JP2001013231A - 半導体基板上に形成された磁気センサ - Google Patents
半導体基板上に形成された磁気センサInfo
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Abstract
ることができ、また直交する2つの方向に沿って磁場を
検出することができる磁気センサを提供する。 【解決手段】 CMOS技法によって、平行六面体の形
状を有する半導体基板(1)上に作成された平面磁気セ
ンサである。この磁気センサは、励磁コイル(9)の外
側輪郭(90)によって形成される矩形の2本の対角線
を占めるギリシャ十字の形状をしたアモルファス強磁性
コア(10)を含む。これにより、直列に、かつ差動配
列で取り付けられた平坦な検出コイル(70、80、お
よび71、81)を介して、外部磁場(Hext)の2
つの直交成分(H1、H2)が測定される。
Description
作成されるほぼ平面の磁気センサに関する。この磁気セ
ンサは、フラックスゲート・タイプであり、通常は、例
えば医療分野などで、きわめて低い値の磁場を平面中で
検出するための磁力計に備え付けるためのものである。
この場合、この磁力計は、このセンサが作成される基板
中に関連する電子回路が一体化された状態で、CMOS
技法を使用して作成されることが好ましい。
ensor XI」会議において提出された、Swis
s Federal Institute of Te
chnology of Lausanne(Swit
zerland)のL.Chiesi、J.A.Fla
ganan、B.Jannosy、およびR.S.Po
ponic各位による出版物「Integrated
Planar Fluxgate Sensor Wi
th Amorphous Metal Core」を
現況技術として引用することができる。
された平面磁気マイクロセンサが記載されており、これ
は従来技術の図として添付した図1に示してある。
すなわち「フラックスゲート」センサは、平行六面体形
のプレートで形成されたシリコンマイクロ基板1、また
は「シリコン・チップ」にCMOS集積化技法によって
作成されている。
の大きな上面2上に一体化される。この平行六面体基板
は、測定すべき外部磁場Hextに対して、大きな面2
が実際に外部磁場Hextと同一平面上となるように位
置決めされる。
料の金属テープ、すなわちコア3を含み、テープ3の各
末端にそれぞれ溶接された2本のアルミニウム・ワイヤ
5、6によって伝達される励磁電流がそのテープを通っ
て流れる。この励磁電流は周波数fの三角波形の交流で
あり、この交流が同じ周波数の磁場を発生させ、この磁
場は、アモルファス強磁性コア3のテープの曲線B−H
(磁束−磁場)の性質が非線形であるので、周期的に強
磁性材料3を飽和させる。
なわち差動配列で取り付けられた、2つの同一平面上の
検出コイル7および8を含み、これらはそれぞれアモル
ファス強磁性テープすなわちコア3の一端に配置され、
これにより、そこでそれぞれ各末端の漏れ磁場を測定す
る。
形であるので、各コイル7または8によって検出される
電圧は励磁周波数fの調波を含み、そのうちの偶数調波
が測定すべき外部磁場Hextに比例するので、偶数調
波のみに注目する。したがって、一般に検出は周波数2
fについて実行される。
の相対位置を変更しなければ、直交する2つの方向に沿
って外部磁場Hextを測定することができず、またも
う一方で、感度が足りないという欠点がある。さらに、
その出力電圧は、励磁電流の周波数に依存し、その電流
消費も比較的高い。
によるセンサと同様であるが、前述の欠点を有さず、特
にその電流消費が低く、きわめて弱い強度の外部磁場H
extでも検出することができ、また直交する2つの方
向に沿った磁場を検出することができるという点で、そ
の性能が大幅に改善された磁気センサを提供することで
ある。
半導体基板上に作成されたほぼ平面の磁気センサに関
し、このセンサは、ほぼ平面であり、かつ基板の大きな
