CN105652220A - 霍尔传感器及其温度分布造成的偏移的补偿方法 - Google Patents

Abstract

本发明题为霍尔传感器及其温度分布造成的偏移的补偿方法。在硅衬底上霍尔元件及霍尔元件的驱动电路之中成为发热源的元件靠近配置的霍尔传感器中，根据靠近霍尔元件的周围而配置的温度传感器的信号以向量方式选择由所述霍尔元件的旋转电流造成的2个方向的控制电流的方向，从而能够除去由发热源的发热造成的磁偏移。

Description

霍尔传感器及其温度分布造成的偏移的补偿方法

技术领域

本发明涉及具备半导体霍尔元件及具备驱动半导体霍尔元件的电路的霍尔传感器。尤其涉及能够除去偏移电压（offsetvoltage）的霍尔传感器。

背景技术

首先对利用霍尔元件进行的磁场的检测原理进行说明。若对流过物质中的电流施加垂直的磁场，则在对该电流和磁场两者垂直的方向产生电场（霍尔电压）。由该霍尔电压的大小求出磁场的强度就是利用霍尔元件进行的磁检测的原理。

图3是用于说明理想的霍尔效应的原理的图。当考虑理想的霍尔元件时，若设霍尔元件磁敏部（磁気感受部）1的宽度W、长度L、电子迁移率μ、用于使电流流动的电源2的施加电压Vdd、施加磁场为B，则从电压计3输出的霍尔电压VH能够表示为

VH＝μB(W/L)Vdd。与施加磁场B成比例的系数成为磁灵敏度，因此该霍尔元件的磁灵敏度Kh表示为

Kh＝μ(W/L)Vdd。

另一方面，实际的霍尔元件中未施加磁场时，也产生输出电压。将该磁场0时输出的电压称为偏移电压。产生偏移电压的原因被认为是从外部施加到元件的机械应力或制造过程中的对准偏差等的元件内部的电位分布的不均衡造成的。在实际的应用中需要以能够将偏移电压视为0的方式进行补偿。

一般偏移电压的补偿是按照以下的方法进行的。

图4是示出根据旋转电流（spinningcurrent）进行的偏移消除电路的原理的电路图。霍尔元件10为对称的形状，为了使控制电流流过1对输入端子，并从另1对输出端子得到输出电压，具有4个端子T1、T2、T3、T4。在霍尔元件的一方的一对端子T1、T2成为控制电流输入端子的情况下，另一方的一对端子T3、T4成为霍尔电压输出端子。此时，若对输入端子施加电压Vin，则在输出端子产生输出电压Vh＋Vos。在此Vh表示与霍尔元件产生的磁场成比例的霍尔电压，Vos表示偏移电压。接着，将T3、T4作为控制电流输入端子，将T1、T2作为霍尔电压输出端子，若对T3、T4间施加输入电压Vin，则在输出端子产生电压－Vh＋Vos。S1～S4是传感器端子切换单元，通过切换信号发生器11来选择N1或者N2的端子。

通过将电流流过以上2个方向时的输出电压相减，消除偏移电压Vos，能得到与磁场成比例的输出电压2Vh（例如，参照专利文献1）。

然而，由该偏移消除电路不能完全消除偏移电压。以下说明该理由。

由图5所示的等效电路表示霍尔元件。即，霍尔元件可以表示为将4个端子用4个电阻R1、R2、R3、R4连接的电桥电路。利用该模型说明如上所述通过将电流流过2个方向时的输出电压相减来消除偏移电压的情形。

若对霍尔元件的一方的一对端子T1、T2施加电压Vin，则在另一方的一对端子T3、T4间输出霍尔电压

Vouta＝(R2*R4－R1*R3)/(R1＋R4)/(R2＋R3)*Vin。另一方面，若对端子T3、T4施加电压Vin，则在T1、T2输出霍尔电压

Voutb＝(R1*R3－R2*R4)/(R3＋R4)/(R1＋R2)*Vin。

因此取2个方向的输出电压之差，则成为

Vouta－Voutb＝(R1－R3)*(R2－R4)*(R2*R4－R1*R3)/(R1＋R4)/(R2＋R3)/(R3＋R4)/(R1＋R2)*Vin。因此，偏移电压在即使各个等效电路的电阻R1、R2、R3、R4不同的情况下，如果R1＝R3或者R2＝R4也能消除偏移。在该情况下，以各电阻值在改变施加电压的端子时也不变为前提。然而，在不满足该前提的情况下，例如即使在一个方向上使R1＝R3的情况下，如果在其他方向上不能满足该关系时，也不能使所述的差量为零，因此将不能消除偏移。关于根据电压的施加方向而不能消除偏移的原因之一，进一步进行具体说明。

