源電壓變化 但隨溫度以一定關(guān)系變化的參考電壓F。(T)，那么就可補(bǔ)償霍耳遷移率 的溫度效應(yīng)，就可使得霍爾靈敏度在更寬的溫度范圍內(nèi)隨溫度的變化 很小。
由等式(3)和(4)可以看出，如果:'<formula>formula see original document page 8</formula>表示參考溫度(一般指室溫25°C )下的加在霍爾片上的參 考電壓值。把(5)和(4)式代入(3)式，得到，
從而霍爾靈敏度不再依賴于溫度，即霍爾靈敏度不再隨著溫度的 改變而改變。
本發(fā)明設(shè)計(jì)思想的核心是采用和霍爾遷移率的溫度系數(shù)成一之 關(guān)系的正溫度系數(shù)的電壓調(diào)節(jié)器作為霍爾片的偏置電壓，霍爾遷移率 隨著溫度的變化關(guān)系就會(huì)和電壓調(diào)節(jié)器的隨溫度變化的變化關(guān)系相 互跟隨，從而使得霍爾靈敏度在較寬的溫度范圍內(nèi)隨溫度的變化很 小，也就得霍爾傳感器電路可以工作在高溫的狀態(tài)。 霍爾效應(yīng)溫度補(bǔ)償方法的實(shí)施步驟
(1)測(cè)試制作霍爾元件的材料的霍耳遷移率和溫度系數(shù)，本發(fā)明 的所提到的霍爾元件采用集成電路常用的硅材料。霍耳遷移率測(cè)試方法可采用變溫霍爾效應(yīng)實(shí)驗(yàn)儀，根椐實(shí)驗(yàn)結(jié)果計(jì)算出霍爾遷移率及其
溫度系數(shù)<formula>formula see original document page 9</formula>)，其中"代表霍耳遷移率的溫度系
數(shù)。具體測(cè)試方法在國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T4326"1984《非本征半導(dǎo)體單晶 霍爾遷移率和霍爾系數(shù)的測(cè)量方法》中有詳細(xì)說明；
(2)根據(jù)霍爾效應(yīng)電路中其它單元電路要求設(shè)置一不隨電源電壓 變化，而隨著溫度的變化遵循下述式(5)的參考電壓 K(T)=[Va(TQ)](l + "XAr)，其中"代表霍耳遷移率的溫度系數(shù)。例如 2.5V輸出的參考電壓電路單元，參考電路的特點(diǎn)是幾乎不隨電源電 壓變化，而隨著溫度的變化遵循上面所述等式(5):
(3)將上述具有參考電壓特性的正溫度系數(shù)電壓調(diào)節(jié)器作為霍爾 凌丈應(yīng)電路的^扁置電壓。
基于上面理論設(shè)計(jì)生產(chǎn)出來的霍爾效應(yīng)電路靈敏度溫度系數(shù)的 調(diào)整。由于在上面理論推導(dǎo)中采用的是一級(jí)效應(yīng)關(guān)系式，忽略了一些 二級(jí)效應(yīng)，這是對(duì)理論設(shè)計(jì)結(jié)果與實(shí)際測(cè)試結(jié)果對(duì)比后進(jìn)行修正的過 程。
本設(shè)計(jì)思想的核心是采用和霍爾遷移率的溫度系數(shù)成一定關(guān)系 的正溫度系數(shù)的電壓調(diào)節(jié)器作為霍爾片的偏置電壓，該電壓調(diào)節(jié)器輸 出電壓和溫度的關(guān)系為^(T)-[V,(T。)](l + axAr),其中，"為霍耳遷移
率的溫度系數(shù)。那么霍爾遷移率r逭著溫度的的變化關(guān)系就會(huì)和電壓調(diào)
節(jié)器的隨溫度變化的變化關(guān)系相互跟隨，從而使得霍爾靈敏度在較寬 的溫度范圍內(nèi)隨溫度的變化很小，使得霍爾傳感器電路可以工作在高 溫的狀態(tài)。圖2是本發(fā)明霍爾效應(yīng)電路溫度補(bǔ)償方法的一實(shí)施例，它由電源 保護(hù)器200、內(nèi)部電路的電源201、霍爾電壓生成單元(霍爾薄片) 202、霍爾電壓放大單元(放大器)203、施密特觸發(fā)器(開關(guān)信號(hào)產(chǎn) 生單元)204、輸出驅(qū)動(dòng)器205所構(gòu)成， 一正溫度系數(shù)溫度電壓調(diào)節(jié) 器(補(bǔ)償單元)(206 )連接在內(nèi)部電路電源(201)上，用于給其他 電路單元供電。
圖3示出了圖2中正溫度系數(shù)的電壓調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)的一個(gè)實(shí)施例示 意圖。它由正溫度系數(shù)電流源301、可調(diào)電阻302、產(chǎn)生負(fù)溫度系數(shù) 的NPN晶體管304組成。
