TW201632910A

TW201632910A - 霍爾感測器及藉由霍爾感測器之溫度分布所為之偏置的補償方法

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Publication number: TW201632910A
Application number: TW104137910A
Authority: TW
Inventors: 飛岡孝明; 秋野勝
Original assignee: 精工半導體有限公司
Priority date: 2014-11-27
Filing date: 2015-11-17
Publication date: 2016-09-16
Also published as: JP6483418B2; CN105652220A; TWI683119B; CN105652220B; KR20160064000A; JP2016102702A; US9945912B2; US20160154066A1

Abstract

本發明之霍爾感測器係霍爾元件及霍爾元件的驅動電路之中成為發熱源的元件被近接配置在矽基板上的霍爾感測器，由近接配置在霍爾元件的周圍的溫度感測器的訊號，向量式選擇藉由前述霍爾元件的自旋電流所致之2方向的控制電流的方向，藉此可去除因發熱源的發熱所致之磁性偏置。

Description

霍爾感測器及藉由霍爾感測器之溫度分布所為之偏置的補償方法

本發明係關於具備有：半導體霍爾元件及驅動半導體霍爾元件的電路的霍爾感測器。尤其係關於可去除偏置電壓的霍爾感測器。

首先說明藉由霍爾元件所為之磁場的檢測原理。若施加相對在物質中流動的電流呈垂直的磁場，會以相對該電流與磁場之雙方呈垂直的方向產生電場(霍爾電壓)。由該霍爾電壓的大小求出磁場強度，即為藉由霍爾元件所為之磁性檢測的原理。

圖3係用以說明理想的霍爾效應的原理的圖。若考慮到理想的霍爾元件時，若設為霍爾元件磁感部1的寬幅W、長度L、電子移動度μ、用以流通電流的電源2的施加電壓Vdd、施加磁場B時，由電壓計3被輸出的霍爾電壓VH係可表示為：VH=μB(W/L)Vdd。與施加磁場B成正比的係數成為磁性敏感度，因此該霍爾元件的磁性敏感度Kh係表示為：Kh=μ(W/L)Vdd。

另一方面，在實際的霍爾元件中，即使為未被施加磁場之時，亦產生輸出電壓。將該磁場0之時被輸出的電壓稱為偏置電壓。產生偏置電壓的原因被認為是由外部施加至元件的機械應力或在製造過程中的對準偏移等因元件內部的電位分布不均衡所致者。在實際應用上，必須以可視為偏置電壓為0的方式進行補償。

偏置電壓的補償一般利用以下方法進行。

圖4係顯示藉由自旋電流所致之偏置消除電路的原理的電路圖。霍爾元件10為對稱的形狀，具有4端子T1、T2、T3、T4，俾以對1對輸入端子流通控制電流，由其他1對輸出端子取得輸出電壓。若霍爾元件的其中一對端子T1、T2成為控制電流輸入端子，另一對端子T3、T4即成為霍爾電壓輸出端子。此時，若對輸入端子施加電壓Vin，在輸出端子係發生輸出電壓Vh+Vos。在此Vh係表示與霍爾元件所發生的磁場成正比的霍爾電壓，Vos係表示偏置電壓。接著，將T3、T4設為控制電流輸入端子，T1、T2設為霍爾電壓輸出端子，若在T3、T4間施加輸入電壓Vin，在輸出端子係發生電壓-Vh+Vos。S1~S4為感測器端子切換手段，藉由切換訊號發生器11選擇N1或N2的端子。

藉由將以上以2方向流通電流時的輸出電壓進行減算，偏置電壓Vos被消除，可得與磁場成正比的輸出電壓 2Vh(參照例如專利文獻1)。

但是，以該偏置消除電路無法完全消除偏置電壓。其理由說明如下。

霍爾元件係以圖5所示之等效電路表示。亦即，霍爾元件係可將4個端子表示為以4個電阻R1、R2、R3、R4相連接的橋接電路。藉由該模型，說明如前所述藉由將以2方向流通電流時的輸出電壓進行減算來消除偏置電壓。

若對霍爾元件的其中一對端子T1、T2施加電壓Vin，在另一對端子T3、T4間係被輸出霍爾電壓：Vouta=(R2*R4-R1*R3)/(R1+R4)/(R2+R3)*Vin。另一方面，若對端子T3、T4施加電壓Vin，在T1、T2係被輸出霍爾電壓：Voutb=(R1*R3-R2*R4)/(R3+R4)/(R1+R2)*Vin。

