DE3605719A1

DE3605719A1 - Magnetischer sensor

Info

Publication number: DE3605719A1
Application number: DE19863605719
Authority: DE
Inventors: Masaaki Tokio/Tokyo Kamiya; Masayuki Tokio/Tokyo Namiki
Original assignee: Seiko Instruments Inc
Current assignee: Seiko Instruments Inc
Priority date: 1985-02-25
Filing date: 1986-02-22
Publication date: 1986-08-28
Also published as: US4739264A; JPS61194885A

Description

Anmelderin: Seiko Instruments & Electronics Ltd., 31-1, 6-chome, Kameido,

Koto-ku, TokyOjJapan

Magnetischer Sensor

Die Erfindung betrifft einen magnetischen Sensor, der in bürstenlosen Gleichstrommotoren und in Positionssensor-Einrichtungen verwendbar ist.

Es besteht ein ansteigender Bedarf für derartige Sensoren mit hoher Empfindlichkeit, aufgrund der Weiterentwicklung bei der Miniaturisierung und in Verbindung mit der Arbeitsweise von bürstenlosen Gleichstrommotoren bei niedrigem Druck und bei der Verwendung als Positionssensor.

Bekannte Sensoren dieser Art enthalten eine Hall-Effekt-Einrichtung aus Halbleitermaterial wie Galllum-Arsenid oder Indium-Phosphid, welche Materialien eine hohe Beweglichkeit aufweisen. Bei Verwendung von-Halbleitermaterial mit hoher Beweglichkeit ergibt sich jedoch eine Begrenzung im Hinblick auf die Verbesserung der magnetischen Empfindlichkeit. Wenn ferner Komparatoren und andere logische Schaltungselemente neben einer Hall-Effekt-Einrichtung in einem Chip integriert werden, ist Silizium das zweckmäßigste Material für magnetische Sensoren. Bei Verwendung von Silizium ergibt sich jedoch der Nachteil, daß die magnetische Empfindlichkeit der Hall-Effekt-Einrichtung gering ist.

Es ist deshalb Aufgabe der Erfindung, einen magnetischen Sensor mit hoher Empfindlichkeit unter Verwendung von Material wie Silizium zu schaffen, das eine geringe Beweglichkeit aufweist.

Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß eine Mehrzahl von Hall-Effekt-Einrichtungen vorgesehen wird, deren Hallspannung addiert wird.

Anhand der Zeichnung soll die Erfindung beispielsweise näher erläutert werden. Es zeigen:
Fig. 1 ein Schattbild eines Sensors gemäß der Erfindung, der eine hohe

Empfindlichkeit aufweist,

Fig., 2 eine graphische Darstellung zur Erläuterung der Arbeitsweise des Sensors in Fig. 1,
Fig. 3 ein Schaltbild eines im Vergleich zu Fig. 1 vereinfachten Ausführungs-

beispiels,

Fig. 4 ein Schaltbild eines Sensors gemäß der Erfindung mit hoher Empfindlichkeit, der mehr als drei Hall-Effekt-Einrichtungen enthält; und Fig. 5 ein Ausführungsbeispiel einer Positionierung der Hall-Effekt-Einrichtungen zum Aufheben der parasitischen Hallspannungen, die in den Hall-Effekt-Einrichtungen durch mechanische Belastungen verursacht werden.

Γ) Bei dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel sind zwei Hall-Effekt-

—"^ Einrichtungen 1,2 mit identischer Charakteristik vorgesehen, deren Hallspannung

sich addiert. Den beiden Hall-Effekt-Einrichtungen 1,2 wird jeweils durch einen p-Kanal-Transistor 4 beziehungsweise 6 ein Strom mit einer bestimmten Stromstärke zugeführt. Durch Vergleich der Spannung der Hall-Sonde H2 der Hall-Effekt-Einrichtung 1und der Spannung der Hall-Sonde H3 der Hall-Effekt-Einrichtung 2 mittels eines Komparators 3 wird einer Gate-Elektrode eines n-Kanal-Transistors 7 ein Signal zugeführt, so daß die Spannung der Hall-Sonde H2 gleich der Spannung der Hall-Sonde H3 wird. Wenn sich die Source-Drain-Spannung durch den Gate-Kanal-Tränsistor 7 ändert, wird durch die obige Spannungsänderung die Spannung der beiden Strom-Treiberanschlüsse 201 und 202 der Hall-Effekt-Einrichtung parallel verschoben.

