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（1.山东航天电子技术研究所，山东 烟台 264000；2.中国农业大学〈烟台〉理工学院，山东 烟台 264000）
【摘要】本文概述了霍尔元件的制作材料，研究了霍尔元件失调电压的产生及抑制失调电压的措施，最后探讨了霍尔器件的应用领域及发展方向。
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关键词 霍尔元件；失调电压；发展方向
0 引言
传感器技术作为现代信息社会的三大支柱技术之一，被广泛地应用于国民经济的各个领域，霍尔传感器就是其中应用非常广泛的一类，它是一种基于霍尔效应的磁敏传感器，它不仅用于测量电压、电流、功率和磁感应强度等电磁参数，在非电量测量技术中还广泛应用于测量力、力矩、压力、应力、位置、位移、速度、加速度、角度、角速度、转数、转速等非电量参数。由于霍尔传感器的核心器件是霍尔元件，所以对霍尔元件的研究有重要意义。
1 霍尔元件的研究
1.1 霍尔元件的制作材料
早期的霍尔元件通常使用的材料有InSb，InAs，GaAs，Ge等，表1给出这些半导体材料的基本特性。1nSb材料电子迁移率高，其霍尔元件具有很高的灵敏度。然而，1nSb材料的禁带宽度小，易于本征激发，因此它的温度稳定性差，无法在高温环境下使用；GaAs是另一种使用广泛的霍尔元件材料，它的灵敏度比1nSb低很多，但是温度特性好，能在较宽的温度范围内工作，同时磁场线性度也是最好的。
1.2 霍尔元件失调电压的产生及抑制
1.2.1 霍尔元件失调电压的产生
在直流状态下，霍尔元件可以看作是一个由分布电阻构成的文氏桥，如图1所示，当在H1端接电源VCC，H3端接地，理想情况时，Rl=R2=R3=R4=R，H2、H4端对地的直流电位为VCC/2，两端之间的电势差为零。当有磁场作用于霍尔元件时，就会在H2和H4的两端产生感应电势，感应电势的极性是由磁场方向和电流方向共同决定，这个感应电势经过放大、控制处理后就可以去驱动输出电路。
实际的霍尔元件由于材料的各向异性、杂质分布的不均匀、几何结构的非对称以及压阻效应等的影响，在有电流流过时，即使没有外加磁场，其输出电势差也不为零，这个电势差就是霍尔元件的失调电压VOS。
霍尔元件失调电压的产生主要包括两个方面，一个是工艺的原因，包括材料的各向异性、杂质扩散的不均匀、几何结构的非对称等。另一个原因是外界机械压力通过压阻效应引起的，通常是在封装时造成的。
1.2.2 霍尔元件失调电压的抑制
本文研究的抑制失调电压的方法为正交电流法，正交电流法就是在一个霍尔元件上，交替地改变输入电流的通路，使输出感应电压周期性地分别从两对正交的端口输出，利用感应电压和失调电压极性的不同变化，实现对失调电压和霍尔电势的分离。只需一个霍尔元件，即可实现对磁场信号的检测和对失调电压与感应电压的分离，在信号检测电路之后采用一个斩波稳定放大器实现对霍尔元件失调电压的抑制，同时实现对有效信号霍尔电势的放大，此外这种斩波稳定放大电路不但可以对自身失调电压实现抑制而且具有非常高的输入阻抗。
在时钟正半周，如图2(a)所示，分别把霍尔元件的Hl、H3端接入电源和地，电流由Hl流向H3，在如图所示的磁场作用下将产生如图所示极性的感应电压；在时钟的负半周，如图2(b)所示，霍尔元件的H2、H4端分别被接入到电源和地，电流由H2流向H4，在如图所示的磁场作用下将产生如图所示极性的感应电压。假设在同一时钟的高、低电平时分别把Hl和H2连接至后级差分放大器的同一个输入端，而H3和H4则连接至差分放大器的另一个输入端，则在同一时钟信号的高、低电平时，接入到差分放大器的霍尔感应电势的极性是相反的，而失调电压的极性则总是相同的，这可以通过以下的假定来说明。假定此时的失调电压是由于某种原因(如压阻效应)导致Hl、H2端之间的等效电阻变大，由于Rl=R3=R4=R，R2>R，则图2(a)所示电路的失调电压VH2H4也为(R/(R+R2)-1/2)·VCC，其极性与此时的感应电压的极性相同；图2(b)所示电路的失调电压VH1H3也为(R/(R+R2)-1/2)·VCC，其极性与此时的感应电压的极性相反，即在同一个时钟的高、低电平时，霍尔元件的失调电压的极性保持不变。改变霍尔元件的电流方向或改变接入到后级差分放大器的连接方式，就可得到不同极性组合的霍尔电压和失调电压，但在每个时钟周期内，都是一个半周为霍尔电压和失调电压的和，另一个半周为它们的差，因此，要得到霍尔电压、抑制失调电压就可以根据失调电压在这两个半周内的极性分别采用相加或相减的方法来实现。在失调电压极性不变时，采用相减的方法，在失调电压相反时采用相加的方法。经仿真证明具有很好的效果。
2 霍尔元件应用及发展方向
霍尔传感器不仅用于测量电压、电流、功率和磁感应强度等电磁参数，还广泛应用于测量直线位移、角位移、转速和压力等非电量参数。随着该技术的推广，其应用领域将越来越广，已被广泛的应用在航天、航空、机械、能源、石油、化工、医疗、汽车、公安防范、仪器仪表、办公自动化、交通运输等领域，在各种信息采集和处理中都起到了极其重要的作用。
随着霍尔传感器的广泛应用，作为霍尔传感器的核心器件—霍尔元件必将大有作为，其主要发展方向：一是加强开展基础研究，重点研究新材料和新工艺；二是朝着微型化、集成化方向发展；三是朝着实现高灵敏度、高精度、高稳定性、低温漂、微功耗、智能化和多功能化方向发展。
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［责任编辑：杨玉洁］
