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TECHNISCHES GEBIET
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Die
Erfindung betrifft einen Magnetsensor, und spezieller betrifft sie
einen Magnetsensor mit einer Signalverarbeitungsschaltung, der als
Sensor, wie als Näherungsschalter,
Stromsensor oder Codierer, verwendbar ist.
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HINTERGRUNDBILDENDE
TECHNIK
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Als
Magnetsensor mit einer Signalverarbeitungsschaltung ist ein Hall-IC
bekannt, der ein Hall-Element als Sensor verwendet. Als typischer herkömmlicher
Hall-IC verfügt
ein monolithischer Hall-IC aus Silicium (Si) (ab hier als "Si-Hall-IC" bezeichnet) über einen
Magnetsensorabschnitt in Form eines Hall-Elements aus Silicium (Si) sowie einen
Signalverarbeitungs-IC-Abschnitt zum. Verarbeiten eines durch den
Magnetsensorabschnitt erfassten Signals.
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Dieser
Magnetsensortyp zeigt geringe Empfindlichkeit auf Magnetfelder,
da der Magnetsensorabschnitt des Si-Hall-IC aus dem genannten Hall-Element
aus Si mit kleiner Elektronenbeweglichkeit besteht, so dass dementsprechend,
um den Hall-IC als Magnetsensor zu betreiben, ein großes Magnetfeld
an ihn angelegt werden muss. Anders gesagt, besteht bei diesem Hall-IC
ein Problem geringer Empfindlichkeit auf Magnetfelder.
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Außerdem ist
es bekannt, dass Si eine gewisse Spannung erzeugt, wenn von außen eine
mechanische Belastung einwirkt.
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Demgemäß besteht
bei einem Si-Hall-IC ein anderes Problem der Veränderung seiner Empfindlichkeit
auf Magnetfelder, da im Hall-Element des Magnetsensorabschnitts
eine Spannung erzeugt wird, wenn äußere Belastungen einwirken.
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Derartige
Probleme müssen
beim Herstellen hoch genauer, hoch zuverlässiger Näherungsschalter, Stromsensoren
oder Codierer unter Verwendung eines Si-Hall-IC berücksichtigt werden.
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Daher
ist ein Magnetsensor mit einer Signalverarbeitungsschaltung erwünscht, der
eine genaue Erfassung einer Magnetposition oder einer Magnetfeldstärke mit
hoher Empfindlichkeit unabhängig
von äußeren Belastungen
und mit stabilen Eigenschaften bewerkstelligen kann. Ein derartiger
Magnetsensor wurde bisher wegen großer Schwierigkeiten nicht realisiert.
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Andererseits
werden verschiedene Verfahren zum Erzielen einer hoch genauen Erfassung
einer Magnetposition oder einer Magnetfeldstärke untersucht. Z.B. werden
Sensoren unter Verwendung eines Hall-Elements als Magnetsensor und
mit einer Signalverarbeitungsschaltung aus diskreten Komponenten,
wie einem Operationsverstärker
oder Widerständen,
bei Näherungsschaltern,
Stromsensoren oder Codierern angewandt.
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Bei
diesen Verfahren müssen
jedoch Benutzer über
spezielle technische Kenntnis verfügen, um die Eigenschaften des
Sensors zu verstehen, um das optimale Schaltungsdesign zu realisieren
und um diskrete Komponenten zu erwerben und sie zusammenzubauen.
Außerdem
ist es unvermeidlich, dass die Kosten und die Größe dieser Sensoren erhöht sind,
da sie durch Montage auf einer Leiterplatte des Magnetsensorelements
realisiert werden und da die Signalverarbeitungsschaltung aus diskreten
Komponenten besteht, was zu einem kritischen Problem auf dem Gebiet
von Sensoren führt,
die billig und klein sein müssen.
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Z.B.
verfügt
bei einer herkömmlichen
Technik, wie sie in der 12 dargestellt
ist (Offenlegung Nr. 38920/1990 einer japanischen Patentanmeldung) die
Signalverarbeitungsschaltung über
magnetoresistive Elemente 60 und 70, die einen
diskreten Magnetsensor bilden, Widerstände 6, 7 und 7' sowie einen
Operationsverstärker 51,
dessen Rückkopplungswiderstand
aus dem kombinierten Widerstand der Widerstände 6, 7 und 7' mit verschiedenen
Temperaturkoeffizienten besteht, um vom Ausgangsanschluss des Operationsverstärkers 51 zu
seinem invertierenden Eingangsanschluss eine Rückkopplungsschleife zu bilden,
um dadurch magnetische Eigenschaften mit gewünschter Temperaturcharakteristik
zu realisieren. Bei dieser Schaltungskonfiguration besteht jedoch
das vorstehend genannte Problem erhöhter Kosten und Größe. Außerdem besteht
bei der Schaltungskonfiguration ein weiteres Problem verringerter
Ausbeute, wenn ein vor gesehenes Ausgangssignal zu erzielen ist,
da in der Ausgangsspannung aufgrund von Variationen des Mittelpunktpotenzials
der magnetoresistiven Elemente 60 und 70 Variationen
in der Ausgangsspannung bestehen. Ferner erscheint, da das Mittelpunktspotenzial
im Allgemeinen eine Drift entsprechend der Temperatur zeigt, die
Drift in der Ausgangsspannung der Schaltung, und dies hat einen
nachteiligen Einfluss auf die Temperaturcharakteristik des Ausgangssignals
des Sensors. Dies führt
zu einem Problem dahingehend, dass es schwierig ist, die gewünschte Temperaturcharakteristik
zu erzielen.
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Außerdem kann
zwar die Konfiguration der 12 die
diskreten Widerstände 6, 7 und 7' mit verschiedenen
Temperaturkoeffizienten frei zum Realisieren magnetischer Eigenschaften
mit der gewünschten
Temperaturcharakteristik nutzen, jedoch ist nichts zur Realisierung
einer Schaltung wie eines monolithischen Si-IC offenbart.