Als Folge davon wird die Spannung der Hall-Sonde H3 derart gesteuert, daß sie gleich der Spannung der Hall-Sonde H2 ist. Ein Widerstand 5 ist vorgesehen, um die Spannung der Treiberelektrode 102 der Hall-Effekt-Einrichtung 1 etwas höher als die Erdspannung zu halten. Wenn die Spannung der Hall-Sonde H2 niedriger als diejenige der Hall-Sonde H2 wird, ermöglicht der Widerstand 5 einen Ausgleich der Spannung der beiden Sonden. Deshalb kann der Widerstand 5 weggelassen werden, wenn der Abstand von der Strom-' Treiberelektrode 101 zu den Hall-Sonden H1 und H2 der Hall -Effekt-Ein-

richtung 1 kürzer als der Abstand von der Elektrode 201 zu den Sonden H3 und H4 der Hall-Effekt-Einrichtung 2 ist.

Fig. 2 zeigt die Arbeitsweise des Sensors in Fig. 1 in einem Magnetfeld. Wenn sich die Ausgangsspannung der Hall-Effekt-Einrichtung 1 durch das Magnetfeld ändert, verursacht die Schaltung, die aus Elementen wie dem Komparator 3 in Fig. 1 zusammengesetzt ist, daß die Spannung V„ der Hall-Sonde H2 gleich der Spannung V„ der Hall-Sonde H3 gehalten wird.

Die Spannungen Vp₂ und V₃₂ der Treiberanschlüsse 201 und 202 der Hall-Effekt-Einrichtung 2 werden höher als die Spannungen V-.. und ν_ς1 der Treiberanschlüsse 102 und 102 der Hall-Effekt-Einrichtung 1, um einen der Hailspannung Vj, entsprechenden Betrag, welche in der HalI-Effekt-Einrichtung 1 erzeugt wird.

Deshalb beträgt die gesamte, in dem Sensor erzeugte Hallspannung V₁, :

V_H = (V₂ - V₁) ₊ (V₄ - V₃) = 2 V_H

Deshalb ergibt sich eine Gesamtspannung, die der Summe der Hallspannungen der beiden Hall-Effekt-Einrichtungen entspricht.

Fig. 3 zeigt ein anderes Ausführungsbeispiel gemäß der Erfindung, das im Vergleich zu Fig. 1 eine vereinfachte Schaltung aufweist. Um die in den Hall-Effekt-Einrichtungen erzeugten Hallspannungen zu addieren, ist es nicht erforderlich, die Spannung der beiden Treiberelektroden 201 und 20_2 der Hall-Effekt-Einrichtung 2 gleichzeitig zu ändern, wie in Verbindung mit Fig. 1 erläutert wurde. Bei dem Ausführungsbeispiel in Fig. 3 erfolgt lediglich eine Änderung der Spannung der Treiberelektrode 202 der Hall-Effekt-Einrichtung 2, wodurch die Spannung der Hall-Sonde H2 gleich der Spannung der Hall-Sonde H3 wird. Bei der beschriebenen Arbeitsweise ist die in jeder Hall-Effekt-Einrichtung erzeugte Hallspannung im allgemeinen sehr klein im Vergleich zu der Spannung, die zwischen den Treiberelektroden 201 und 202 angelegt wird. Selbst wenn sich die Spannung der Treiberelektrode 202 entsprechend dem Betrag der Hallspannung ändert, kann die magnetische Empfindlichkeit der Hall-Effekt-Einrichtung als gleich mit der magnetischen Empfindlichkeit der HalI-Effekt-Einrichtung 1 angesehen werden. Deshalb ergibt sich bei dem Sensor eine etwa um das Zweifache erhöhte Ausgangsspannung im Vergleich zu der Hailspannung einer einzigen Hall-Effekt-Einrichtung. Bei diesem Ausführungsbeispiel dient der n-Kanal-Transistor 9, an dessen G ate-Elektrode die Spinnung V angelegt wird,