因此，若取得2方向的輸出電壓的差，即成為：Vouta-Voutb=(R1-R3)*(R2-R4)*(R2*R4-R1*R3)/(R1+R4)/(R2+R3)/(R3+R4)/(R1+R2)*Vin。因此，偏置電壓即使在各個等效電路的電阻R1、R2、R3、R4為不同的情形下，若為R1=R3或R2=R4，即可將偏置消除。此時，以即使改變施加電壓的端子，各電阻值亦不會改變為前提。但是，若不滿足該前提，例如即使在一方向設為R1=R3的情形下，若在另一方向無法滿足該關係時，即無法使前述差分成為零，因此變得無法將偏置消除。進一步具體說明因電壓的施加方向而無法進行偏置消除的原因之一。

霍爾元件的構造一般而言成為霍爾元件磁感部的N型雜質區域的周邊部由於呈分離，因此被P型雜質區域所包圍。若對霍爾電流輸入端子施加電壓，在霍爾元件磁感部及其周邊部的交界係空乏層擴展。在空乏層中並不流通霍爾電流，因此在空乏層擴展的區域，霍爾電流受到抑制，電阻增加。此外，空乏層寬幅係取決於施加電壓。因此，圖5所示之等效電路的電阻R1、R2、R3、R4係值依電壓施加方向而改變，因此產生無法以偏置消除電路進行磁性偏置消除的情形。

亦有採取在元件周邊及元件上部配置空乏層控制電極，將空乏層朝霍爾元件內延伸，藉由調節施加至各個電極的電壓來抑制空乏層的方法的情形(參照例如專利文獻2)。

〔先前技術文獻〕〔專利文獻〕

〔專利文獻1〕日本特開平06-186103號公報

〔專利文獻2〕日本特開平08-330646號公報

霍爾元件10內的溫度並不一樣，若具有分布時，霍爾元件10內的電阻亦溫度不一樣，因此電阻值亦變得不一樣，而存在電阻值低的場所及電阻值高的場所。在此，若欲進行藉由自旋電流所為之偏置消除，前述電阻R1、R2、R3、R4係電阻值依溫度而改變，變得無法進行偏置消除。

因此，在具有霍爾元件及驅動霍爾元件的電路之中成為發熱源的元件的霍爾感測器中，因發熱的影響，在霍爾元件10內發生溫度分布，無法進行專利文獻1之藉由自旋電流法所為之偏置電壓去除。

此外，藉由專利文獻2的方法，雖然可調整電阻值，但是使用複數空乏層控制電極，亦必須形成為複雜的控制電路，因此有晶片尺寸變大，造成成本上升等問題點。

因此，在具有驅動霍爾元件的電路之中成為發熱源的元件的霍爾感測器中，目的在提供不會發生因複雜的補正電路的附加或使元件間的距離分離等所致之晶片面積的增大，即使因發熱的影響而在霍爾元件內發生溫度分布，亦可進行藉由自旋電流所致之偏置消除的霍爾感測器。

為解決上述課題，本發明係形成以下所示之構成。

亦即，形成為一種霍爾感測器，其係具有：半導體基板；設在前述半導體基板上之具有4根對稱軸的霍爾元件；被配置在前述霍爾元件且兼做控制電流輸入端子及霍爾電壓輸出端子的二對端子；設在前述霍爾元件的周圍的前述半導體基板上之成為發熱源的元件；及以具有4根對稱軸的方式，被配置在成為前述霍爾元件的外側的前述半導體基板上的複數溫度感測器。