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Noch
ein anderes Problem tritt dahingehend auf, dass ein üblicher,
herkömmlicher
Si-Hall-IC, wie er in der 14 dargestellt
ist, der über
einen Signalverarbeitungsschaltungsabschnitt 20a und einen
Magnetsensorabschnitt 30a verfügt, die nur durch den pn-Übergang
elektrisch gegen ein Substrat 21a isoliert sind, z.B. bei
einer Umgebungstemperatur über
125 °C keinen
stabilen Betrieb ausführen kann
und über
150 °C überhaupt
nicht betrieben werden kann.
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Andererseits
ist eine Technik bekannt, durch die die Temperaturcharakteristik
dadurch verbessert wird, dass die Temperaturabhängigkeit des Ausgangswiderstands
eines Hall-Elements von einer Schwellenspannung dadurch widergespiegelt
wird, dass der Ausgangswiderstand des Hall-Elements als Eingangswiderstand
einer Schmitt-Triggerschaltung verwendet wird. Genauer gesagt, wird,
bei einer Schaltungskonfiguration, wie sie in der 15 dargestellt
ist, die Schwellenspannung Vth der Schmitt-Triggerschaltung als
Vth = (Vdo – V1) Rho/RF
ausgedrückt,
wobei V1 das Potenzial am invertierenden Eingangsanschluss des Operationsverstärkers 51 ist,
RF der Rückkopplungswiderstand
ist, Vdo das Ausgangspotenzial des verstärkten Ausgangssignals 18 des
Operationsverstärkers 51 ist und
Rho der halbe Ausgangswiderstand des Hall-Elements 4 ist
(Offenlegung Nr. 226982/1986 einer japanischen Patentanmeldung).
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Hierbei
führt das
Potenzial V1 zu einem Problem. Da das Potenzial V1, das das Ausgangspotenzial
des Hall-Elements 4 ist, ungefähr der Hälfte des Produkts aus dem Eingangswiderstand
Rhi des Hall-Elements 4 und dem Treiberstrom IC desselben entspricht,
führen
Variationen von Rhi zu Variationen von V1. Dies wiederum bewirkt
Variationen von Vth, was es unmöglich
macht, die Schwellenspannung genau auf den konzipierten Wert einzustellen.
Dies führt
zu einem Hall-IC mit magnetischen Eigenschaften, die von den konzipierten
verschieden sind, so dass die Ausbeute verringert ist.
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Das
Potenzial am Ausgangsanschluss des Hall-Elements 4, das
ungefähr
der Hälfte
der Eingangsspannung des Hall-Elements entspricht, wird als Mittelpunktspotenzial
des Hall-Elements bezeichnet. Dieser Wert zeigt aufgrund von Herstellvariationen
der Hall-Elemente eine bestimmte Verteilung, und Variationen des
Mittelpunktspotenzials sorgen auch für Variationen von V1, was zu
einer Verringerung der Ausbeute führt.
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US 5,550,469 offenbart einen
Magnetsensor, der mit demjenigen in Zusammenhang steht, der oben
in Verbindung mit der
15 beschrieben ist. Er verfügt über ein
Hall-Element, eine Konstantstromquelle zum Liefern eines Treiberstroms
an dieses sowie einen Operationsverstärker zum Verstärken des
Ausgangssignals des Hall-Elements auf ein Magnetfeld hin. Ein ohmscher
Rückkopplungswiderstand,
der zwischen Ausgangs- und Eingangsanschlüsse des Operationsverstärkers geschaltet
ist, stellt die Verstärkung
desselben ein. Das Dokument offenbart verschiedene Beispiele, wie
Temperaturschwankungen des Ausgangssignals des Hall-Elements zu
kompensieren sind. Bei einigen Beispielen wird ein temperaturabhängiger Widerstand
in der Konstantstromquelle verwendet, um für einen temperaturabhängigen Treiberstrom
für das
Hall-Element zu sorgen. Bei einem anderen Beispiel weist der parallel
zum Operationsverstärker
geschaltete Rückkopplungswiderstand
eine Temperaturcharakteristik auf, um Temperaturschwankungen des
Hall-Elements zu kompensieren. Dieser Sensor zeigt dieselben Nachteile,
wie sie oben in Verbindung mit der
15 angegeben
sind.
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ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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Es
ist eine Aufgabe der Erfindung einen Magnetsensor mit verbesserter
Empfindlichkeit, Stabilität
und Ausbeute zu schaffen.
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Diese
Aufgabe ist durch einen Magnetsensor gemäß dem Anspruch 1 gelöst. Die
Unteransprüche betreffen
bevorzugte Ausführungsformen
der Erfindung.
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Eine
bevorzugte Ausführungsform
ist ein hoch empfindlicher, stabiler Magnetsensor mit einer Konstruktion,
die den Magnetsensorabschnitt von der aus einem Si-IC bestehenden
Signalverarbeitungsschaltung trennt.
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Um
einen hoch empfindlichen Magnetsensor mit einer Signalverarbeitungsschaltung
mit stabiler Betriebscharakteristik zu realisieren, untersuchten wir
einen Magnetsensor mit einer Signalverarbeitungsschaltung, wobei
die Signalverarbeitungsschaltung mit einem hoch empfindlichen Magnetsensor kombiniert
ist, der aus einem Verbindungshalbleiter-Dünnfilm oder einem magnetischen
Dünnfilm
besteht, der in einem Magnetfeld eine höhere Empfindlichkeit als ein
Si-Hall-Element
aufweist und unabhängig
von externen mechanischen Belastungen für ein stabiles Magnetsensor-Ausgangssignal
sorgen kann.
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Im
Ergebnis haben die Erfinder eine Ausführungsform der Erfindung als
hybriden Hall-IC konzipiert, der einen Verbindungshalbleiter als
Sensor verwendet, und sie haben diesen mit einem monolithischen
Si-IC für
Einschluss in ein einzelnes Gehäuse kombiniert.
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Durch
Ausführungsformen
der Erfindung können
vielseitige, billige, kleine Magnetsensoren mit hohem Funktionsvermögen mit
einer Signalverarbeitungsschaltung geschaffen werden, die es nicht
erforderlich machen, dass Benutzer über irgendwelche technische
Kenntnisse, wie betreffend eine spezielle Schaltungstechnik, verfügen, um
es dadurch zu ermöglichen,
die Erkennung einer Magnetposition oder Magnetfeldstärke mit
hoher Genauigkeit zu bewerkstelligen.
