[发明专利]带自动补偿的霍尔传感器

说明书

本发明涉及一个带有补偿的单片集成霍尔传感器。这个霍尔传感器包括一个用于提供工作电流的供电装置，本发明还涉及一种对于带有或不带有磁滞开关装置器件的霍尔元件因生产过程所引起的灵敏度变化和温度相关性的自动补偿霍尔传感器的方法。

单片集成霍尔传感器是市场上买得到的，它除用来测量磁场外，还越来越多地用于实现无触点开关的领域。这些领域包括，例如，汽车转速计或传动中的旋转速度测量领域。在这种开关的应用中，单向或交变磁场的方向和量值就是通过霍尔电压来确定的，并且当超出一定的阈值时，一个计数脉冲就会被释放出来。由晶体管开路集电极构成的电子开关在多数情况下都是集成电路的一部分，因此亦成为霍尔元件的一部分。在开关应用中，霍尔传感器一般包括放大传感元件或缓冲放大器，有磁滞的施密特触发器级和电流和/或电压供应装置。目前熟知的霍尔传感器的缺点是生产过程在灵敏度上引起的变化的补偿和霍尔元件的温度相关性的补偿必须在芯片制造当中由单独的调节步骤来完成。

因此，本发明的目的就是提供一个补偿霍尔传感器的电路和以该电路为基础的一种方法，这种方法能在灵敏度方面对技术工艺和温度引起的变化自动补偿，而不需要单独的调节步骤。

本发明提供的优点实质上在于排除了对单独调节的需要，这样，更简单的半导体器件制造技术就可以得到应用。另外，由于其它原来所需要的必不可少的调节接触的面积减少，从而使所需要的芯片面积减少，该自动补偿既可以在测量应用领域的线性霍尔传感器方面应用，又可以在具有开关功能的霍尔传感器方面应用，例如，这种功能包括一个磁滞开关功能。也可以在一定的限度范围内预置霍尔传感器的温度相关性函数。由于自动补偿仅由有关半导体芯片的生产工艺参数跟踪来控制，这些参数的非线性影响也极大地得到了补偿。

本发明的一个其本设想就是霍尔元件的工作电流是由半导体芯片上的电源装置产生的，该装置在热学上和工艺上同霍尔元件半导体区域结合在一起。霍尔电压(＝uh)取决于霍尔元件半导体区域的技术参数，绝对度(＝T)和参考温度(＝T₀)，具体关系如下：

(1)uh(T)＝μH(T)×R(T)×iv(T)×B，这里μH＝与温度和材料相关的霍尔迁移率

(1.1)μH(T)＝μ(T₀×1/(1+a×ΔT)

     ΔT＝T-T₀＝参考温度差

     R(T)＝霍尔元件的欧姆电阻

R(T)＝R(T₀)×(1+a×ΔT)

iv(T)＝霍尔元件的供电电流

B＝磁感应

a＝在参考温度时霍尔元件半导体区域表层电阻率(＝r’)的温度系数

霍尔电压的温度和工艺技术关系式函数是通过将个别的函数关系替换到公式(1)中得到的。技术相关因子(1+a×ΔT)去掉了，因而如果磁感B与温度开关的话，使得只有供应电流iv(T)的温度相关性函数才能进入霍尔电压中。

(2)uh(T)＝比例因子×iv(T)

公式(2)表示，霍尔电压的温度相关性函数紧密地与供电电流的温度相关性函数相关联。当然，如果供应电流的温度相关性被调节到0的话，霍尔电压将显示没有温度相关性函数，这一点是特别令人感兴趣的。

如果一个补偿电压(＝uj)通过霍尔元件检测输入端上的补偿电流(j)而叠加在霍尔电压uh上，那么这个补偿电压值为：

(3)uj(T)＝j(T)×rh(T)

这里rh＝霍尔元件的等效电阻

于是，(4)uj(T)＝j(T)×rh(T₀)×(1+a×ΔT)

因此，为使参考温度T₀下的补偿电压温度相关性函数到零点，补偿电流必须满足下列条件：

(5)j(T)＝j(T₀)×1/(1+a×ΔT)

为了跟踪霍尔电压和补偿电压温度相关性函数，尤其在调零期间，由公式(2)和(5)而来的下述条件必须满足：

(6)Δiv(T)/Δj(T)＝1+a×ΔT

公式(6)把霍尔元件工作电流的温度相关性函数比率与霍尔元件半导体区域的表层电阻率(＝r’)的温度相关性函数结合起来，由因子(1+a×ΔT)来确定。这样，根据公式(6)，工作电流温度相关性函数的绝对值对工作电流iv和j的每一个来讲，都是可以任意预置的。由于公式(6)适用于任何参考温度T₀和整个的工作范围，这就为不同电路变形的温度补偿提供了一个极好的评价标准。