藉由使用上述手段，在具有在驅動霍爾元件的電路之中成為發熱源的元件的霍爾感測器中，即使因發熱的影響而在霍爾元件內發生溫度分布，亦可將因自旋電流所致之偏置電壓去除。

此外，由於不使用複雜的電路、或使前述發熱源與霍爾元件間距離分離，因此可提供可去除偏置電壓，而且晶片尺寸小且成本受到抑制的霍爾感測器。

1‧‧‧霍爾元件磁感部

2、12‧‧‧電源

3、13‧‧‧電壓計

10、120‧‧‧霍爾元件

11‧‧‧切換訊號發生器

11A、11B、11C、11D‧‧‧霍爾電壓輸出端子及控制電流輸入端子

110、110A、110B、110C、110D‧‧‧N型高濃度雜質區域

121‧‧‧N型雜質區域

130‧‧‧霍爾元件驅動電路發熱源

140A、140B、140C、140D‧‧‧溫度感測器

JS1、JS2‧‧‧霍爾元件的控制電流

B‧‧‧施加磁場

L‧‧‧長度

N1、N2‧‧‧端子

R1、R2、R3、R4‧‧‧電阻

S1、S2、S3、S4‧‧‧感測器端子切換手段

T1、T2、T3、T4‧‧‧端子

VC‧‧‧霍爾元件的控制電流的向量和

W‧‧‧寬幅

圖1係本發明之實施形態之霍爾感測器的平面圖。

圖2係顯示若發熱源為一個時與流至霍爾元件的電流的方向的關係的圖。

圖3係用以說明理想的霍爾效應的原理的圖。

圖4係用以說明藉由自旋電流所為之偏置電壓之去除方法的圖。

圖5係用以說明霍爾元件之偏置電壓的等效電路的圖。

圖6係顯示藉由自旋電流所致之偏置電壓及溫度分布的關係的圖表。

以下一邊參照圖示，一邊詳細說明用以實施本發明之形態。

圖1係表示本發明之實施形態之霍爾感測器的平面圖。霍爾感測器係由感受磁性的霍爾元件、及驅動或控制霍爾元件的電路所構成。

首先，說明霍爾元件的平面形狀。如圖1所示，霍爾元件120係在半導體基板上具有由正方形的N型雜質區域121所構成的磁感部及被配置在正方形的磁感部的各頂點的同一形狀的N型高濃度雜質區域的控制電流輸入端子及霍爾電壓輸出端子110A、110B、110C、110D。藉由形成為正方形的霍爾元件120，成為具有4根對稱軸之具對稱性的霍爾元件。

接著，在霍爾元件的周邊配置有溫度感測器140A、140B、140C、140D。溫度感測器係可由被作成在與霍爾元件120為同一基板上的PN接合或多晶矽的電阻所形成。溫度感測器係如圖1所示近接霍爾元件120的周圍，配置4個以上。在圖1中係鄰接霍爾元件120的各邊中央部的外側配置有溫度感測器。配置溫度感測器的位置並非如圖1所示僅限於霍爾元件120的各邊中央部。可鄰接配置在霍爾元件120的各頂點，或鄰接配置複數在各邊。關於配置，係以具有與霍爾元件為相同的對稱性為佳。

接著，圖2係顯示若發熱源為一個時發熱源的位置與流至霍爾元件的電流的方向的關係的圖。使用該圖，說明若有發熱源時，設定流至霍爾元件的電流的方向的原理。

在形成有霍爾元件120的半導體基板上設有用以驅動霍爾元件120的電路。接著，在該電路之中，係另外假設成為發熱源130的元件雖在霍爾元件的外側但位於附近。例如，半導體霍爾感測器的內部電路並非為電源電壓，而是若使用藉由電壓調整器將電源電壓降壓而生成的內部電源電壓時，電壓調整器可成為發熱源。此外，流通大電流的電阻元件等亦可成為發熱源。

若發熱源為一個，如圖2所示，在霍爾元件120，使發熱源130之中心對合在藉由自旋電流法所致之2方向的電流JS1及JS2的向量和VC1的延長線上。藉此可進行霍爾元件的偏置去除。關於可偏置去除的理由，容後敘述。在此，發熱源之中心意指當由上方觀看發熱源而描繪表示溫度梯度的等溫線時，位於等溫線頂點的溫度最高點或區域。

接著，若發熱源有複數、或發熱源依動作條件而移動時，由於可進行藉由自旋電流法所為之偏置去除，因此首先藉由上述複數溫度感測器，來測定霍爾元件120周邊的溫度。接著，藉由自旋電流法所致之流至霍爾元件120的2方向的電流JS1與JS2的向量和VC1以相對將在以各個溫度感測器所被測定出的溫度之中為最大值與最小值相連結的直線，亦即，測定值中的溫度梯度成為最大的方向成為平行的方式，設定2方向的電流，藉此與之前所說明的發熱源為一個時同樣地，可進行偏置的去除。

以下藉由上述形態，藉由等效電路，說明去除霍爾元件的偏置的原理。

圖1的霍爾元件120的N型高濃度雜質區域的控制電流端子及霍爾電壓輸出端子110A、110B、110C、110D係分別與圖4的T1、T3、T2、T4相連接。若使用圖5的等效電路，在此若在室溫下不具溫度梯度，即成立R2=R4。因此，可藉由自旋電流來消除偏置。接著，若各電阻的溫度不同或具有溫度梯度時，各電阻值為不同。亦即假設R2成為R2’，R4成為R4’。若具有溫度梯度，一般而言係成為R2’≠R4’。其中，在此，為R1≠R3，即使產生溫度梯度，亦為R1’≠R3’。

