[发明专利]霍尔元件及霍尔元件结构

说明书

技术领域

本发明属于半导体制造技术领域，涉及一种霍尔元件，尤其涉及一种采用井字形感磁部的霍尔元件结构。

背景技术

霍尔传感器是应用最普遍的磁传感器，由于其工艺简单、成本低、且容易实现片上系统等优点已广泛应用在工业控制、智能仪器仪表和消费类电子等领域。霍尔传感器利用了霍尔效应的原理，当带电的粒子在磁场中运动时，将受到洛仑兹力的作用，使带电粒子发生偏转，产生一个垂直于其运动方向的电动势，即霍尔电压。一个集成霍尔传感器单元的形状类似于一个扩散电阻，只不过为了测量霍尔电压，它比普通的扩散电阻多两个直角的接触孔。

近年来，由于半导体技术的飞速发展，出现了各种各样结构的新型集成霍尔元件，其中具有圆形、正方形、长方形和十字架形状感磁部的霍尔元件等。例如，图1所示的长方形霍尔元件(请参考非专利文献1，非专利文献1：“On a new action of magnetism on a permanent electric current”(EH.Hall,Am.J.Sci.seris 3,1879,vol.20,pp.161-86))，以及图2所示的十字形霍尔元件(请参考非专利文献2，非专利文献2：“Hall sensors with integrated magnetic flux concentrations”(H.Blanchard,Ph.D.dissertation,Swiss Federal Institute of Technology(EPFL),Lausanne,Switzerland,1999))。

下面利用图1和图2对霍尔元件的磁检测原理进行说明。

请参阅图1，图1为现有技术中长方形霍尔元件的结构示意图。长方形霍尔元件是美国物理学家霍尔(A.H.Hall，1855-1938)于1879年研究金属的导电机制时发现的。如图所示，霍尔元件1的长度为L，宽度为W。当电源加至霍尔元件1的电流输入端子C1、C2上时，会有电流I流过霍尔元件。此时，对流过的电流I施加垂直磁场(图未示)，则在与电流和磁场双方均垂直的方向上产生电场，即可从电压输出端子S1、S2得到霍尔电压。但长方形结构的霍尔元件，其模型及计算都是基于理想结构的，即L>>W，但是在实际应用中我们制作的器件很少会达到理想模型。因此，很多学者提出了在小尺寸情况下的十字形霍尔元件的解决方案。

请参阅图2，图2为现有技术中十字形霍尔元件的结构示意图。由于十字形霍尔元件结构具有对称性，且在降低器件的零偏电压时，可以采用旋转电流(spinning current)技术，此技术可将零偏电压降低10-25倍。因此，十字形霍尔元件结构得到了广泛应用。

从上面的叙述可以看出，传统的霍尔元件通常只有一对电流输入端子C1、C2与一对电压输出端子S1、S2，导致在产品设计之初，元件的可测性受到限制，且由于半导体产品从设计、流片、再到测试验证，以及产品定型，需要的周期将非常长，再加上，传统霍尔元件的实心结构无法很好地对使用者所需磁场的各个部分进行校正，进而也会影响到产品设计与生产周期，尤其是若其中涉及到器件结构或电路的修改，将会对产品推向市场的周期的影响非常大，甚至会影响产品设计公司的正常运转。

因此，本领域技术人员清楚，如果能在磁阻传感器产品设计之初，多考虑其可测性设计，以及引入校正功能，将会大大缩短产品开发周期。

发明内容

鉴于以上技术问题，本发明的目的在于提供一种霍尔元件及采用井字形感磁部的霍尔元件结构；该霍尔元件不仅可根据不同井字形结构的结构尺寸和不同的输入输出形式的排列组合，来获得很多种霍尔电压值的输出；还可以根据其磁场产生用线圈处在井字形霍尔元件的不同位置，产生不同方向的磁场，以便设计者对所需的磁场作校正，其可增加产品测试的灵活性，并方便使用者对磁场进行校正。