[發明專利]霍爾傳感器

在審

• 申請號: 201580052308.3
• 申請日: 2015-08-28
• 公開（公告）號: CN106716164A
• 公開（公告）日: 2017-05-24
• 發明（設計）人: 飛岡孝明;挽地友生
• 申請（專利權）人: 精工半導體有限公司
• 主分類號: G01R33/07
• 分類號: G01R33/07;H01L43/06
• 代理公司: 北京三友知識產權代理有限公司11127
• 代理人: 李輝,鄧毅

技術領域

本發明涉及具備半導體霍爾元件和驅動半導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

首先對霍爾元件的磁檢測原理進行說明。在施加與物質中流過的電流垂直的磁場時，在與該電流和磁場雙方垂直的方向上產生電場(霍爾電壓)。由該霍爾電壓的大小求出磁場的強度，這就是利用霍爾元件進行磁檢測的原理。

在考慮圖6那樣的霍爾元件時，當設霍爾元件磁感應部1的寬度為W、長度為L、電子遷移率為μ、用于使電流流過的電源2的施加電壓為Vdd、施加磁場為B時，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B成比例的系數為磁靈敏度，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，在實際的霍爾元件中，即使不被施加磁場，也產生輸出電壓。將該磁場為0時所輸出的電壓稱為偏移電壓。產生偏移電壓的原因可認為是由于從外部對元件施加的機械應力、或制造過程中的對準偏差等元件內部的電位分布的不均衡所導致的。

偏移電壓的補償一般通過下述方法進行。

圖7是示出基于旋轉電流的偏移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個端子T1、T2、T3、T4，用于使控制電流流向一對輸入端子，從另一對輸出端子得到輸出電壓。在霍爾元件的一方的一對端子T1、T2成為控制電流輸入端子的情況下，另一方的一對端子T3、T4成為霍爾電壓輸出端子。此時，若對輸入端子施加電壓Vin，則在輸出端子產生輸出電壓Vh+Vos。在此，Vh表示與霍爾元件產生的磁場成比例的霍爾電壓，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，則在輸出端子產生電壓-Vh+Vos。S1～S4是傳感器端子切換單元，通過切換信號發生器11選擇N1端子或N2端子。

通過對上述的在兩個方向流過電流時的輸出電壓進行相減，能夠消除偏移電壓Vos，得到與磁場成比例的輸出電壓2Vh(例如，參見專利文獻1)。

但是，有時利用該偏移消除電路無法完全消除偏移電壓，下面對這種情況進行說明。

霍爾元件由圖8所示的等效電路來表示。即，霍爾元件能夠以由4個電阻R1、R2、R3、R4連接4個端子而成的橋式電路的形式來表示。利用該模型對于如上所述的通過對在兩個方向流過電流時的輸出電壓進行相減而消除偏移電壓的情況進行說明。

若對霍爾元件的一方的一對端子T1、T2施加電壓Vin，則在另一方的一對端子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，各電阻值也沒有變化。但是，在不滿足該前提的情況下，例如即使在一個方向的R1＝R3的情況下，在另一方向無法滿足該關系時，上述的差值也無法為零，因而無法消除偏移。下面對無法通過電壓的施加方向消除偏移的原因之一進一步具體說明。

在霍爾元件的結構中，通常，作為霍爾元件磁感應部的N型雜質區域的周邊部為了分離而被P型雜質區域包圍。若對霍爾電流施加端子施加電壓，則耗盡層在霍爾元件磁感應部與其周邊部的邊界處擴展。由于在耗盡層中不流過霍爾電流，因而在耗盡層擴展的區域，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的值根據電壓施加方向而發生變化，因而產生無法利用偏移消除電路消除磁偏移的情況。

有時也采用下述的方法：在元件周邊和元件上部配置耗盡層控制電極，針對耗盡層向霍爾元件內延伸的情況，調節施加到各電極的電壓，從而抑制耗盡層(例如，參見專利文獻2)。

現有技術文獻

專利文獻

專利文獻1：日本特開平06-186103號公報