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Im
Gegensatz hierzu können
die herkömmlichen
Techniken keine Verringerung der Ausbeute von Hall-ICs aufgrund
von Variationen, zu denen es bei der Herstellung von Hall-Elementen
oder -ICs kommt, vermeiden. Außerdem
kann das Problem einer Kostenerhöhung
beim Verbessern der Genauigkeit von Schaltungskomponenten der ICs
nicht gelöst werden.
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Ferner
existiert ein anderes Problem dahingehend, dass dann, wenn die Temperatur
ansteigt, der Widerstand des Verbindungshalbleiter-Dünnfilms oder
des magnetischen Dünnfilms,
der den Magnetsensor bildet, ansteigt und das Ausgangssignal des Magnetsensors
kleiner wird. Daher besteht bei diesem Magnetsensor, wenn er ohne Änderung
mit der Signalverarbeitungsschaltung kombiniert wird, ein Problem
einer Verringerung des Ausgangssignals des Magnetsensors mit einer
Signalverarbeitungsschaltung, wenn die Temperatur ansteigt, d.h.
ein Problem großer
Temperaturabhängigkeit.
Dies führt zu
einem kritischen Problem beim Realisieren einer hoch genauen, praxisgerechten
Erfassung, da ein Magnet, bei dem es sich um ein übliches
Objekt handelt, wie es durch einen Magnetsensor mit einer Signalverarbeitungsschaltung
zu erfassen ist, die Neigung einer Abnahme seiner Magnetflussdichte
bei ansteigender Temperatur zeigt.
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Die
Erfinder der vorliegenden Erfindung haben Forschungen zum Lösen dieser
Probleme ausgeführt.
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Ausführungsformen
der Erfindung lösen
die Probleme, und durch sie ist ein Magnetsensor mit einer Signalverarbeitungsschaltung
ohne Beeinflussung durch den Magnetsensor geschaffen. Anders gesagt,
verhindern Ausführungsformen
eine Verringerung der Ausbeute des Hall-IC aufgrund von Variationen,
zu denen es bei der Herstellung der Hall-Elemente kommt, oder Variationen
bei ICs, und sie ermöglichen
es, die Anzahl der Komponenten in der IC-Schaltung und die Genauigkeitsforderungen
zu verringern, um dadurch eine Verbesserung der Ausbeute und eine
Kostensenkung zu erzielen.
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Auch
ist durch Ausführungsformen
der Erfindung ein Magnetsensor hohen Funktionsvermögen mit
einer Signalverarbeitungsschaltung mit kleiner Temperaturabhängigkeit über einen
großen
Temperaturbereich durch Korrigieren der Temperaturkoeffizienten
des Widerstands und der Empfindlichkeit des Magnetsensors mit einfacher
Struktur geschaffen. Noch eine andere Ausführungsform der Erfindung realisiert
einen Magnetsensor hohen Funktionsvermögens mit einer Signalverarbeitungsschaltung,
die die Abhängigkeit
des Sensorausgangssignals von der Temperatur selbst dann verringern
kann, wenn das zu erfassende Magnetfeld eine große Temperaturabhängigkeit
zeigt, wie beim Erfassen eines Magnetfelds eines Permanentmagnets.
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Durch
eine Grundausführungsform
der Erfindung ist ein Magnetsensor mit einer Signalverarbeitungsschaltung
mit Folgendem geschaffen:
- – einem Magnetsensor-Abschnitt
aus einem Verbindungshalbleiter-Dünnfilm oder einem magnetischen
Dünnfilm;
und
- – einer
Signalverarbeitungsschaltung zum Verstärken eines magnetischen Signals,
das der Magnetsensorabschnitt als elektrisches Ausgangssignal erfasst;
- – wobei
die Signalverarbeitungsschaltung über einen Operationsverstärker und
eine Konstantstromschaltung zum Ausführen einer Rückkopplung
verfügt.
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Hierbei
liefert die Konstantstromschaltung verschiedene Stromstärken entsprechend
dem Ausgangssignal des Operationsverstärkers zurück an einen nicht invertierenden
Eingangsanschluss desselben. Die Konstantstromschaltung kann mehrere
Widerstände
mit mindestens zwei verschiedenen Temperaturkoeffizienten aufweisen,
und die Ausgangsströme
der Konstantstromschaltung können
einen Temperaturkoeffizienten aufweisen, der umgekehrt proportional
zu einem Temperaturkoeffizient eines kombinierten Widerstands der
mehreren Widerstände
ist.
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Der
kombinierte Widerstandswert der mehreren Widerstände kann einen Temperaturkoeffizient aufweisen,
der einen Temperaturkoeffizient eines Innenwiderstand des Magnetsensorabschnitts
und einen Temperaturkoeffizient der Empfindlichkeit des Magnetsensors
korrigiert.
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Die
mehreren Widerstände
können über Temperaturkoeffizienten
verfügen,
die nicht nur den Temperaturkoeffizient des Innenwiderstands des
Magnetsensorsabschnitts und denjenigen der Empfindlichkeit desselben
korrigieren, sondern auch einen Temperaturkoeffizient eines durch
den Magnetsensorabschnitt zu erfassenden Objekts.
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Die
Signalverarbeitungsschaltung kann ein monolithischer IC sein.
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Die
Signalverarbeitungsschaltung kann aus einem isolierten Substrat
und einer auf einem Halbleitersubstrat hergestellten Isolierschicht
bestehen.
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Hierbei
verfügt
der erfindungsgemäße Magnetsensor
mit Signalverarbeitungsschaltung über den Magnetsensorabschnitt
aus einem Verbindungshalbleiter-Dünnfilm,
der von einem beliebigen Magnetsensortyp unter Ausnutzung des Hall-Effekts, des Magnetowiderstandseffekts
sein kann, oder einem magnetischen Dünnfilm auf Grundlage des Magnetowiderstandseffekts.
Es ist besonders bevorzugt, Hall-Elemente oder magnetoresistive
Elemente zu verwenden, die aus InAs (Indiumarsenid), GaAs (Galliumarsenid),
InGaAs (Indiumgalliumarsenid), InSb (Indiumantimonid), InGaSb (Indiumgalliumantimonid)
usw. bestehen, oder magnetoresistive Elemente in Form eines magnetischen
Dünnfilms
aus NiFe (Nickeleisen), NiCo (Nickelkobalt) usw., oder diese kombinierende
Magnetsensoren.
