CN106716164A - 霍尔传感器 - Google Patents

Abstract

提供一种霍尔传感器，在具有霍尔元件和驱动半导体霍尔元件的电路中的作为发热源的元件的霍尔传感器中，能够在不增加芯片尺寸的情况下去除偏移电压。本发明的霍尔传感器的特征在于，在两对端子中，流过一对端子间的霍尔元件控制电流(1)和流过另一对端子间的霍尔元件控制电流(2)作为矢量相交，所述霍尔元件具有关于沿着所述霍尔元件控制电流(1)和所述霍尔元件控制电流(2)的矢量和的直线为线对称的形状，作为发热源的元件中，发热源的中心位于沿着所述霍尔元件控制电流(1)和所述霍尔元件控制电流(2)的矢量和的直线上。

Description

霍尔传感器

技术领域

本发明涉及具备半导体霍尔元件和驱动半导体霍尔元件的电路的霍尔传感器，特别涉及能够去除偏移电压的霍尔传感器。

背景技术

首先对霍尔元件的磁检测原理进行说明。在施加与物质中流过的电流垂直的磁场时，在与该电流和磁场双方垂直的方向上产生电场(霍尔电压)。由该霍尔电压的大小求出磁场的强度，这就是利用霍尔元件进行磁检测的原理。

在考虑图6那样的霍尔元件时，当设霍尔元件磁感应部1的宽度为W、长度为L、电子迁移率为μ、用于使电流流过的电源2的施加电压为Vdd、施加磁场为B时，从电压表3输出的霍尔电压VH可以表述为下式。

VH＝μB(W/L)Vdd

与施加磁场B成比例的系数为磁灵敏度，因此该霍尔元件的磁灵敏度Kh表述为下式。

Kh＝μ(W/L)Vdd

另一方面，在实际的霍尔元件中，即使不被施加磁场，也产生输出电压。将该磁场为0时所输出的电压称为偏移电压。产生偏移电压的原因可认为是由于从外部对元件施加的机械应力、或制造过程中的对准偏差等元件内部的电位分布的不均衡所导致的。

偏移电压的补偿一般通过下述方法进行。

图7是示出基于旋转电流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，具有4个端子T1、T2、T3、T4，用于使控制电流流向一对输入端子，从另一对输出端子得到输出电压。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，若将T3、T4作为控制电流输出端子、将T1、T2作为霍尔电压输出端子，并在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选择N1端子或N2端子。

通过对上述的在两个方向流过电流时的输出电压进行相减，能够消除偏移电压Vos，得到与磁场成比例的输出电压2Vh(例如，参见专利文献1)。

但是，有时利用该偏移消除电路无法完全消除偏移电压，下面对这种情况进行说明。

霍尔元件由图8所示的等效电路来表示。即，霍尔元件能够以由4个电阻R1、R2、R3、R4连接4个端子而成的桥式电路的形式来表示。利用该模型对于如上所述的通过对在两个方向流过电流时的输出电压进行相减而消除偏移电压的情况进行说明。

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间输出如下的霍尔电压。

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输出如下的霍尔电压。

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

因此，若取两个方向的输出电压之差，则为：

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

从而，关于偏移电压，即使在各等效电路的电阻R1、R2、R3、R4不同的情况下，只要R1＝R3或者R2＝R4，也能够消除偏移。这种情况的前提是，即使改变施加电压的端子，各电阻值也没有变化。但是，在不满足该前提的情况下，例如即使在一个方向的R1＝R3的情况下，在另一方向无法满足该关系时，上述的差值也无法为零，因而无法消除偏移。下面对无法通过电压的施加方向消除偏移的原因之一进一步具体说明。

