JP2001521152A - 外部調節可能な温度補償機能を有するモノリシック磁気センサ - Google Patents

外部調節可能な温度補償機能を有するモノリシック磁気センサ

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JP2001521152A JP2000517288A JP2000517288A JP2001521152A JP 2001521152 A JP2001521152 A JP 2001521152A JP 2000517288 A JP2000517288 A JP 2000517288A JP 2000517288 A JP2000517288 A JP 2000517288A JP 2001521152 A JP2001521152 A JP 2001521152A
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Abstract

(57)【要約】 可変電流源からホール効果素子への電流の流れを、当該素子の検知した温度状態に応じて変化させ、ホール効果素子の磁界感度、および当該素子が検知する磁気構成物の永久磁界の大きさの温度依存変化を補償する。モノリシック集積回路の２つの外部端子間にトリマブル抵抗器を接続し、温度変化状態に対する温度可変電流の感度を外部から制御する。また、このデバイスは、ホール効果素子の出力およびバイアス供給コンタクトの直交状態を交互に切り替えることにより、そのオフセットおよびドリフトを補償する。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】 （発明の背景） １．発明の分野 本発明は、磁気センサに関し、更に特定すれば、ユーザが調節可能な温度補償
回路を有するホール効果センサ構成に関するものである。 ２．関連技術の論述 ホール効果素子は、磁界を検知するために用いられる。その最も簡単な形態で
は、モノリシックで製作したホール効果素子は、バイポーラ（ＢＰ）またはバイ
ポーラ相補金属酸化物半導体（ＢｉＣＭＯＳ）プロセスで形成した、例えば、エ
ピタキシャル（エピ）ポケットで形成さした正方形プレートを採用する。正方形
プレートは２対のコンタクト（ｃｏｎｔａｃｔ）を有し、各コンタクト対がその
反対側の角にある別の対からプレートを跨ぐように、方向付けられている。電流
ＩHを２つのコンタクト対の一方に流すと、電圧ＶHが他方のコンタクト対間に現
れる。電圧ＶHは、（ａ）電流ＩHの振幅、（ｂ）ホール・プレートを横切る磁界
Ｂがあれば、その強度、および（ｃ）磁場Ｂに対するホール・プレートの感度Ｓ H の関数である（即ち、ＶH＝ＩH＊Ｂ＊ＳN。ここで、＊は乗算演算子を示す）。
したがって、適正に較正すれば、ホール・プレートは、既知の電流ＩHをホール ・プレートの一方のコンタクト対間に印加し、他方のコンタクト対間の電圧ＶH を測定することにより、磁界Ｂの強度を測定するために用いることができる。
【０００２】 ホール・プレートを用いて磁界を検知する際に直面する重大な難題が２つある
。一方の難題は、ホール・プレートが幾何学的な非対称性のような避け得ない欠
陥を含むことに起因し、このためにホール・プレートは磁界Ｂが全く加えられて
いない場合でも非ゼロの出力電圧ＶHを生成する。このＢ＝０のときに発生する 電圧ＶＨは、一般にホール・プレートのオフセット電圧ＶOHと呼ばれている。ホ
ール効果、ホール効果素子の動作、ホール効果素子を用いることができる回路、
およびホール・プレートのオフセット電圧の問題に対処する種々の技法に関する
論述は、以下の特許および刊行物にて記載されている。その各々はこの言及によ
り本願にも含まれるものとする。Ｂｉｌｏｔｔｉ ｅｔ ａｌ．（ビロッティそ
の他）の米国特許第５，６２１，３１９号、Ｍｅｈｒｇａｒｄｔ ｅｔ ａｌ．
（メーアガルトその他）の米国特許第５，４０６，２０２号、Ｂｉｌｏｔｔｉ
Ａｌｂｅｒｔ（ビロッティ アルバート）の“Ｍｏｎｏｌｉｔｈｉｃ Ｍａｇｎ
ｅｔｉｃ Ｈａｌｌ Ｓｅｎｓｏｒ Ｕｓｉｎｇ Ｄｙｎａｍｉｃ Ｑｕａｄｒ
ａｔｕｒｅ Ｏｆｆｓｅｔ Ｃａｎｃｅｌｌａｔｉｏｎ”（動的直交オフセット
相殺を用いたモノリシック磁気ホール・センサ）、ＩＥＥＥ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｓｏｌｉｄ−Ｓｔａｔｅ Ｃｉｒｃｕｉｔ 、Ｖｏｌ．３２、Ｎｏ．６、１
９９７年６月６日、Ｂｅｌｌｅｋｏｍ，Ａ．Ａ．およびＭｕｎｔｅｒ，Ｐ．Ｊ．
Ａ．（ベレコム，Ａ．Ａおよびムンター，Ｐ．Ｊ．Ａ．）の“Ｏｆｆｓｅｔ Ｒ
ｅｄｕｃｔｉｏｎ ｉｎ Ｓｐｉｎｎｉｎｇ−Ｃｕｒｒｅｎｔ Ｈａｌｌ Ｐｌ
ａｔｅｓ”（スピニング−電流ホール・プレートにおけるオフセット低減）Ｓｅ
ｎｓｏｒｓ ａｎｄ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ、５，５（１９９４）、２５３〜２７
３、ＭＹＵ、Ｔｏｋｙｏ、Ｂａｌｔｅｓ，Ｈ．Ｐ．およびＰｏｐｏｖｉｃ，Ｒ．
Ｓ．（バルテス，Ｈ．Ｐ．およびポポヴィック，Ｒ．Ｓ．）の“Ｉｎｔｅｇｒａ