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Hierbei
bezeichnet Verbindungshalbleiter-Dünnfilm einen Dünnfilm,
der durch eine übliche Prozesstechnik
für Halbleiter,
wie CVD (chemische Dampfabscheidung), MBE (Molekularstrahlepitaxie), Verdampfung
im Vakuum oder Sputtern auf einem Substrat hergestellt wird, oder
einen Dünnfilm,
der durch Abschälen
eines Halbleiterbarrens hergestellt wird, oder eine aktive Schicht,
die durch Ionenimplantation oder Diffusion auf der Oberfläche eines
Halbleitersubstrats ausgebildet wird.
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Die
Signalverarbeitungsschaltung des Magnetsensors mit Signalverarbeitungsschaltung
gemäß der Erfindung
kann eine übliche
Schaltung sein, die mit einer Mikrostruktur hergestellt wird. Eine
auf einem Si-Substrat integrierte Schaltung ist unabhängig davon
bevorzugt, ob die Schaltungskomponenten über MOS-Struktur, Bipolarstruktur oder eine
zugehörige
Hybridstruktur verfügen.
Ferner ist auch ein auf einem GaAs-Substrat integrierter Schaltkreis
bevorzugt, solange er die Signalverarbeitungsfunktion zeigt. Darüber hinaus
ist auch eine Mikrostrukturschaltung mit kleiner Größe, die
auf einem Keramiksubstrat hergestellt ist, bevorzugt.
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Die
vorstehend genannten mehreren Widerstände können über Temperaturkoeffizienten
verfügen,
die nicht nur den Temperaturkoeffizient des Innenwiderstands des
Magnetsensorabschnitts und denjenigen der Empfindlichkeit korrigieren,
sondern auch denjenigen des durch den Magnetsensorabschnitt zu erfassenden
Objekts.
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Die
Signalverarbeitungsschaltung des Magnetsensors mit Signalverarbeitungsschaltung
kann eine mit Mikrostruktur hergestellte Schaltung sein. Z.B. kann
diese Schaltung über
eine solche Struktur verfügen,
dass sie auf einem isolierten Substrat ausgebildet ist, wie eine
auf einem Keramiksubstrat ausgebildete Schaltung. Alternativ kann
die Signalverarbeitungsschaltung eine auf einer isolierenden Schicht
oder einer Schicht hohen Widerstands, die auf einem Si-Substrat
ausgebildet ist, integrierte Schaltung sein. Sie kann auch integral
mit dem auf der Oberfläche
eines IC hergestellten Halbleiter- oder ferromagnetischen Sensor
strukturiert sein.
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Das
isolierte Substrat, die Isolierschicht oder die Schicht hohen Widerstands
betrifft ein Substrat oder eine Schicht mit einem spezifischen Widerstand,
der der fünften
bis siebten Potenz von 10 Ω · cm entspricht,
ausschließlich der
Isolationsstruktur eines pn-Übergangs,
wie ein Substrat oder eine Schicht aus Keramik, Siliciumoxid oder
Aluminiumoxid.
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KURZE BESCHREIBUNG DER
ZEICHNUNGEN
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1 ist
ein Schaltbild, das eine erste Ausführungsform gemäß der Erfindung
zeigt;
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2 ist
ein Schaltbild, das eine sechste Ausführungsform gemäß der Erfindung
zeigt;
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3 ist
ein Schaltbild, das eine zweite Ausführungsform gemäß der Erfindung
zeigt;
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4 ist
ein Schaltbild, das eine Variation einer dritten Ausführungsform
gemäß der Erfindung zeigt;
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5 ist
ein Schaltbild, das eine Variation einer vierten Ausführungsform
gemäß der Erfindung zeigt;
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6 ist
ein Schaltbild, das ein Beispiel zeigt, das für das Verständnis der Erfindung von Nutzen
ist;
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7 ist
ein Kurvenbild, das die Ergebnisse zum Vergleich der Abhängigkeit
der Betriebs-Magnetflussdichte von der Temperatur zeigt, wenn eine digitale
Signalverarbeitung unter Verwendung einer Schaltung gemäß der Erfindung
und einer Vergleichsschaltung ausgeführt wird;
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8 ist
ein Charakteristikdiagramm zum Veranschaulichen von Beziehungen
zwischen der Ausgangsspannung nach digitaler Wandlung und der angewandten
Magnetflussdichte;
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9 ist
ein Kurvenbild, das die Ergebnisse zum Vergleich der Abhängigkeit
der Betriebs-Magnetflussdichte von der Temperatur zeigt, wenn eine digitale
Signalverarbeitung unter Verwendung einer Schaltung gemäß der Erfindung
und einer Vergleichsschaltung ausgeführt wird;
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10 ist
ein Charakteristikdiagramm zum Veranschaulichen der Abhängigkeit
der Betriebs-Magnetflussdichte von der Temperatur, wenn diejenige einer
erfindungsgemäßen, auf
einem Keramiksubstrat ausgebildeten Signalverarbeitungsschaltung
mit derjenigen eines üblichen
integrierten Si-Schaltkreises verglichen wird;
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11A ist eine Schnittansicht, die eine Substratstruktur
mit dem Signalverarbeitungsabschnitt der 1 – 5 zeigt;
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11B ist eine Schnittansicht, die eine andere Substratstruktur
zeigt;
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12 ist
ein Diagramm, das zum Vergleich eine herkömmliche Signalverarbeitungsschaltung zeigt;
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13 ist
ein Diagramm, das zum Vergleich eine andere herkömmliche Signalverarbeitungsschaltung
zeigt;
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14 ist
eine Schnittansicht, die eine Substratstruktur des Signalverarbeitungsabschnitts
einer herkömmlichen
Schaltung zeigt;
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15 ist
ein Diagramm, das noch eine andere herkömmliche Signalverarbeitungsschaltung zum
Vergleich zeigt;
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16 ist
ein Diagramm, das eine Einzelheit eines Verstärkers in der erfindungsgemäßen Signalverarbeitungsschaltung
zeigt;
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17 ist
ein Diagramm, das Einzelheiten des Schaltbilds der 16 zeigt;
und
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18 ist
ein Diagramm, das eine andere Einzelheit des Verstärkers in
der Signalverarbeitungsschaltung gemäß der Erfindung zeigt.