在霍尔元件的结构中，通常，作为霍尔元件磁感应部的N型杂质区域的周边部为了分离而被P型杂质区域包围。若对霍尔电流施加端子施加电压，则耗尽层在霍尔元件磁感应部与其周边部的边界处扩展。由于在耗尽层中不流过霍尔电流，因而在耗尽层扩展的区域，霍尔电流受到抑制，电阻增大。另外，耗尽层宽度取决于施加电压。因此，由于图8所示的等效电路的电阻R1、R2、R3、R4的值根据电压施加方向而发生变化，因而产生无法利用偏移消除电路消除磁偏移的情况。

有时也采用下述的方法：在元件周边和元件上部配置耗尽层控制电极，针对耗尽层向霍尔元件内延伸的情况，调节施加到各电极的电压，从而抑制耗尽层(例如，参见专利文献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

发明所要解决的课题

在霍尔元件10内的温度不均匀而具有分布的情况下，霍尔元件10内的电阻由于温度不均匀，因而电阻值也变得不均匀，存在电阻值低的场所和电阻值高的场所。这里，若通过旋转电流进行偏移消除，则上述电阻R1、R2、R3、R4的电阻值由于温度的变化而变化，无法进行偏移消除。

因此，在具有霍尔元件、和在驱动霍尔元件的电路中作为发热源的元件的霍尔传感器中，由于发热的影响而在霍尔元件10内产生温度分布，无法通过专利文献1的旋转电流法去除偏移电压。

另外，通过专利文献2的方法能够调整电阻值，但要使用多个耗尽层控制电极，还需要复杂的控制电路，因而具有芯片尺寸增大、成本增加等缺点。

因此，本发明的课题在于提供一种霍尔传感器，在驱动霍尔元件的电路中具有作为发热源的元件的霍尔传感器中，不会由于复杂的校正电路或隔开距离等而使芯片面积增大，即使由于发热的影响而在霍尔元件120内产生温度分布，也能够通过旋转电流消除偏移。

用于解决课题的手段

为了解决上述课题，本发明如下构成。

一种霍尔传感器，其特征在于，具有：

霍尔元件，其设置在半导体衬底上；

作为发热源的元件，其设置在所述霍尔元件的周围；以及

两对端子，它们配置于所述霍尔元件，兼用作控制电流输入端子和霍尔电压输出端子，

在所述两对端子中，流过一对端子间的霍尔元件控制电流1和流过另一对端子间的霍尔元件控制电流2作为矢量相交，

所述霍尔元件具有关于沿着所述霍尔元件控制电流1和所述霍尔元件控制电流2的矢量和的直线为线对称的形状，

在所述作为发热源的元件中，发热源的中心位于沿着所述霍尔元件控制电流1和所述霍尔元件控制电流2的矢量和的直线上。

发明的效果

通过使用上述单元，在驱动霍尔元件的电路中具有作为发热源的元件的霍尔传感器中，即使由于发热的影响而在霍尔元件内产生温度分布，也能够通过旋转电流去除偏移电压。

另外，由于不使用复杂的电路、并且不用拉开所述发热源与霍尔元件之间的距离，因而能够去除偏移电压、并且能够减小芯片尺寸、抑制成本。

附图说明

图1是本发明第一实施方式的霍尔传感器的俯视图。

图2是本发明第二实施方式的霍尔传感器的俯视图。

图3是本发明第三实施方式的霍尔传感器的俯视图。

图4是本发明第四实施方式的霍尔传感器的俯视图。

图5是针对霍尔元件与发热源的位置关系示出了基于旋转电流的偏移电压与温度分布的关系的图表。

图6是用于说明理想的霍尔效应的原理的图。

图7是用于说明通过旋转电流去除偏移电压的方法的图。

图8是用于说明霍尔元件的偏移电压的等效电路的图。

具体实施方式

下面参照附图对用于实施本发明的方式进行详细说明。

实施例1

图1是表示本发明的第一实施方式的霍尔传感器的俯视图。霍尔传感器由感应磁场的霍尔元件、以及驱动或控制霍尔元件的电路构成。

首先对霍尔元件的形状进行说明。如图1所示，霍尔元件120在半导体衬底上，具有正方形的由N型杂质区域121构成的磁感应部、以及配置在正方形的磁感应部的各顶点处的同一形状的由N型高浓度杂质区域构成的控制电流输入端子和霍尔电压输出端子110A、110B、110C、110D。通过制成上述形态的霍尔元件120，成为具有对称性的霍尔元件。