霍尔元件的构造中一般成为霍尔元件磁敏部的N型的杂质区域的周边部为了分离而被P型的杂质区域包围。若对霍尔电流输入端子施加电压，则在霍尔元件磁敏部及其周边部的边界中耗尽层会扩展。在耗尽层中不会流动霍尔电流，因此在耗尽层扩展的区域中霍尔电流被抑制、电阻增加。另外，耗尽层宽度依赖于施加电压。因此，图5中所示的等效电路的电阻R1、R2、R3、R4根据电压施加方向而值发生变化，因此出现用偏移消除电路不能消除磁偏移的情况。

也有采用在元件周边及元件上部配置耗尽层控制电极，关于耗尽层向霍尔元件内的延伸，通过调节施加到各个电极的电压来抑制耗尽层的方法的情况（例如，参照专利文献2）。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开平06－186103号公报

专利文献2：日本特开平08－330646号公报。

发明内容

发明要解决的课题

在霍尔元件10内的、温度不一样、具有分布的情况下，霍尔元件10内的电阻也因温度不一样而电阻值也会不一样，会存在电阻值低的场所和电阻值高的场所。在此若通过旋转电流进行偏移消除，则所述电阻R1、R2、R3、R4因温度而电阻值发生变化，将不能消除偏移。

因此，在具有霍尔元件和驱动霍尔元件的电路之中成为发热源的元件的霍尔传感器中，受发热的影响而在霍尔元件10内产生温度分布，无法利用专利文献1的旋转电流法进行偏移电压除去。

另外，通过专利文献2的方法，能够调整电阻值，但是利用多个耗尽层控制电极，还需要复杂的控制电路，因此存在芯片尺寸变大、导致成本上升等这样的难点。

因此，目的在于提供一种霍尔传感器，以在具有驱动霍尔元件的电路之中成为发热源的元件的霍尔传感器中，不会因附加复杂的修正电路或拉开元件间的距离等而增大芯片面积，即便受发热的影响而在霍尔元件内产生温度分布，也能通过旋转电流消除偏移。

用于解决课题的方案

为了解决上述课题，本发明采用如下结构。

即，一种霍尔传感器，具有：

半导体衬底；

霍尔元件，设在所述半导体衬底上并具有4个对称轴；

两对端子，配置在所述霍尔元件，兼作为控制电流输入端子及霍尔电压输出端子；

成为发热源的元件，设在所述霍尔元件的周围的所述半导体衬底上；以及

多个温度传感器，以具有4个对称轴的方式，配置在成为所述霍尔元件的外侧的所述半导体衬底上。

发明效果

通过采用上述方案，在具有驱动霍尔元件的电路之中成为发热源的元件的霍尔传感器中，即便受发热的影响而在霍尔元件内产生温度分布，也能通过旋转电流除去偏移电压。

另外，由于不用复杂的电路或者拉开所述发热源与霍尔元件间距离，所以能够提供可以除去偏移电压且芯片尺寸小、成本得到抑制的霍尔传感器。

附图说明

图1是本发明的实施方式所涉及的霍尔传感器的平面图。

图2是在发热源为一个的情况下示出与流过霍尔元件的电流方向的关系的图。

图3是用于说明理想的霍尔效应的原理的图。

图4是用于说明通过旋转电流进行的偏移电压的除去方法的图。

图5是用于说明霍尔元件的偏移电压的等效电路的图。

图6是示出旋转电流造成的偏移电压和温度分布的关系的图表。

具体实施方式

以下，参照附图，对用于实施本发明的方式进行详细说明。

图1是表示本发明所涉及的实施方式的霍尔传感器的平面图。霍尔传感器由感应磁的霍尔元件和驱动或者控制霍尔元件的电路构成。

首先，对霍尔元件的平面形状进行说明。如图1所示霍尔元件120具有在半导体衬底上由正方形的N型杂质区域121构成的磁敏部和配置在正方形的磁敏部的各顶点的同一形状的N型高浓度杂质区域的控制电流输入端子及霍尔电压输出端子110A、110B、110C、110D。通过做成正方形的霍尔元件120，成为具有4个对称轴的对称性的霍尔元件。

