本發(fā)明涉及具備半導(dǎo)體霍爾元件和驅(qū)動(dòng)半導(dǎo)體霍爾元件的電路的霍爾傳感器，特別涉及能夠去除偏移電壓的霍爾傳感器。

背景技術(shù)：

首先對(duì)霍爾元件的磁檢測(cè)原理進(jìn)行說(shuō)明。在施加與物質(zhì)中流過(guò)的電流垂直的磁場(chǎng)時(shí)，在與該電流和磁場(chǎng)雙方垂直的方向上產(chǎn)生電場(chǎng)(霍爾電壓)。由該霍爾電壓的大小求出磁場(chǎng)的強(qiáng)度，這就是利用霍爾元件進(jìn)行磁檢測(cè)的原理。

在考慮圖6那樣的霍爾元件時(shí)，當(dāng)設(shè)霍爾元件磁感應(yīng)部1的寬度為W、長(zhǎng)度為L(zhǎng)、電子遷移率為μ、用于使電流流過(guò)的電源2的施加電壓為Vdd、施加磁場(chǎng)為B時(shí)，從電壓表3輸出的霍爾電壓VH可以表述為下式。

VH＝μB(W/L)Vdd

與施加磁場(chǎng)B成比例的系數(shù)為磁靈敏度，因此該霍爾元件的磁靈敏度Kh表述為下式。

Kh＝μ(W/L)Vdd

另一方面，在實(shí)際的霍爾元件中，即使不被施加磁場(chǎng)，也產(chǎn)生輸出電壓。將該磁場(chǎng)為0時(shí)所輸出的電壓稱為偏移電壓。產(chǎn)生偏移電壓的原因可認(rèn)為是由于從外部對(duì)元件施加的機(jī)械應(yīng)力、或制造過(guò)程中的對(duì)準(zhǔn)偏差等元件內(nèi)部的電位分布的不均衡所導(dǎo)致的。

偏移電壓的補(bǔ)償一般通過(guò)下述方法進(jìn)行。

圖7是示出基于旋轉(zhuǎn)電流的偏移消除電路的原理的電路圖?；魻栐?0為對(duì)稱的形狀，具有4個(gè)端子T1、T2、T3、T4，用于使控制電流流向一對(duì)輸入端子，從另一對(duì)輸出端子得到輸出電壓。在霍爾元件的一方的一對(duì)端子T1、T2成為控制電流輸入端子的情況下，另一方的一對(duì)端子T3、T4成為霍爾電壓輸出端子。此時(shí)，若對(duì)輸入端子施加電壓Vin，則在輸出端子產(chǎn)生輸出電壓Vh+Vos。在此，Vh表示與霍爾元件產(chǎn)生的磁場(chǎng)成比例的霍爾電壓，Vos表示偏移電壓。接著，若將T3、T4作為控制電流輸出端子、將T1、T2作為霍爾電壓輸出端子，并在T3、T4間施加輸入電壓Vin，則在輸出端子產(chǎn)生電壓-Vh+Vos。S1～S4是傳感器端子切換單元，通過(guò)切換信號(hào)發(fā)生器11選擇N1端子或N2端子。

通過(guò)對(duì)上述的在兩個(gè)方向流過(guò)電流時(shí)的輸出電壓進(jìn)行相減，能夠消除偏移電壓Vos，得到與磁場(chǎng)成比例的輸出電壓2Vh(例如，參見(jiàn)專利文獻(xiàn)1)。

但是，有時(shí)利用該偏移消除電路無(wú)法完全消除偏移電壓，下面對(duì)這種情況進(jìn)行說(shuō)明。

霍爾元件由圖8所示的等效電路來(lái)表示。即，霍爾元件能夠以由4個(gè)電阻R1、R2、R3、R4連接4個(gè)端子而成的橋式電路的形式來(lái)表示。利用該模型對(duì)于如上所述的通過(guò)對(duì)在兩個(gè)方向流過(guò)電流時(shí)的輸出電壓進(jìn)行相減而消除偏移電壓的情況進(jìn)行說(shuō)明。