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BESTE ART
ZUM AUSFÜHREN
DER ERFINDUNG
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Ausführungsformen
der Erfindung und Vergleichsbeispiele werden nun unter Bezugnahme
auf die beigefügten
Zeichnungen beschrieben.
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AUSFÜHRUNGSFORM 1
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Bei
der in der 1 dargestellten Ausführungsform
betreibt eine Spannungsquelle 1 eine Signalverarbeitungsschaltung 5 und
ein Hall-Element 4 über
eine Konstantstromquelle 50. Die zwei Ausgangsanschlüsse des
Hall-Elements 4 sind mit dem invertierenden Eingangsanschluss
und dem nicht invertierenden Eingangsanschluss eines Operationsverstärkers in
der Signalverarbeitungsschaltung 5 verbunden. Außerdem wird
ein von einer Konstantstromschaltung 52 in der Signalverarbeitungsschaltung 5 gelieferter
Konstantstrom if an den nicht invertierenden
Eingangsanschluss des Operationsverstärkers zurückgekoppelt. Bei einer derartigen
Anordnung bildet die vorliegende Ausführungsform eine Schmitt-Triggerschaltung,
d.h. eine digitale Verarbeitungsschaltung.
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Da
bei der Ausführungsform
der 1 die Rückkopplung
aus dem von der Konstantstromquelle statt dem Widerstand RF zurückgeführten Konstantstrom
if besteht, ist die Schwellenspannung Vth
der digitalen Verarbeitungsschaltung durch Vth = Rho × if ausgedrückt,
wobei Rho ungefähr
die Hälfte
des Ausgangswiderstands des Hall-Elements ist. Demgemäß ist die
Schwellenspannung Vth frei vom Effekt des Potenzials V1 am invertierenden
Eingangsanschluss des Operationsverstärkers. Dies bedeutet, dass
die Schwellenspannung Vth nicht durch Variationen des Eingangswiderstands
des Hall-Elements 4 oder Variationen des Mittelpunktpotenzials
beeinflusst wird, wodurch die konzipierten magnetischen Eigenschaften
realisiert werden und die Ausbeute deutlich verbessert wird.
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Die
Detailstruktur der in den 1 – 5 dargestellten
Signalverarbeitungsschaltung wird nun mittels des Beispiels der
in den 16 und 18 dargestellten
Strukturen beschrieben.
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In
der 16 kennzeichnet die Bezugszahl 5 die
Signalverarbeitungsschaltung mit dem Operationsverstärker 51,
der Konstantstromschaltung 52 und einer Pufferschaltung 53.
Der invertierende Eingangsanschluss und der nicht invertierende
Eingangsanschluss des Operationsverstärkers 51 sind mit
den zwei Ausgangsanschlüssen
des Hall-Elements 4 verbunden, so dass der Ausgangswiderstand
desselben als Eingangswiderstand des Operationsverstärkers 51 dient.
Auf das Ausgangssignal des Operationsverstärkers 51 hin kann
die Konstantstromschaltung 52 eine von zwei Konstantstromstärken i1
und i2 (i1 > i2) ausgeben,
und sie führt
den Ausgangsstrom auf den nicht invertierenden Eingangs anschluss
des Operationsverstärkers 51 zurück. Genauer
gesagt, gibt die Konstantstromschaltung 52 i1 aus, wenn
das Ausgangssignal des Operationsverstärkers 51 "hoch" ist, und sie gibt
i2 aus, wenn das Ausgangssignal desselben "niedrig" ist, um eine Mitkopplung zu erzielen,
damit der Operationsverstärker 51 und
die Konstantstromschaltung 52 als Schmitt-Triggerschaltung
dienen. Die Pufferschaltung 53 entnimmt das Ausgangssignal
des Operationsverstärkers 51 ohne
den Betrieb der aus diesem und der Konstantstromschaltung 52 bestehenden Schmitt-Triggerschaltung
zu stören.
Die 18 zeigt ein anderes Beispiel der aus dem Operationsverstärker 51,
der Konstantstromschaltung 52 und der Pufferschaltung 53,
die als Kaskade geschaltet sind, bestehenden Signalverarbeitungsschaltung 5,
deren Betrieb derselbe wie der gemäß der 16 ist.
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AUSFÜHRUNGSFORM 2
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Die 3 – 5 zeigen
verschiedene Konfigurationen der Ausführungsformen gemäß der Erfindung.
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Die 3 zeigt
eine Schaltungskonfiguration, bei der das Hall-Element 4 zwischen
ein Paar von Treiberwiderständen 2 und 3 eingebettet
ist, die sich an seiner Ober- und Unterseite befinden und die anstelle
der das Hall-Element ansteuernden Konstantstromquelle 50,
wie es in der 1 dargestellt ist, verwendet
werden. Es ist nicht erforderlich, für eine Übereinstimmung der Widerstandswerte
der Widerstände 2 und 3 zu
sorgen, da sie frei vom Einfluss von V1 sind. Dadurch kann die Relativgenauigkeit
der Widerstände
verringert werden, was den Vorteil bietet, dass es möglich ist,
eine Verringerung der Ausbeute beim Herstellen des Magnetsensors
in einem monolithischen IC zu verhindern.
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AUSFÜHRUNGSFORMEN 3 UND 4
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Die 4 zeigt
eine Schaltungskonfiguration, bei der der Treiberwiderstand 2 nur
mit der positiven Seite des Eingangs des Hall-Elements 4 verbunden
ist, und die 5 zeigt eine Schaltungskonfiguration
des Eingangs des Hall-Elements 4 verbunden
ist, und die 5 zeigt eine Schaltungskonfiguration,
bei der der Treiberwiderstand 3 nur mit der negativen Seite
des Eingangs des Hall-Elements 4 verbunden ist. Die in
den 3 – 5 dargestellten Konfigura tionen
können
jeweils einen ähnlichen
Effekt wie die in der 1 dargestellte Konfiguration
erzielen.