平面上に作成された、1つまたは複数の磁気コアと、少
なくとも1つの励磁回路と、やはり基板のこの大きな面
上に作成された少なくとも2つの平面検出コイルで形成
された少なくとも1つの検出回路とを含み、この励磁回
路が、ほぼ矩形の外形を有する単一の平面コイルで形成
されること、およびこの1つまたは複数の磁気コアが、
平面励磁コイルの外側輪郭によって区画される幾何学的
な矩形の2本の対角線に沿ってギリシャ十字形に配列さ
れた細長い(long−limbed)コアであること
を特徴とする。
ただ1つだけ存在し、モノブロックであり、前記対角線
に沿って配列されたギリシャ十字の形状を有する。この
場合には、検出回路が、モノブロック・ギリシャ十字の
形状をした磁気コアの4つの自由端の位置にそれぞれ配
置された4つの検出コイルで形成されると有利である。
1つまたは複数の磁気コアを形成する材料はアモルファ
スであることが好ましい。
態についての以下の説明において、本発明はより明確に
理解され、本発明の利点およびその他の特徴は明らかに
なるであろう。
た従来技術のセンサの基板と同様の平行六面体形の基板
を、再度参照番号1で示してある。この基板は、その大
きな上面2上にCMOS集積化によって作成された、磁
気センサと関連づけられて完全な磁力計を形成する電子
回路を含む。この集積電子回路は、この図には示してい
ない。
た平面状の励磁コイル9を含み、このコイル9は、その
外側巻線90によって形成される、ほぼ矩形の形状の外
側輪郭を有する。励磁コイル9のその他の巻線91から
94は、外側巻線90と同心円状になっており、形状は
やはり矩形であり、図示のように次第に寸法が短くな
る。
磁コイル9上に作成され、このコアは、図1の従来技術
のデバイスの場合と同様にアモルファス磁性材料で、通
常は市販のアモルファス強磁性金属のテープで形成され
る。
はギリシャ十字の形状を有し、この形状は、励磁コイル
9の外側巻線90によって形成される矩形、すなわちコ
イルによって形成される幾何学的な矩形の直交する2本
の対角線と一致する。
交成分H1およびH2を測定することができ、これら2
つの成分はそれぞれコア10の2本の直交するブランチ
101および102に沿って方向づけられる。この場
合、成分H1はコア10のブランチ101によって測定
され、成分H2はそれと直交するブランチ102によっ
て測定される。
コイル対、すなわち、基板1の面2の上、平面励磁コイ
ル9の下に、やはりCMOS技法によって作成された、
平面検出コイル70、80の第1の対であって、これら
2つの検出コイルは、直列にかつ差動配列で取り付けら
れ、それぞれコア10のブランチ102の2つの自由端
の一方の下に位置決めされ、したがって、この第1の対
70、80は、外部磁場Hextの成分H2を検出する
役割を有する第1の対と、2つのコイル70、80と同
様の平面検出コイル71、81の第2の対であって、こ
れら2つの検出コイルも、やはり直列にかつ差動配列で
取り付けられ、それぞれコア10のもう一方のブランチ
101の2つの自由端の一方の下に位置決めされ、この
第2の対71、81は、外部磁場Hextの成分H1を
検出する役割を有する第2の対とによって実行される。
励磁コイル9を示す図であり、この励磁電流はさらに、
交番する正負のパルスによって例えば1/8程度の低い
デューティ・サイクルで形成される。この図は、その結
果としてコア10の半ブランチ101A、101B、1
02A、および102Bそれぞれの中で発生する、励起
磁場の方向を示している。
ンチ101A、101B中では、励磁電流Iexcによ
って生成される励起磁場Hexcは反対向きであること
が分かる。
01または102で、測定すべき外部磁場Hextから
見るとコアの長さはブランチの全長と同等であり、励起
磁場Hexcから見るとコアの長さはそのブランチの長
さの半分と同等であるだけである。したがって、外部磁
場から見ると、強磁性コアは、励起磁場から見た透磁率
と同等の見かけの透磁率であるが、それよりも大きな透