該NPN晶體管基極與集電極相連接，發(fā)射極接在地線305上，正 溫度系數(shù)電流源301與可調(diào)電阻302串連連接后，與NPN晶體管基極 與集電極的公共端相連接。
在輸出端303的是^Jt)-Ip(T)R + Vbe，
式中Ip(T)是和溫度成正比的恒流源，也稱PTAT源，實(shí)際電路中 一般采用兩個(gè)面積不同的NPN晶體管的BE電壓差A(yù)VeJR，此外很多 已經(jīng)共知的電路結(jié)構(gòu)都可實(shí)現(xiàn)正溫度系數(shù)恒流源這一 目的。
以上所述的實(shí)施例僅為說明本發(fā)明的技術(shù)思想及特點(diǎn)，其目的在 使本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠了解本發(fā)明的內(nèi)容并據(jù)以實(shí)施，并不能以此來 限定本發(fā)明的保護(hù)范圍，即依本發(fā)明所揭示的精神所作的均等變化或 修飾，仍應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1、一種霍爾效應(yīng)電路的溫度補(bǔ)償方法，其特征在于將與霍爾遷移率的溫度系數(shù)變化成正比關(guān)系相互跟隨的正溫度系數(shù)電壓調(diào)節(jié)器作為霍爾效應(yīng)電路的偏置電壓。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的霍爾效應(yīng)電路的溫度補(bǔ)償方法，其特 征在于它包括如下步驟a. 測(cè)試霍爾元件材料的霍耳遷移率和溫度系數(shù)，霍爾遷移率為 〃H(T)"'H(r。)/(l + orxAr) (4) 式(4)中/^(T。)表示參考溫度(一般指室溫25°C )下的霍耳遷移率，"代表霍爾遷移率的溫度系數(shù)，Ar-T-T。；b. 根據(jù)霍爾效應(yīng)電路中其它單元電^求設(shè)置一不隨電源電壓變 化，而隨著溫度的變化遵循下述式(5)的參考電壓K,(T) = [Va(T。)](l + "xAr) (5) 式(5)中Va(T。)表示參考溫度(一般指室溫25。C )下加在霍爾片上 的參考電壓值，"代表霍耳遷移率的溫度系數(shù)；c. 將上述步驟b中具有參考電壓特性的正溫度系數(shù)電壓調(diào)節(jié)器作 為霍爾效應(yīng)電路的偏置電壓。
3、 上述霍爾效應(yīng)電路的溫度補(bǔ)償方法所涉及的電路，包括電源 保護(hù)器(200 )、內(nèi)部電路電源(201)、霍爾電壓生成單元(202 )、霍 爾電壓放大單元(203 )、施密特觸發(fā)器(204 )、輸出驅(qū)動(dòng)器(205 )， 其特征在于 一正溫度系數(shù)溫度電壓調(diào)節(jié)器(補(bǔ)償單元)(206 )連接在內(nèi)部電路電源(201)上，用于給其他電路單元供電。
4、根據(jù)權(quán)利要求3所述的電路，其特征在-了所述的正溫度系 數(shù)溫度電壓調(diào)節(jié)器包括正溫度系數(shù)電流源(301)、可調(diào)電阻(302 )、 以及可產(chǎn)生負(fù)溫度系數(shù)的NPN晶體管(304 )構(gòu)成，該NPN晶體管基 極與集電極相連接，發(fā)射極接在地線(305 )上，正溫度系數(shù)電流源 (301)與可調(diào)電阻(302 )串連連接后，與NPN晶體管基極與集電極 的公共端相連接。
全文摘要
一種霍爾效應(yīng)電路的溫度補(bǔ)償方法及其電路，是將與霍爾遷移率的溫度系數(shù)變化成正比關(guān)系相互跟隨的正溫度系數(shù)電壓調(diào)節(jié)器作為霍爾效應(yīng)電路的偏置電壓。電路中包括電源保護(hù)器、內(nèi)部電路電源、霍爾電壓生成單元、霍爾電壓放大單元、施密特觸發(fā)器、輸出驅(qū)動(dòng)器，一正溫度系數(shù)溫度電壓調(diào)節(jié)器連接在內(nèi)部電路電源，用于給其他電路單元供電。本發(fā)明中霍爾遷移率隨著溫度的變化關(guān)系就會(huì)和電壓調(diào)節(jié)器的隨溫度變化的變化關(guān)系相互跟隨，從而使得霍爾靈敏度在較寬的溫度范圍內(nèi)隨溫度的變化很小，也就得霍爾傳感器電路可以工作在高溫的狀態(tài)。本發(fā)明能夠在使用較少的元器件同時(shí)，滿足霍爾效應(yīng)電路溫度范圍工作的性能要求。
文檔編號(hào)G01D3/036GK101290233SQ20071003967
公開日2008年10月22日 申請(qǐng)日期2007年4月19日 優(yōu)先權(quán)日2007年4月19日
發(fā)明者慧 管, 俊 陳 申請(qǐng)人:上海鉅勝微電子有限公司