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BEISPIEL
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Die 6 zeigt
ein Beispiel, das für
das Verständnis
der Erfindung von Nutzen ist. Es handelt sich um ein Beispiel der
Signalverarbeitungsschaltung zum Realisieren eines Magnetsensors
hohen Funktionsvermögens
mit einer Signalverarbeitungsschaltung, die das Ausgangssignal durch
Verringern der Temperaturabhängigkeit
desselben auf ungefähr null
innerhalb eines weiten Temperaturbereichs stabilisieren kann. Dies
ermöglicht
es, ein Sensorausgangssignal zu erhalten, das selbst dann von der Temperatur
unabhängig
ist, wenn ein Magnetfeld mit beträchtlicher Temperaturabhängigkeit
erfasst wird, wie dasjenige eines Permanentmagnets.
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Beim
vorliegenden Beispiel sind Widerstände 6 und 7 über den
Ausgangsanschluss nach Verstärkung
durch den Operationsverstärker 51 und
den nicht invertierenden Eingangsanschluss als digitaler Signalverarbeitungs-Rückkopplungswiderstand in Reihe
geschaltet. Dies bildet eine Schmitt-Triggerschaltung (die von nun an unter
Umständen
einfach als "digitale
Verarbeitungsschaltung" bezeichnet wird)
mit einer Schwellenspannung proportional zum Rückkopplungswert. So zeigt der
Operationsverstärker 51 seine
maximale Ausgangsspannung, wenn die Spannung am nicht invertierenden
Eingangsanschluss höher
als diejenige am invertierenden Eingangsanschluss ist, und im entgegengesetzten
Fall zeigt er die minimale Ausgangsspannung, um so als Komparator
zu arbeiten. Die 8 ist ein Diagramm zum Veranschaulichen
der Beziehungen zwischen der Ausgangsspannung (Vdo) nach der digitalen Wandlung
und der am Hall-Element wirkenden Magnetflussdichte. Die Magnetflussdichte,
bei der die Ausgangsspannung von hoch auf niedrig variiert, wird
als Betriebs-Magnetflussdichte
(Bop) bezeichnet, wohingegen die Magnetflussdichte, bei der die Ausgangsspannung
von niedrig auf hoch wechselt, als Rückwärts- Magnetflussdichte (Brp)
bezeichnet wird.
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Wie
es in der 6 dargestellt ist, betreibt die
Spannungsquelle 1 den Operationsverstärker 51 und das aus
InAs bestehende Hall-Element 4 über die Treiberwiderstände 2 und 3.
Das aus InAs bestehende Hall-Element bildet einen Magnetsensorabschnitt 30.
Der Ausgangswiderstand des aus InAs bestehenden Hall-Elements 4 dient
als Eingangswiderstand des Operationsverstärkers 51, um mit einem
Paar von Rückkopplungswiderständen 6 und 7 (Rf1
und Rf2) mit verschiedenen Temperaturkoeffizienten, die an den nicht
invertierenden Eingangsanschluss des Operationsverstärkers 51 zurückgekoppelt
sind, eine Schmitt-Triggerschaltung
zu bilden. Bei dieser Anordnung ist die Schwellenspannung durch
Vth = (Vdo – V1) · Rho/(Rf1
+ Rf2) ausgedrückt.
Der Signalverarbeitungsschaltungsabschnitt 20 besteht aus
den Treiberwiderständen 2 und 3, dem
Operationsverstärker 51 sowie
den Widerständen 6 und 7.
Wenn der Effekt von V1 vernachlässigbar
ist, kann durch Einstellen der Widerstandswerte von Rf1 und Rf2
auf geeignete Werte der Temperaturkoeffizient von Vth eingestellt
werden. Dies ermöglicht
es, die Temperaturkoeffizienten sowohl des Innenwiderstands als
auch der Empfindlichkeit des aus InAs bestehenden Hall-Elements 4 zu
korrigieren, um es dadurch zu ermöglichen, dass Bop und Brp jeden
beliebigen gewünschten
Temperaturkoeffizient zeigen. Die Widerstände 6 und 7 können auch
parallel geschaltet werden.
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Auf
diese Weise kann ein Sensorausgangssignal mit einer Temperaturabhängigkeit
vom Magnetfeld erzielt werden.
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Zusätzlich ermöglicht es,
da der Temperaturkoeffizient eines Permanentmagnets vorab gemessen
werden kann, selbst dann, wenn das zu erfassende Magnetfeld eine
Temperaturabhängigkeit zeigt,
wie das Magnetfeld eines Permanentmagnets, das Einstellen des Verhältnisses
der Widerstandswerte von Rf1 und Rf2, den Temperaturkoeffizient des
Permanentmagnets zu korrigieren, um es dadurch zu ermöglichen,
die Temperaturabhängigkeit des
Sensorausgangssignals zu beseitigen.
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Obwohl
bei diesem Beispiel ein aus InAs bestehendes Hall-Element als Magnetsensor
verwendet ist, ist statt dessen ein magnetisches, magnetoresistives
Dünnfilmelement
(NiFe) verwendbar.
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AUSFÜHRUNGSFORM 5
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Die 5 zeigt
eine fünfte
Ausführungsform gemäß der Erfindung,
und die 17 zeigt eine Detailstruktur
der Signalverarbeitungsschaltung derselben. Als Teil einer Strukturkomponente
zum Bestimmen der zwei Konstantstromstärken i1 und i2 werden mehrere
Widerstände
(in diesem Fall zwei Widerstände
R1 und R2) mit verschiedenen Temperaturkoeffizienten in der Signalverarbeitungsschaltung 51, insbesondere
in der Konstantstromschaltung 52, in solcher Weise angewandt,
dass die zwei oder mehr Konstantstromstärken i1 und i2 umgekehrt proportional
zum Temperaturkoeffizient des kombinierten Widerstands der Widerstände R1 und
R2 mit verschiedenen Temperaturkoeffizienten sind, wobei diese Widerstände in Reihe
oder parallel oder einer Kombination hieraus geschaltet sind, d.h.,
es gilt i1 ∝ 1/(R1
+ R2 oder i2 ∝ 1/(R1
+ R2), was es ermöglicht,
für jeden beliebigen
gewünschten
Temperaturkoeffizient zu sorgen, wie Vth1 = Rho × i1 und Vth2 = Rho X i2. Zusätzlich zum
Effekt der 6 kann dadurch der Einfluss
von V1 beseitigt werden, und demgemäß kann gewährleistet werden, dass das
Ausgangssignal der Signalverarbeitungsschaltung 5 jeden
beliebigen gewünschten
Temperaturkoeffizient zeigt, wie denjenigen zum Korrigieren der
Temperaturkoeffizienten sowohl des Innenwiderstands als auch der
Empfindlichkeit des Magnetsensorabschnitts 4, oder denjenigen zum
Korrigieren des Temperaturkoeffizienten des durch den Magnetsensorabschnitt
zu erfassenden Objekts.