接着对霍尔元件与发热源的位置关系进行说明。在形成了霍尔元件120的衬底上，具有驱动霍尔元件120的电路。在该电路中大多具有作为发热源130的元件。例如，在半导体霍尔传感器的内部电路使用的不是电源电压、而是电压调节器将电源电压降压而生成的内部电源电压的情况下，电压调节器或流过大电流的电阻元件等可能成为发热源。因此，如图1所示，使发热源130的中心对准到在霍尔元件120中沿着基于旋转电流法的两个方向的霍尔元件控制电流JS1和JS2的矢量和VC1的直线上。由此，能够排除来自发热源130的热对霍尔元件的偏移的影响。

此处，发热源的中心是指，从上部观察发热源而绘出体现温度梯度的等温线时，处于等温线的顶峰的温度的最高点或区域。

霍尔元件优选具有关于沿着基于旋转电流法的两个方向的霍尔元件控制电流JS1和JS2的矢量和的直线为线对称的形状。

下面对利用上述方式去除霍尔元件的偏移的原理进行说明。

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和霍尔电压输出端子110A、110B、110C、110D分别与图7的T1、T3、T2、T4连接。在使用图8的等效电路时，在此，在室温下无温度梯度的情况下，R2＝R4成立。因此，能够通过旋转电流消除偏移。其次，若各电阻的温度不同或有温度梯度，则各电阻值不同。即，R2变成R2′、R4变成R4′。若有温度梯度，则通常R2′≠R4′。需要说明的是，此处，R1≠R3，即使产生温度梯度，也是R1′≠R3′。

若再次使用前面所用的计算式进行说明，则在室温下无温度梯度的情况下，在对一方的一对端子T1、T2施加电压Vin时，流过霍尔元件控制电流JS1，在另一方的一对端子T3、T4间输出如下的霍尔电压。

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输出如下的霍尔电压。

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

在此，若直接取基于旋转电流的两个方向的输出电压之差，则在无温度梯度的状态下，根据上述假设，R2＝R4，因而在下式中，偏移电压可以为零。

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

但是，在产生温度梯度时，电阻值会不同，R2变成R2′，R4变成R4′。因此，输出电压之差变成下式表示的值，无法为零。

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

但是，对于霍尔元件与发热源的位置关系，通过如图1所示那样，使发热源130的中心对准到在基于旋转电流法的两个方向的霍尔元件控制电流JS1和JS2的矢量和VC1的延长线上，即使电阻R2、R4受到发热的影响而变成R2′、R4′，由于它们相对于沿着两个方向的霍尔元件控制电流JS1和JS2的矢量和VC1的直线而对称地配置，因而处于相同的温度梯度，在维持R2＝R4的关系的情况下，能够成为R2′＝R4′。

从而，若取输出电压之差，则Vout＝Vouta′-Voutb′＝0，能够通过旋转电流去除偏移电压。

另外，图5是示出霍尔元件内的最大与最小的温度差和基于旋转电流的偏移去除后的偏移的磁场换算值的实验图。附注A为取图1所示的实施例1的配置的情况下的测量结果，附注B为在相对于霍尔元件控制电流矢量和VC1垂直的方向上配置发热源的情况下的测量结果。由图5的测量结果也可知，通过使霍尔元件与发热源的位置关系如图1所示，能够去除偏移。

实施例2

作为第一实施方式，使用图1对发热源为一个的情况进行了说明，但控制霍尔元件的电路中的发热元件并不限于一个。图2是示出了在控制霍尔元件120的电路中存在多个发热元件(发热源)130A、130B的情况下的本发明的实施方式的霍尔传感器的俯视图。