als der in Fig. 1 dargestellte Widerstand 5. Wie bei dem Ausführungsbeispiel in Fig. 1 kann durch Änderung der Lage der Hall-Sonden H1 und H2 der n-Kanal-Transistor des Sensors in Fig. 1 weggelassen werden.

Fig. 4 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Sensors gemäß der Erfindung mit hoher Empfindlichkeit, der mehr als drei Hall-Effekt-Einrichtungen enthält. Durch eine Verbindung einer Mehrzahl von Hall-Effekt-Einrichtungen in Fig. 4 ist eine höhere Empfindlichkeit des Sensors als bei einer einzigen Hall-Effekt-Einrichtung erzielbar, und zwar um einen Faktor entsprechend der Anzahl der miteinander verbundenen Hall-Effekt-Einrichtungen.

Fig. 5 zeigt einen Sensor, bei dem zwei Hall-Effekt-Einrichtungen auf einem Halbleitersubstrat derart vorgesehen sind, daß sich die Hallspannungen addieren. Die Hall-Effekt-Einrichtungen sind derart auf dem Halbleitersubstrat angeordnet, daß die durch die Piezoeffekt zwischen den Hall-Sonden verursachten Spannungsänderungen aufgehoben werden können. Durch Aufheben des Piezo-Widerstands-Effekts kann die Genauigkeit der Arbeitsweise des Sensors verbessert werden.

Entsprechend den obigen Ausführungen kann deshalb die magnetische Empfindlichkeit des Sensors in vorteilhafter Weise erhöht werden, indem die Hallspannungen addiert werden, die von einer Mehrzahl von Hall-Effekt-Einrichtungen erzeugt werden. Die Struktur der Hall-Effekt-Einrichtungen bei den beschriebenen Ausführungsbeispielen zur Vereinfachung der Erläuterung gleich ausgebildet, obwohl eine derartige Struktur nicht immer erforderlich ist, um die beschriebenen Vorteile zu erzielen. Ferner ist es nicht erforderlich, daß die an den Treiberelektroden der betreffenden Hall-Effekt-Einrichtungen angelegten Spannungen gleich sind.

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Claims

Patentansprüche

1. Magnetischer Sensor bestehend aus einer Mehrzahl von Hall-Effekt-Einrichtun-" gen (1,2), die jeweils zwei Hall-Sonden (H1,H2; H3,H4) aufweisen, die eine zueinander entgegengesetzt gerichtete Spannung zu dem Magnetfeld zeigen, und jeweils zwei Strom-Treiberelektroden (101, 102; 201,202) aufweisen, wobei eine Einrichtung zum Ausgleich der Spannung der zweiten Hall-Sonde der einen Hall-Effekt-Einrichtung mit derjenigen der ersten Hall-Sonde der anderen Hall-Effekt-Einrichtung vorgesehen ist, durch welche Einrichtung das Potential mindestens einer der Treiberelektroden jeder Hall-Effekt-Einrichtung geändert wird.

2. Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Hall-Effekt-Einrichtungen und die Schaltung zur Änderung des Potentials mindestens einer der Treiberelektroden jeder Hall-Effekt-Einrichtung auf einem Substrat aus Halbleitermaterial integriert sind. ■

3. Sonde nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß jede Hall-Effekt-Einrichtung derart ausgebildet .ist, daß die durch mechanische Belastung verursachten Spannungsänderungen, die an den Hall-Sonden jeder Hall-Effekt-Einrichtung auftreten, sich gegenseitig aufheben.