若對(duì)霍爾元件的一方的一對(duì)端子T1、T2施加電壓Vin，則在另一方的一對(duì)端子T3、T4間輸出如下的霍爾電壓。

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

另一方面，若對(duì)端子T3、T4施加電壓Vin，則在T1、T2輸出如下的霍爾電壓。

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

因此，若取兩個(gè)方向的輸出電壓之差，則為：

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

從而，關(guān)于偏移電壓，即使在各等效電路的電阻R1、R2、R3、R4不同的情況下，只要R1＝R3或者R2＝R4，也能夠消除偏移。這種情況的前提是，即使改變施加電壓的端子，各電阻值也沒(méi)有變化。但是，在不滿足該前提的情況下，例如即使在一個(gè)方向的R1＝R3的情況下，在另一方向無(wú)法滿足該關(guān)系時(shí)，上述的差值也無(wú)法為零，因而無(wú)法消除偏移。下面對(duì)無(wú)法通過(guò)電壓的施加方向消除偏移的原因之一進(jìn)一步具體說(shuō)明。

在霍爾元件的結(jié)構(gòu)中，通常，作為霍爾元件磁感應(yīng)部的N型雜質(zhì)區(qū)域的周邊部為了分離而被P型雜質(zhì)區(qū)域包圍。若對(duì)霍爾電流施加端子施加電壓，則耗盡層在霍爾元件磁感應(yīng)部與其周邊部的邊界處擴(kuò)展。由于在耗盡層中不流過(guò)霍爾電流，因而在耗盡層擴(kuò)展的區(qū)域，霍爾電流受到抑制，電阻增大。另外，耗盡層寬度取決于施加電壓。因此，由于圖8所示的等效電路的電阻R1、R2、R3、R4的值根據(jù)電壓施加方向而發(fā)生變化，因而產(chǎn)生無(wú)法利用偏移消除電路消除磁偏移的情況。

有時(shí)也采用下述的方法：在元件周邊和元件上部配置耗盡層控制電極，針對(duì)耗盡層向霍爾元件內(nèi)延伸的情況，調(diào)節(jié)施加到各電極的電壓，從而抑制耗盡層(例如，參見(jiàn)專利文獻(xiàn)2)。

現(xiàn)有技術(shù)文獻(xiàn)

專利文獻(xiàn)

專利文獻(xiàn)1：日本特開平06-186103號(hào)公報(bào)

專利文獻(xiàn)2：日本特開平08-330646號(hào)公報(bào)

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

發(fā)明所要解決的課題

在霍爾元件10內(nèi)的溫度不均勻而具有分布的情況下，霍爾元件10內(nèi)的電阻由于溫度不均勻，因而電阻值也變得不均勻，存在電阻值低的場(chǎng)所和電阻值高的場(chǎng)所。這里，若通過(guò)旋轉(zhuǎn)電流進(jìn)行偏移消除，則上述電阻R1、R2、R3、R4的電阻值由于溫度的變化而變化，無(wú)法進(jìn)行偏移消除。

因此，在具有霍爾元件、和在驅(qū)動(dòng)霍爾元件的電路中作為發(fā)熱源的元件的霍爾傳感器中，由于發(fā)熱的影響而在霍爾元件10內(nèi)產(chǎn)生溫度分布，無(wú)法通過(guò)專利文獻(xiàn)1的旋轉(zhuǎn)電流法去除偏移電壓。

另外，通過(guò)專利文獻(xiàn)2的方法能夠調(diào)整電阻值，但要使用多個(gè)耗盡層控制電極，還需要復(fù)雜的控制電路，因而具有芯片尺寸增大、成本增加等缺點(diǎn)。

因此，本發(fā)明的課題在于提供一種霍爾傳感器，在驅(qū)動(dòng)霍爾元件的電路中具有作為發(fā)熱源的元件的霍爾傳感器中，不會(huì)由于復(fù)雜的校正電路或隔開距離等而使芯片面積增大，即使由于發(fā)熱的影響而在霍爾元件120內(nèi)產(chǎn)生溫度分布，也能夠通過(guò)旋轉(zhuǎn)電流消除偏移。