而且，在霍尔元件的周边配置有温度传感器140A、140B、140C、140D。温度传感器能够由与霍尔元件120在同一基板上制成的PN结或多晶硅的电阻形成。温度传感器如图1所示接近霍尔元件120的周围而配置4个以上。在图1中邻接于霍尔元件120的各边中央部的外侧而配置温度传感器。配置温度传感器的位置如图1所示并不只限于霍尔元件120的各边中央部。邻接于霍尔元件120的各顶点配置，或者邻接于各边而配置多个也可。关于配置优选具有与霍尔元件同样的对称性。

接着，图2是示出在发热源为一个时发热源的位置和流过霍尔元件的电流的方向的关系的图。利用该图，说明有发热源的情况下设定流过霍尔元件的电流的方向的原理。

在形成有霍尔元件120的半导体衬底上，设有用于驱动霍尔元件120的电路。而且，在该电路中进而使成为发热源130的元件处于霍尔元件的外侧但设为处于附近。例如，在半导体霍尔传感器的内部电路不使用电源电压而使用通过稳压器来降低电源电压而生成的内部电源电压的情况下，稳压器可以成为发热源。除此之外流过大电流的电阻元件等也可以成为发热源。

在发热源为一个的情况下，如图2那样使发热源130的中心对齐到霍尔元件120中通过旋转电流法形成的2个方向的电流JS1及JS2的向量和VC1的延长线上。由此能够除去霍尔元件的偏移。关于能够除去偏移的理由进行后述。在此，发热源的中心是指从上方观看发热源而描绘表示温度梯度的等温线时相当于等温线的顶上的温度最高的点或者区域。

而且，在有多个发热源的情况下或者根据动作条件能使发热源移动的情况下，为了能够通过旋转电流法除去偏移，首先利用上述多个温度传感器，测定霍尔元件120周边的温度。而且，以使由旋转电流法形成的流过霍尔元件120的2个方向的电流JS1和JS2的向量和VC1相对于由各个温度传感器测定的温度之中连结最大值和最小值的直线、即测定值中温度梯度成为最大的方向平行的方式，设定2个方向的电流，从而能够与先前说明的发热源为一个的情况同样地除去偏移。

以下，通过等效电路来说明利用上述方式除去霍尔元件的偏移的原理。

图1的霍尔元件120的N型高浓度杂质区域的控制电流端子及霍尔电压输出端子110A、110B、110C、110D，分别与图4的T1、T3、T2、T4连接。若采用图5的等效电路，则在此室温下无温度梯度时设为R2＝R4成立。因此能够通过旋转电流消除偏移。接着，如果各电阻的温度不同或者有温度梯度，各电阻值就会不同。即，设为R2成为R2'、R4成为R4'。如果有温度梯度，一般会R2'≠R4'。此外，在此R1≠R3，即便出现温度梯度也是R1'≠R3'。

再用先前所使用的式进行说明，则在室温无温度梯度的情况下，若对一方的一对端子T1、T2施加电压Vin，则流过霍尔元件控制电流JS1，在另一方的一对端子T3、T4间输出霍尔电压

Vouta＝(R2*R4－R1*R3)/(R1＋R4)/(R2＋R3)*Vin。另一方面，若对端子T3、T4施加电压Vin，则流过电流JS2，在T1、T2输出霍尔电压

Voutb＝(R1*R3－R2*R4)/(R3＋R4)/(R1＋R2)*Vin。

在此若就这样取由旋转电流形成的2个方向的输出电压之差，则在没有温度梯度的状态下根据上述假定为R2＝R4，因此在以下的式中能够使偏移电压为零。

Vouta－Voutb＝(R1－R3)*(R2－R4)*(R2*R4－R1*R3)/(R1＋R4)/(R2＋R3)/(R3＋R4)/(R1＋R2)*Vin

然而，若出现温度梯度，则电阻值会不同，R2成为R2'、R4成为R4'。因此，输出电压之差成为由下式表示的值，将不能成为零。

Vouta'－Voutb'＝(R1'－R3')*(R2'－R4')*(R2'*R4'－R1'*R3')/(R1'＋R4')/(R2'＋R3')/(R3'＋R4')/(R1'＋R2')*Vin