磁率を有する。これにより、最終的にセンサの感度が大
幅に向上する。
に適用した、すなわち測定すべき外部磁場Hextの2
つの成分H1またはH2のうちの一方の測定に適用し
た、このセンサの動作原理を示す図である。
本、例えば101中の励起磁場Hexcの変動と、それ
に対応する励起磁束φexcの変動と、対応する2つの
検出コイル71および81それぞれにおける誘導電圧V
iの変動と、これら2つのコイルのアセンブリからの出
力電圧Vsの変動とを時間tの関数として示す、4つの
曲線の第1のシリーズIであり、この第1のシリーズI
の曲線は、測定すべき外部磁場Hextがない状態で作
成したものである。
線の第2のシリーズIIであるが、この場合には測定す
べき外部磁場Hextが存在している。
1の半ブランチ101Aおよび101Bに関して、励起
磁場、ならびに励起磁束φexcおよび誘導電圧Viが
等しく、符号が反対であることを示している。直列かつ
差動式に取り付けた2つの検出コイル71および81の
出力で検知する出力電圧Vsは、外部磁場Hextがな
いときにはゼロとなる。
磁場Hextがあると、曲線Hexc(t)が上方に偏
位し、これにより2つの誘導電圧Viの間の対称性がな
くなり、その結果として、交番する正負のパルスの連続
で形成される、ゼロでない出力電圧Vsが生じる。次い
で、センサのコア10のブランチの1本、例えばブラン
チ101に関連づけられた電子回路の概略的な機能ブロ
ック図である図5に関連して分かるように、これらのパ
ルスを整流し、平滑化して、直流の測定電圧を得る。
供給パルス11を有する外部パルス・クロックClkを
使用する。
る周期信号を供給する、すなわち例えば125Khzに
等しい周波数fの2つの第1の移相周期信号を第1の出
力13から供給し、周波数2fの2つの第2のπ移相周
期信号を第2の出力14から供給し、周波数2fの2つ
の第3のπ移相周期信号を第3の出力15から供給す
る、分周器回路12に印加される。
較的低いディーティ・サイクルを有する交流励磁電流1
8をその出力17から励磁コイル9に提供する加工(el
aboration)および整形回路16に印加される。電流1
8のディーティ・サイクルは、第1の2つの信号の移相
によって決定される。回路16は、パルスの幅がこれら
の第1の2つの信号の一時的な移相に等しくなるように
なされることが好ましい。
の出力では、パルス化された周期的な誘導信号19が生
じ、これは、整流器20の出力22で整流済みの信号2
1が得られるように接続140によって周波数2fで制
御された整流器回路20に印加される。励磁周波数fの
偶数調波の同期検出が行われることに留意されたい。
フィルタ23中で平滑化され、整流済みの信号21の誘
導パルスの持続時間の間は本質的にアクティブとなるよ
うに、接続150によって周波数2fで制御される。次
いで、平滑化された信号を増幅器24中で増幅し、最終
的にセンサの出力Sで直流の測定電圧25を得る。
い実施形態の例に限定されない。
ス強磁性コアが、前述のように全体が一体化されたギリ
シャ十字として形成されるのではなく、図示のように、
前述の場合と同様に励磁コイル9によって形成される矩
形の2本の対角線に沿って配列された、別個の直線状半
ブランチ101A、101B、102A、102Bとし
て4つのコア・エレメントで形成される、センサの代替
実施形態を示している。
1、80、81はやはり4つのコア・エレメント101
A、101B、102A、102Bの外側の自由端の下
にそれぞれ配置されることが分かるが、これら4つのコ
ア・エレメントの内側の自由端の下にそれぞれ位置決め
されたその他の4つの検出コイル73、72、82、8
3もあることが分かる。
ト、例えばバー101を、やはり細長いが、平行六面体
形ではなく楕円形のエレメントで置き換えると有利であ
ることがあることを示す図である(これも既知であ
る)。両方の場合について磁力線(magnetic flux forc
e line)26が明白に示すように、楕円形のバーの場合
の方が、均一性のはるかに高いこれらの磁力線を観察す