用于解決課題的手段

為了解決上述課題，本發(fā)明如下構(gòu)成。

一種霍爾傳感器，其特征在于，具有：

霍爾元件，其設(shè)置在半導(dǎo)體襯底上；

作為發(fā)熱源的元件，其設(shè)置在所述霍爾元件的周圍；以及

兩對(duì)端子，它們配置于所述霍爾元件，兼用作控制電流輸入端子和霍爾電壓輸出端子，

在所述兩對(duì)端子中，流過(guò)一對(duì)端子間的霍爾元件控制電流1和流過(guò)另一對(duì)端子間的霍爾元件控制電流2作為矢量相交，

所述霍爾元件具有關(guān)于沿著所述霍爾元件控制電流1和所述霍爾元件控制電流2的矢量和的直線為線對(duì)稱的形狀，

在所述作為發(fā)熱源的元件中，發(fā)熱源的中心位于沿著所述霍爾元件控制電流1和所述霍爾元件控制電流2的矢量和的直線上。

發(fā)明的效果

通過(guò)使用上述單元，在驅(qū)動(dòng)霍爾元件的電路中具有作為發(fā)熱源的元件的霍爾傳感器中，即使由于發(fā)熱的影響而在霍爾元件內(nèi)產(chǎn)生溫度分布，也能夠通過(guò)旋轉(zhuǎn)電流去除偏移電壓。

另外，由于不使用復(fù)雜的電路、并且不用拉開所述發(fā)熱源與霍爾元件之間的距離，因而能夠去除偏移電壓、并且能夠減小芯片尺寸、抑制成本。

附圖說(shuō)明

圖1是本發(fā)明第一實(shí)施方式的霍爾傳感器的俯視圖。

圖2是本發(fā)明第二實(shí)施方式的霍爾傳感器的俯視圖。

圖3是本發(fā)明第三實(shí)施方式的霍爾傳感器的俯視圖。

圖4是本發(fā)明第四實(shí)施方式的霍爾傳感器的俯視圖。

圖5是針對(duì)霍爾元件與發(fā)熱源的位置關(guān)系示出了基于旋轉(zhuǎn)電流的偏移電壓與溫度分布的關(guān)系的圖表。

圖6是用于說(shuō)明理想的霍爾效應(yīng)的原理的圖。

圖7是用于說(shuō)明通過(guò)旋轉(zhuǎn)電流去除偏移電壓的方法的圖。

圖8是用于說(shuō)明霍爾元件的偏移電壓的等效電路的圖。

具體實(shí)施方式

下面參照附圖對(duì)用于實(shí)施本發(fā)明的方式進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。

實(shí)施例1

圖1是表示本發(fā)明的第一實(shí)施方式的霍爾傳感器的俯視圖?；魻杺鞲衅饔筛袘?yīng)磁場(chǎng)的霍爾元件、以及驅(qū)動(dòng)或控制霍爾元件的電路構(gòu)成。

首先對(duì)霍爾元件的形狀進(jìn)行說(shuō)明。如圖1所示，霍爾元件120在半導(dǎo)體襯底上，具有正方形的由N型雜質(zhì)區(qū)域121構(gòu)成的磁感應(yīng)部、以及配置在正方形的磁感應(yīng)部的各頂點(diǎn)處的同一形狀的由N型高濃度雜質(zhì)區(qū)域構(gòu)成的控制電流輸入端子和霍爾電壓輸出端子110A、110B、110C、110D。通過(guò)制成上述形態(tài)的霍爾元件120，成為具有對(duì)稱性的霍爾元件。

接著對(duì)霍爾元件與發(fā)熱源的位置關(guān)系進(jìn)行說(shuō)明。在形成了霍爾元件120的襯底上，具有驅(qū)動(dòng)霍爾元件120的電路。在該電路中大多具有作為發(fā)熱源130的元件。例如，在半導(dǎo)體霍爾傳感器的內(nèi)部電路使用的不是電源電壓、而是電壓調(diào)節(jié)器將電源電壓降壓而生成的內(nèi)部電源電壓的情況下，電壓調(diào)節(jié)器或流過(guò)大電流的電阻元件等可能成為發(fā)熱源。因此，如圖1所示，使發(fā)熱源130的中心對(duì)準(zhǔn)到在霍爾元件120中沿著基于旋轉(zhuǎn)電流法的兩個(gè)方向的霍爾元件控制電流JS1和JS2的矢量和VC1的直線上。由此，能夠排除來(lái)自發(fā)熱源130的熱對(duì)霍爾元件的偏移的影響。