若再次使用之前所使用的式子進行說明，若在室溫下不具溫度梯度，若對其中一對端子T1、T2施加電壓Vin，即流通霍爾元件控制電流JS1，在另一對端子T3、T4間係被輸出霍爾電壓：Vouta=(R2*R4-R1*R3)/(R1+R4)/(R2+R3)*Vin。另一方面，若對端子T3、T4施加電壓Vin，即流通電流JS2，在T1、T2係被輸出霍爾電壓：Voutb=(R1*R3-R2*R4)/(R3+R4)/(R1+R2)*Vin。

在此若照原樣取得藉由自旋電流所得之2方向的輸出電壓的差，在不具溫度梯度的狀態下，藉由上述假定，為R2=R4，因此在下式中，可將偏置電壓設為零。

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

但是，若產生溫度梯度，電阻值為不同，R2成為R2’，R4成為R4’。因此，輸出電壓的差係成為以下式所示之值，變成無法設為零。

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

但是，藉由將霍爾元件與發熱源的位置關係，如圖2所示，將發熱源130之中心對合在藉由自旋電流法所致之2方向的霍爾元件控制電流JS1及JS2的向量和VC1的延長線上，藉此電阻R2、R4即使受到發熱影響而成為R2’、R4’，亦相對沿著2方向的霍爾元件控制電流JS1及JS2的向量和VC1的直線，作對稱配置，因此成為處於相同溫度梯度的基礎，可在維持R2=R4的關係的情況下成為R2’=R4’。

因此，若取得輸出電壓的差，即成為：Vout=Vouta’-Voutb’=0，藉由自旋電流所致之偏置電壓即可去除。

此外，圖6係顯示霍爾元件內的最大與最小的溫度差與藉由自旋電流所為之偏置去除後的偏置的磁場換算值的實驗圖。範例A為取得圖6(A)所示配置時的測定結果，範例B為如圖6(B)所示以相對霍爾元件控制電流向量和VC1呈垂直方向配置發熱源時的測定結果。由圖6的測定結果亦可知藉由適當設定霍爾元件與發熱源的位置關係，可將偏置去除。

其中，霍爾元件並非僅侷限於圖1所示之正方形的霍爾元件120。如在十字型的磁感部及其4個端部具有N型高濃度雜質區域的霍爾電流控制電極及霍爾電壓輸出端子的霍爾元件般，同樣地，若為具有4根對稱軸之具對稱性的霍爾元件，即可適用本發明。

110A、110B、110C、110D‧‧‧N型高濃度雜質區域

120‧‧‧霍爾元件

121‧‧‧N型雜質區域

140A、140B、140C、140D‧‧‧溫度感測器

Claims

一種霍爾感測器，其係具有：半導體基板；設在前述半導體基板上之具有4根對稱軸的霍爾元件；被配置在前述霍爾元件且兼做控制電流輸入端子及霍爾電壓輸出端子的二對端子；設在前述霍爾元件的周圍的前述半導體基板上之成為發熱源的元件；及以具有4根對稱軸的方式，被配置在成為前述霍爾元件的外側的前述半導體基板上的複數溫度感測器。
如申請專利範圍第1項之霍爾感測器，其中，前述霍爾元件係平面形狀為正方形。
如申請專利範圍第1項之霍爾感測器，其中，前述霍爾元件係平面形狀為十字型。
如申請專利範圍第1項之霍爾感測器，其中，在前述二對端子中，流至一對端子間的第1霍爾元件控制電流、與流至其他一對端子間的第2霍爾元件控制電流形成為向量而相交，前述第1霍爾元件控制電流與前述第2霍爾元件控制電流的向量和，以相對將在藉由前述複數溫度感測器所測定出的溫度之中為最大值及最小值相連結的直線成為平行的方式，設定前述第1及第2霍爾元件控制電流。
一種藉由霍爾感測器之溫度所為之偏置的補償方法，該霍爾感測器係具有：半導體基板；設在前述半導體基板上之具有4根對稱軸的霍爾元件；被配置在前述霍爾元件且兼做控制電流輸入端子及霍爾電壓輸出端子的二對端子；設在前述霍爾元件的周圍的前述半導體基板上之成為發熱源的元件；及以具有4根對稱軸的方式，被配置在成為前述霍爾元件的外側的前述半導體基板上的複數溫度感測器，在前述二對端子中，流至一對端子間的第1霍爾元件控制電流、與流至其他一對端子間的第2霍爾元件控制電流形成為向量而相交，前述霍爾元件係前述第1霍爾元件控制電流與前述第2霍爾元件控制電流的向量和，以相對將在藉由前述複數溫度感測器所測定出的溫度之中為最大值及最小值相連結的直線成為平行的方式，設定前述第1及第2霍爾元件控制電流，藉此將前述偏置去除。