然而，关于霍尔元件与发热源的位置关系，如图2那样通过使发热源130的中心对齐到由旋转电流法形成的2个方向的霍尔元件控制电流JS1及JS2的向量和VC1的延长线上，即便电阻R2、R4受到发热的影响而成为R2'、R4'，相对于沿着2个方向的霍尔元件控制电流JS1及JS2的向量和VC1的直线对称地配置，因此会处于相同的温度梯度下，可以维持着R2＝R4的关系，成为R2'＝R4'。

因此，若取输出电压之差则成为

Vout＝Vouta'－Voutb'＝0，可以通过旋转电流除去偏移电压。

另外，图6是示出霍尔元件内的最大和最小的温度差和通过旋转电流除去偏移后的偏移的磁场换算值的实验图。图例A是采取图6(A)所示的配置的情况下的测定结果，图例B是如图6(B)所示相对于霍尔元件控制电流向量和VC1在垂直方向配置发热源的情况下的测定结果。从图6的测定结果也能知道通过适当地设定霍尔元件和发热源的位置关系能够除去偏移。

此外，霍尔元件不只限于图1所示的正方形的霍尔元件120。如果为具有十字型的磁敏部并在其4个端部具有N型高浓度杂质区域的霍尔电流控制电极及霍尔电压输出端子的霍尔元件那样同样具有带4个对称轴的对称性的霍尔元件就可以适用本发明。

标号说明

10、120霍尔元件；110、110A、110B、110C、110DN型高浓度杂质区域；121N型杂质区域；130霍尔元件驱动电路发热源；140A、140B、140C、140D温度传感器；11A、11B、11C、11D霍尔电压输出端子及控制电流输入端子；2、12电源；3、13电压计；11切换信号发生器；S1、S2、S3、S4传感器端子切换单元；T1、T2、T3、T4端子；R1、R2、R3、R4电阻；JS1、JS2霍尔元件的控制电流；VC霍尔元件的控制电流的向量和。

Claims (5)

1.一种霍尔传感器，具有：

半导体衬底；

霍尔元件，设在所述半导体衬底上并具有4个对称轴；

两对端子，配置在所述霍尔元件，兼作为控制电流输入端子及霍尔电压输出端子；

成为发热源的元件，设在所述霍尔元件的周围的所述半导体衬底上；以及

多个温度传感器，以具有4个对称轴的方式，配置在成为所述霍尔元件的外侧的所述半导体衬底上。

2.如权利要求1所述的霍尔传感器，其中，所述霍尔元件平面形状为正方形。

3.如权利要求1所述的霍尔传感器，其中，所述霍尔元件平面形状为十字型。

4.如权利要求1所述的霍尔传感器，其中，

在所述两对端子中，流过一对端子间的第1霍尔元件控制电流和流过另一对端子间的第2霍尔元件控制电流作为向量相交，

以使所述第1霍尔元件控制电流和所述第2霍尔元件控制电流的向量和相对于连结由所述多个温度传感器测定的温度之中最大值和最小值的直线平行的方式，设定所述第1及第2霍尔元件控制电流。

5.一种霍尔传感器的由温度造成的偏移的补偿方法，所述霍尔传感器具有：

半导体衬底；

霍尔元件，设在所述半导体衬底上并具有4个对称轴；

两对端子，配置在所述霍尔元件，兼作为控制电流输入端子及霍尔电压输出端子；

成为发热源的元件，设在所述霍尔元件的周围的所述半导体衬底上；以及

多个温度传感器，以具有4个对称轴的方式配置在成为所述霍尔元件的外侧的所述半导体衬底上，其中，

在所述两对端子中，流过一对端子间的第1霍尔元件控制电流和流过另一对端子间的第2霍尔元件控制电流作为向量相交，

所述霍尔元件以使所述第1霍尔元件控制电流和所述第2霍尔元件控制电流的向量和相对于连结由所述多个温度传感器测定的温度之中最大值和最小值的直线平行的方式，设定所述第1及第2霍尔元件控制电流，从而除去所述偏移。