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Obwohl
durch die Schaltungskonfigurationen der vorigen Ausführungsformen
der zugehörigen Signalverarbeitungsschaltungsabschnitt
unter Verwendung eines monolithischen Si-IC realisiert werden kann,
kann der durch einen üblichen
monolithischen Si-IC implementierte Widerstand sowohl einen kleinen
Flächenwiderstand
mit eher niedrigem Temperaturkoeffizient als auch einen hohen Flächenwiderstand
mit eher hohem Temperaturkoeffizient beinhalten. Bei monolithischen
Si-ICs wurde der Unterschied der Temperaturkoeffizienten lange als
negativer Faktor oder nicht akzeptierbare Eigenschaft bei der Schaltungstechnik
angesehen. Die vorliegende Ausführungsform
nutzt jedoch in positiver Weise die Differenz, um den gewünschten
Temperaturkoeffizient in Form des kombinierten Widerstands zu erzeugen,
der aus einer Reihen- oder einer Parallelschaltung oder einer Kombination
einer Reihen- und einer Parallelschaltung besteht. Dies ermöglicht es,
den rückzukoppelnden
Konstantstrom zu erzeugen, der umgekehrt proportional zum Temperaturkoeffizient ist,
um dadurch im monolithischen Si-IC einen Magnetsensor mit Signalverarbeitungsschaltung
mit einem Temperaturkoeffizient beliebiger magnetischer Eigenschaften
zu realisieren, was herkömmlich
als unmöglich
angesehen wurde.
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AUSFÜHRUNGSFORM 6
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Der
Betrieb von Schaltungselementen im Signalverarbeitungsschaltungsabschnitt,
wie er in einem üblichen
Si-IC ausgebildet ist, wurde bei hohen Temperaturen über 125 °C als instabil
angesehen, da sie in der Oberfläche
eines Si-Substrats mit einer Struktur ausgebildet sind, das sie
durch einen pn-Übergang
elektrisch gegen das Substrat isoliert, wobei das Stromleck des
zur Isolierung verwendeten pn-Übergangs
bei hohen Temperaturen zunimmt. Angesichts dieser Tatsache haben
wir die Schaltungselemente auf der Oberfläche eines isolierten Substrats
als Schaltungskonfiguration mit kleinem Leckstrom zum Substrat ausgebildet.
Im Ergebnis haben wir herausgefunden, dass der Leckstrom zum Substrat
einen großen
Effekt auf den stabilen Betrieb bei hohen Temperaturen hat.
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Die
vorliegende Ausführungsform
verwendet eine Signalverarbeitungsschaltung mit einer Struktur, die
den Leckstrom zum Substrat verringern kann, und bei ihr wird der
Magnetsensor durch Kombinieren der Signalverarbeitungsschaltung
mit einem Verbindungshalbleiter-Magnetsensor oder einem magnetischen,
magnetoresistiven Dünnfilmelement
aufgebaut. Die 11A zeigt eine Struktur eines
Substrats mit dem Signalverarbeitungsschaltungsabschnitt 20,
wie er in jeder der 1 -6 dargestellt ist. Der integrierte
Schaltkreis des Signalverarbeitungsschaltungsabschnitts 20 verfügt über eine
Struktur, die auf einem isolierten Keramiksubstrat ausgebildet ist.
Anderes gesagt, sind die Halbleiterschaltungselemente als Signalverarbeitungsschaltungsabschnitt 20 auf einem
isolierten Substrat 21 ausgebildet. Eine derartige Struktur
ermöglicht
stabilen Betrieb bei hoher Umgebungstemperatur.
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Ferner
ist in der 11A ein Magnetsensorabschnitt 30 auf
dem isolierenden Substrat 21 ausgebildet, auf dem der Signalverarbeitungsschaltungsabschnitt 20 ausgebildet
ist. Der Magnetsensor 30 kann auch über einer Isolierschicht auf
dem Signalverarbeitungsschaltungsabschnitt 20 ausgebildet
sein oder er kann auf einem anderen Substrat als dem isolierenden
Substrat 21 hergestellt werden.
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AUSFÜHRUNGSFORM 7
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Die 11B zeigt ein anderes Beispiel der Substratstruktur
mit dem Signalverarbeitungsschaltungsabschnitt 20. Eine
Isolierschicht 22, wie aus SiO2 ist
auf einem Si-Substrat 23 ausgebildet, und die Halbleiterschaltungselemente
sind als Signalverarbeitungsschaltungsabschnitt 20 auf
der Isolierschicht 22 ausgebildet. Auch diese Struktur
bietet einen Vorteil dahingehend, dass sie für stabilen Betrieb bei hohen
Temperaturen sorgen kann.
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In
der 11B ist der Magnetsensorsabschnitt 30 auf
der Isolierschicht 22 des Si-Substrats 23 ausgebildet,
auf dem der Signalverarbeitungsschaltungsabschnitt 20 ausgebildet
ist. Der Magnetsensor 30 kann auch über einer Isolierschicht auf dem
Signalverarbeitungsschaltungsabschnitt 20 hergestellt werden,
oder er kann auf einem anderen Substrat als dem Si-Substrat 23 hergestellt
werden.
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Die
Schaltungskonfiguration, wie sie in der 11A oder
der 11B dargestellt ist, ermöglicht stabilen
Signalverarbeitungsbetrieb bis zu einer Temperatur von 175°, was bisher
unmöglich
war. Dies ermöglicht
es, einen hoch genauen, hoch zuverlässigen Magnetsensor mit einem
Verstärker
zu realisieren. Als Nächstes
werden einige Versuchsergebnisse veranschaulicht, die in vergleichender
Weise die vorstehenden Ausführungsformen
gemäß der Erfindung
mit dem Herkömmlichen
untersuchen.