此處，發(fā)熱源的中心是指，從上部觀察發(fā)熱源而繪出體現(xiàn)溫度梯度的等溫線時(shí)，處于等溫線的頂峰的溫度的最高點(diǎn)或區(qū)域。

霍爾元件優(yōu)選具有關(guān)于沿著基于旋轉(zhuǎn)電流法的兩個(gè)方向的霍爾元件控制電流JS1和JS2的矢量和的直線為線對(duì)稱的形狀。

下面對(duì)利用上述方式去除霍爾元件的偏移的原理進(jìn)行說(shuō)明。

圖1的霍爾元件120的N型高濃度雜質(zhì)區(qū)域的控制電流端子和霍爾電壓輸出端子110A、110B、110C、110D分別與圖7的T1、T3、T2、T4連接。在使用圖8的等效電路時(shí)，在此，在室溫下無(wú)溫度梯度的情況下，R2＝R4成立。因此，能夠通過(guò)旋轉(zhuǎn)電流消除偏移。其次，若各電阻的溫度不同或有溫度梯度，則各電阻值不同。即，R2變成R2′、R4變成R4′。若有溫度梯度，則通常R2′≠R4′。需要說(shuō)明的是，此處，R1≠R3，即使產(chǎn)生溫度梯度，也是R1′≠R3′。

若再次使用前面所用的計(jì)算式進(jìn)行說(shuō)明，則在室溫下無(wú)溫度梯度的情況下，在對(duì)一方的一對(duì)端子T1、T2施加電壓Vin時(shí)，流過(guò)霍爾元件控制電流JS1，在另一方的一對(duì)端子T3、T4間輸出如下的霍爾電壓。

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

另一方面，若對(duì)端子T3、T4施加電壓Vin，則流過(guò)電流JS2，在T1、T2輸出如下的霍爾電壓。

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

在此，若直接取基于旋轉(zhuǎn)電流的兩個(gè)方向的輸出電壓之差，則在無(wú)溫度梯度的狀態(tài)下，根據(jù)上述假設(shè)，R2＝R4，因而在下式中，偏移電壓可以為零。

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

但是，在產(chǎn)生溫度梯度時(shí)，電阻值會(huì)不同，R2變成R2′，R4變成R4′。因此，輸出電壓之差變成下式表示的值，無(wú)法為零。

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

但是，對(duì)于霍爾元件與發(fā)熱源的位置關(guān)系，通過(guò)如圖1所示那樣，使發(fā)熱源130的中心對(duì)準(zhǔn)到在基于旋轉(zhuǎn)電流法的兩個(gè)方向的霍爾元件控制電流JS1和JS2的矢量和VC1的延長(zhǎng)線上，即使電阻R2、R4受到發(fā)熱的影響而變成R2′、R4′，由于它們相對(duì)于沿著兩個(gè)方向的霍爾元件控制電流JS1和JS2的矢量和VC1的直線而對(duì)稱地配置，因而處于相同的溫度梯度，在維持R2＝R4的關(guān)系的情況下，能夠成為R2′＝R4′。

從而，若取輸出電壓之差，則Vout＝Vouta′-Voutb′＝0，能夠通過(guò)旋轉(zhuǎn)電流去除偏移電壓。

另外，圖5是示出霍爾元件內(nèi)的最大與最小的溫度差和基于旋轉(zhuǎn)電流的偏移去除后的偏移的磁場(chǎng)換算值的實(shí)驗(yàn)圖。附注A為取圖1所示的實(shí)施例1的配置的情況下的測(cè)量結(jié)果，附注B為在相對(duì)于霍爾元件控制電流矢量和VC1垂直的方向上配置發(fā)熱源的情況下的測(cè)量結(jié)果。由圖5的測(cè)量結(jié)果也可知，通過(guò)使霍爾元件與發(fā)熱源的位置關(guān)系如圖1所示，能夠去除偏移。