即使在存在多个发热源的情况下，通过使各发热源130A、130B的中心对准到基于旋转电流法的两个方向的霍尔元件控制电流JS1和JS2的矢量和VC1的延长线上，也能够去除偏移。

此处，发热源的中心是指，从上部观察发热源而绘出体现温度梯度的等温线时，处于等温线的顶峰的温度的最高点或区域。

霍尔元件优选具有沿着穿过基于旋转电流法的两个方向的霍尔元件控制电流JS1和JS2的矢量和的直线呈线对称的形状。

实施例3

此外，在如图3所示需要在与图1和图2垂直的方向上配置发热源的情况下，可以按照使发热源130的中心对准到霍尔元件控制电流JS1、JS2的矢量和VC1的延长线上的方式，对霍尔元件控制电流JS1、JS2的方向进行优化，从而能够去除偏移。

实施例4

此外，霍尔元件120的形状并不限于图1所示那样的正方形。在图4所示那样的具有十字形的由N型杂质区域121构成的磁感应部、和位于其4个端部的由N型高浓度杂质区域构成的霍尔电流控制电极和霍尔电压输出端子(110A～110D)的霍尔元件120中，通过使发热源130的中心对准到霍尔元件控制电流JS1和JS2的矢量和VC1的延长线上，也能够排除来自发热源130的热对霍尔元件的偏移的影响，能够去除偏移。

即，只要霍尔元件的形状为正方形、十字形等具有线对称性的形状，通过使发热源130的中心对准到霍尔元件控制电流JS1和JS2的矢量和VC1的延长线上，即能够通过旋转电流去除偏移。

此处，发热源的中心是指，从上部观察发热源而绘出体现温度梯度的等温线时，处于等温线的顶峰的温度的最高点或区域。

霍尔元件优选具有沿着穿过基于旋转电流法的两个方向的电流JS1和JS2的矢量和的直线呈线对称的形状。

如上所述，本发明能够实现下述的霍尔传感器：其不使用复杂的电路，减小了霍尔元件与控制霍尔元件的电路中的发热元件的距离，即使霍尔元件内的温度分布增大，也能够通过旋转电流去除偏移，并且能够减小芯片面积、抑制成本。

标号说明

10、120：霍尔元件

121：N型杂质区域

130、130A、130B：霍尔元件驱动电路的发热源

110A、110B、110C、110D：由N型高浓度杂质区域构成的霍尔电压输出端子和控制电流输入端子

2、12：电源

3、13：电压表

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：霍尔元件控制电流

VC1：霍尔元件控制电流矢量和

Claims (3)

1.一种霍尔传感器，其特征在于，具有：

霍尔元件，其设置在半导体衬底上；

作为发热源的元件，其设置在所述霍尔元件的周围；以及

两对端子，它们配置于所述霍尔元件，兼用作控制电流输入端子和霍尔电压输出端子，

在所述两对端子中，流过一对端子间的第一霍尔元件控制电流和流过另一对端子间的第二霍尔元件控制电流作为矢量相交，

所述霍尔元件具有关于沿着所述第一霍尔元件控制电流和所述第二霍尔元件控制电流的矢量和的直线为线对称的形状，

在所述作为发热源的元件中，发热源的中心位于沿着所述第一霍尔元件控制电流和所述第二霍尔元件控制电流2的矢量和的直线上。

2.根据权利要求1所述的霍尔传感器，其特征在于，

所述霍尔元件具有：正方形或十字形的具有对称性的磁感应部；以及位于该磁感应部的各顶点和端部的同一形状的N型高浓度杂质区域的控制电流输入端子和霍尔电压输出端子。

3.根据权利要求1或2所述的霍尔传感器，其特征在于，

能够通过旋转电流去除偏移电压。