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- Versuchsergebnisse
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(Versuchsergebnis 1)
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Die 7 zeigt
vergleichend die Temperaturabhängigkeit
des unter Verwendung des aus InAs bestehenden Hall-Elements 4 als
Sensor in der in der 2 dargestellten Schaltung, die
in Form eines monolithischen Si-IC realisiert wurde, erhaltene Temperaturabhängigkeit
der Betriebs-Magnetflussdichte (Bop).
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Die 7 die
Ergebnisse von Versuchen, bei denen der Temperaturkoeffizient des
Widerstands R1 auf 2.000 ppm/°C
eingestellt wurde, derjenige des anderen Widerstands R2 auf 7.000
ppm/°C eingestellt
wurde und das Verhältnis
von R1 und R2 auf 2:8 oder 7:3 eingestellt wurde.
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Zum
Vergleich ist auch die Temperaturabhängigkeit der Betriebs-Magnetflussdichte
(Bop) dargestellt, wie sie unter Verwendung des aus InAs bestehenden
Hall-Elements 4 als Sensor in der in der 13 dargestellten
Schaltung erhalten wurde.
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Durch
Verwenden der digitalen Ausgangsschaltung gemäß der Erfindung kann ein Temperaturkoeffizient
der Betriebs-Magnetflussdichte von ungefähr null innerhalb eines großen Temperaturbereichs
erzielt werden, wenn das Verhältnis
von R1 und R2 7:3 beträgt.
Ferner kann dann, wenn das Verhältnis
von R1 und R2 als 2:8 eingestellt wird, der Temperaturkoeffizient
auf –0,18
%/°C eingestellt
werden, was gleich groß wie
derjenige eines üblichen Ferritmagnets
ist. Demgemäß kann,
wenn ein durch einen Ferritmagnet erzeugtes Magnetfeld erfasst wird,
die Temperaturabhängigkeit
des Sensorsausgangssignals dadurch auf ungefähr null verringert werden,
dass das Verhältnis
von R1 und R2 zu 2:8 konzipiert wird.
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Darüber hinaus
kann, da der Widerstand R1 unter Verwendung eines üblichen
Widerstands hergestellt wurde, dessen Flächenwiderstand im integrierten
Si-Schaltkreis eher
klein ist, und da der Widerstand R2 unter Verwendung eines Widerstands hergestellt
wurde, dessen Flächenwiderstand
vergleichsweise groß ist,
um einen hohen Widerstandswert zu erzeugen, die Schaltungskonfiguration
gemäß der Erfindung
das Erfordernis vermeiden, dass Widerstände mit speziellen Temperaturkoeffizienten hergestellt
werden, die zu den Temperaturkoeffizienten der Empfindlichkeit und
des Widerstandswerts eines aus InAs bestehenden Hall-Elements passen,
da die Widerstände
durch Kombinieren der Werte der zwei Typen von durch einen gemeinsamen
Prozess hergestellten Widerstände
implementiert werden können.
Dies bietet den Vorteil, dass es möglich ist, die IC-Schaltung
billig zu realisieren, ohne dass bei der IC-Herstellung irgendein
spezieller Prozess hinzugefügt
werden müsste.
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(Versuchsbeispiel 2)
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Die 9 veranschaulicht
vergleichend auch die Temperaturabhängigkeit der Betriebs-Magnetfeldstärke (Hop),
wie sie unter Verwendung eines magnetischen, magnetoresistiven Dünnfilmelements (NiFe)
als Sensor in der in der 2 dargestellten Schaltung, die
in Form eines monolithischen Si-IC realisiert ist und in der als
Referenz verwendeten Schaltung der 13 verwendet
wird.
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Aus
dem Kurvenbild ist es erkennbar, dass der Temperaturkoeffizient
der Betriebs-Magnetfeldstärke
in einem großen
Temperaturbereich auf ungefähr
null eingestellt werden kann.
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(Versuchsbeispiel 3)
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Die 10 veranschaulicht
die Temperaturabhängigkeit
der Betriebs-Magnetflussdichte
im Fall der 11A und 11B,
wobei die in der 2 dargestellte Signalverarbeitungsschaltung
auf dem Keramiksubstrat hergestellt war, im Vergleich zum Temperaturkoeffizient
eines entsprechenden integrierten Schaltkreises, der auf einem üblichen,
herkömmlichen
Si-Substrat hergestellt wurde. Wie es aus der 10 dargestellt
ist, war die Betriebs-Magnetflussdichte
bei der erfindungsgemäßen Schaltung bei
einer Umgebungstemperatur über
150 °C stabil.
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Wie
oben beschrieben, kann der Magnetsensorabschnitt, der aus einem
Verbindungshalbleiter-Dünnfilm
besteht und mit einer Konstantstromschaltung zum Zurückführen des
Stroms kombiniert ist, eine Verringerung der Ausbeute aufgrund von
Variationen des Mittelpunktpotenzials eines Hall-Elements, oder
aufgrund von Variationen der Widerstände der Schaltung, verhindern.
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Außerdem kann
die Temperaturabhängigkeit der
Betriebs-Magnetflussdichte dadurch auf ungefähr null verringert werden,
dass der Temperaturkoeffizient des Rückkopplungsstroms durch die
Konstantstromschaltung auf einen Wert eingestellt wird, der umgekehrt
proportional zur Temperaturkoeffizient des kombinierten Widerstands
der mehreren Widerstände
mit zwei oder mehr verschiedenen Temperaturkoeffizienten in der
Signalverarbeitungsschaltung ist. Dies ermöglicht es auch, ein Sensorausgangssignal
zu erhalten, das in einem großen
Temperaturbereich selbst dann unabhängig von der Temperatur ist, wenn
das zu erfassende Magnetfeld eine Temperaturabhängigkeit zeigt, wie beim Erfassen
des Magnetfelds eines Permanentmagnets.
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Darüber hinaus
sorgt der integrierte Schaltkreis des auf einem isolierten Keramiksubstrat
hergestellten Signalverarbeitungsschaltungsabschnitts für stabilen
Betrieb bei hohen Umgebungstemperaturen.