實(shí)施例2

作為第一實(shí)施方式，使用圖1對(duì)發(fā)熱源為一個(gè)的情況進(jìn)行了說(shuō)明，但控制霍爾元件的電路中的發(fā)熱元件并不限于一個(gè)。圖2是示出了在控制霍爾元件120的電路中存在多個(gè)發(fā)熱元件(發(fā)熱源)130A、130B的情況下的本發(fā)明的實(shí)施方式的霍爾傳感器的俯視圖。

即使在存在多個(gè)發(fā)熱源的情況下，通過(guò)使各發(fā)熱源130A、130B的中心對(duì)準(zhǔn)到基于旋轉(zhuǎn)電流法的兩個(gè)方向的霍爾元件控制電流JS1和JS2的矢量和VC1的延長(zhǎng)線上，也能夠去除偏移。

此處，發(fā)熱源的中心是指，從上部觀察發(fā)熱源而繪出體現(xiàn)溫度梯度的等溫線時(shí)，處于等溫線的頂峰的溫度的最高點(diǎn)或區(qū)域。

霍爾元件優(yōu)選具有沿著穿過(guò)基于旋轉(zhuǎn)電流法的兩個(gè)方向的霍爾元件控制電流JS1和JS2的矢量和的直線呈線對(duì)稱的形狀。

實(shí)施例3

此外，在如圖3所示需要在與圖1和圖2垂直的方向上配置發(fā)熱源的情況下，可以按照使發(fā)熱源130的中心對(duì)準(zhǔn)到霍爾元件控制電流JS1、JS2的矢量和VC1的延長(zhǎng)線上的方式，對(duì)霍爾元件控制電流JS1、JS2的方向進(jìn)行優(yōu)化，從而能夠去除偏移。

實(shí)施例4

此外，霍爾元件120的形狀并不限于圖1所示那樣的正方形。在圖4所示那樣的具有十字形的由N型雜質(zhì)區(qū)域121構(gòu)成的磁感應(yīng)部、和位于其4個(gè)端部的由N型高濃度雜質(zhì)區(qū)域構(gòu)成的霍爾電流控制電極和霍爾電壓輸出端子(110A～110D)的霍爾元件120中，通過(guò)使發(fā)熱源130的中心對(duì)準(zhǔn)到霍爾元件控制電流JS1和JS2的矢量和VC1的延長(zhǎng)線上，也能夠排除來(lái)自發(fā)熱源130的熱對(duì)霍爾元件的偏移的影響，能夠去除偏移。

即，只要霍爾元件的形狀為正方形、十字形等具有線對(duì)稱性的形狀，通過(guò)使發(fā)熱源130的中心對(duì)準(zhǔn)到霍爾元件控制電流JS1和JS2的矢量和VC1的延長(zhǎng)線上，即能夠通過(guò)旋轉(zhuǎn)電流去除偏移。

此處，發(fā)熱源的中心是指，從上部觀察發(fā)熱源而繪出體現(xiàn)溫度梯度的等溫線時(shí)，處于等溫線的頂峰的溫度的最高點(diǎn)或區(qū)域。

霍爾元件優(yōu)選具有沿著穿過(guò)基于旋轉(zhuǎn)電流法的兩個(gè)方向的電流JS1和JS2的矢量和的直線呈線對(duì)稱的形狀。

如上所述，本發(fā)明能夠?qū)崿F(xiàn)下述的霍爾傳感器：其不使用復(fù)雜的電路，減小了霍爾元件與控制霍爾元件的電路中的發(fā)熱元件的距離，即使霍爾元件內(nèi)的溫度分布增大，也能夠通過(guò)旋轉(zhuǎn)電流去除偏移，并且能夠減小芯片面積、抑制成本。

標(biāo)號(hào)說(shuō)明

10、120：霍爾元件

121：N型雜質(zhì)區(qū)域

130、130A、130B：霍爾元件驅(qū)動(dòng)電路的發(fā)熱源

110A、110B、110C、110D：由N型高濃度雜質(zhì)區(qū)域構(gòu)成的霍爾電壓輸出端子和控制電流輸入端子

2、12：電源

3、13：電壓表

11：切換信號(hào)發(fā)生器

S1、S2、S3、S4：傳感器端子切換單元

T1、T2、T3、T4：端子

R1、R2、R3、R4：電阻

JS1、JS2：霍爾元件控制電流

VC1：霍爾元件控制電流矢量和