ることができる。
示す図である。
施形態を示す部分展開斜視図である。
気コアの4本の半ブランチそれぞれの中の励起磁場の方
向を示す部分図である。
関連する励磁および検出回路を示す概略電気図である。
ある。
付けられるアモルファス磁気バーに楕円形の形状を持た
せることの利点を示す図である。
Claims (12)
- 【請求項1】 半導体基板(1)上に作成されたほぼ平
面の磁気センサであって、 ほぼ平面であり、かつ前記基板(1)の大きな平面
(2)上に作成された、少なくとも1つの磁気コア(1
0)と、 少なくとも1つの励磁回路(9)と、 基板(1)の前記大きな面(2)上に作成された少なく
とも2つの平面検出コイル(70、80、71、81)
で形成された少なくとも1つの検出回路とを含み、前記
励磁回路が、ほぼ矩形の外形を有する単一の平面コイル
(9)で形成されること、および前記1つまたは複数の
磁気コア(10、101A、101B、102A、10
2B)が、前記平面励磁コイル(9)の外側輪郭(9
0)によって形成される幾何学的な矩形の2本の対角線
に沿ってギリシャ十字形に配列された細長いコアである
ことを特徴とする磁気センサ。 - 【請求項2】 前記磁気コア(10)が単一のモノブロ
ック・コアであり、前記対角線に沿って配列されたギリ
シャ十字の形状を有することを特徴とする請求項1に記
載の磁気センサ。 - 【請求項3】 検出回路が、モノブロック・ギリシャ十
字の形状をした前記磁気コイル(10)の4つの自由端
の位置にそれぞれ配置された4つの検出コイル(70、
80、71、81)で形成されることを特徴とする請求
項2に記載の磁気センサ。 - 【請求項4】 前記矩形(90)の対角線の一方の上に
それぞれ位置決めされた1つまたは複数の磁気コア(1
01、102)が全て、検出コイル(70、80、7
1、81)、および測定すべき外部磁場(Hext)の
直交成分(H1;H2)の一方の測定とそれぞれ関係す
る電子測定回路(20、23、24)と関連づけられる
ことを特徴とする請求項1ないし3のいずれか一項に記
載の磁気センサ。 - 【請求項5】 同一の対角線(102)と関連づけられ
た検出コイル(70、80)が、直列に、かつ差動配列
で取り付けられることを特徴とする請求項4に記載の磁
気センサ。 - 【請求項6】 交番する正負のパルスの連続で形成され
た励磁電流(18)を加工する電子制御回路(15、1
6)も含むことを特徴とする請求項1ないし5のいずれ
か一項に記載の磁気センサ。 - 【請求項7】 前記励磁パルス(18)が比較的低いデ
ューティ・サイクルを有することを特徴とする請求項6
に記載の磁気センサ。 - 【請求項8】 前記デューティ・サイクルが1/8程度
であることを特徴とする請求項7に記載の磁気センサ。 - 【請求項9】 前記関連づけられた電子回路(15、1
6、20、23、24)が、CMOS集積化技法によっ
て、基板の前記大きな面(2)上に作成されることを特
徴とする請求項4ないし8のいずれか一項に記載の磁気
センサ。 - 【請求項10】 前記対角線のそれぞれと関連づけられ
た電子回路が、少なくとも、 加えられたクロック・パルス(11)の周波数(f0)
を分周する回路(2)と、 励磁パルス(18)のための加工および整形回路(1
6)と、 励磁周波数(f)の2倍周波数(2f)で制御された整
流器回路(20)と、 平滑化および増幅回路(23、24)とを含むことを特
徴とする請求項4ないし9のいずれか一項に記載の磁気
センサ。 - 【請求項11】 前記1つまたは複数の磁気コアが、ア
モルファス材料から形成されることを特徴とする請求項
1ないし10のいずれか一項に記載の磁気センサ。 - 【請求項12】 前記対角線に沿って配置された細長い
バー(101A、102A、101B、102B)が楕
円形の形状を有することを特徴とする請求項1ないし1
1のいずれか一項に記載の磁気センサ。
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