ｔｅｄ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｆｉｅｌｄ Ｓｅｎ
ｓｏｒｓ”（集積半導体磁界センサ）、Ｐｒｏ．ＩＥＥＥ，ｖｏｌ．７４，ｐｐ
．１１０７〜１１３２，１９８６年８月。
【０００３】 第２の難題は、ホール効果素子の感度ＳHが素子の温度変化に伴って変化する という事実のために生ずる。つまり、所与の電流ＩHおよび磁界Ｂに対して、ホ ール効果素子が生成する電圧ＶHは、素子の温度に応じて変動する。この温度依 存性のために、ホール効果素子をその温度が一定に保たれない環境において用い
る場合、磁界の実際の大きさを確認することが困難となる。
【０００４】 加えて、ホール効果素子は、構成部品の永続的な磁界を検知するために用いら
れることが多い。例えば、ホール効果素子は、磁気構成部品が回転している間、
またはホール効果素子に対してそれ以外の運動を行っている際に、その位置を検
知するために用いられる場合がある。磁気効果素子に対する磁気構成部品のいず
れの所与の位置についても、磁気構成部品から発する磁界の大きさは、構成部品
の温度が変化するに連れて変化するので、構成部品が第１温度にある場合のホー
ル効果素子の出力電圧ＶHの大きさは、構成部品が第２温度にある場合の出力電 圧ＶHとは同一とはならない。したがって、ホール効果素子の出力電圧ＶHの大き
さは、磁気構成部品が可変温度環境に晒されている場合、構成部品の位置を信頼
性高く示すことができない。
【０００５】 したがって、本発明の総合的な目的は、可変温度環境の影響に対する耐性を改
善したホール効果デバイスを提供することである。 （発明の概要） 本発明の一態様によれば、ホール効果デバイスは、集積回路パッケージ内に装
着した基板と、基板上に一体化されたホール効果素子と、パッケージ外部に構成
部品を接続させるように構成された１対の端子とを含む。この端子対に構成部品
を結合した場合、構成部品の特性を変化させて、ホール効果デバイスの利得の当
該デバイスにおける温度変化に対する感度を調節することができるように、端子
対をホール効果素子に関連付けて構成した。
【０００６】 本発明の別の態様によれば、前述のホール効果デバイスは、バイアス信号を供
給し、バイアス信号の値が、ホール効果素子における温度変化に応答して変化す
るように構成した、温度可変信号源を備えている。加えて、前述の端子対に構成
部品を結合した場合、構成部品の特性を変化させて、ホール効果素子における温
度変化に対する信号源の感度を調節することができるように、端子対を信号源に
関連付けて構成した。
【０００７】 本発明の別の態様によれば、ホール効果デバイスは、ホール効果素子を内部に
装着した集積回路パッケージと、ユーザがアクセス可能な構成部品であって、構
成部品の特性を変化させて、デバイスにおける温度変化に対するホール効果デバ
イスの利得の感度を調節することができるように、前記ホール効果素子に関連付
けて構成した、構成部品とを備える。
【０００８】 本発明の別の態様によれば、ホール効果デバイスは、集積回路パッケージ内に
装着されたホール効果デバイスと、パッケージの外部地点から、温度変化状態に
対するホール効果デバイスの利得の感度を調節する手段とを含む。
【０００９】 本発明の更に別の態様によれば、ホール効果素子に対する温度変動の影響を補
償する方法は、集積回路の１対の外部端子に構成部品を結合し、集積回路に含ま
れるホール効果デバイスの利得の感度を調節するステップを含む。 （発明の詳細な説明） 図１は、本発明の一実施形態に用いられるクアッド・セル・ホール効果素子（
ｑｕａｄ−ｃｅｌｌ Ｈａｌｌ−ｅｆｆｅｃｔ ｅｌｅｍｅｎｔ）２０の平面図
である。図示のように、クアッド・セル・ホール効果素子２０は、４つのホール
・セル２０Ａ〜２０Ｄを含む。ホール・セル２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃおよび２０
Ｄは、ｎ−型エピタキシャル（ｎ−エピ）領域（例えば、直径２００マイクロメ
ートル）で作られ、ｐ−型ウエルまたはハブ（ｐ−ウエル／ｐ−タブ）３０Ａ，
３０Ｂ，３０Ｃおよび３０Ｄ内にそれぞれ形成されている。一方、Ｐ−ウエル／
ｐ−タブ３０Ａ，３０Ｂ，３０Ｃおよび３０Ｄは、ｎ−型基板３２上に形成され
ている。
【００１０】 ホール・セル２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃおよび２０Ｄの各々は、直交方向に向け
られた２つのコンタクト対を含む。即ち、ホール・セル２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃ
および２０Ｄは、それぞれ、第１コンタクト対２０Ａ１および２０Ａ３、２０Ｂ
１および２０Ｂ３、２０Ｃ１および２０Ｃ３、ならびに２０Ｄ１および２０Ｄ３
と、第２コンタクト対２０Ａ２および２０Ａ４、２０Ｂ２および２０Ｂ４、２０
Ｃ２および２０Ｃ４、ならびに２０Ｄ２および２０Ｄ４とを含む。導体３４が、
コンタクト２０Ａ１、２０Ｂ２、２０Ｃ３および２０Ｄ４を相互接続し、導体３
６が、コンタクト２０Ａ２、２０Ｂ３、２０Ｃ４および２０Ｄ１を相互接続し、
導体３８が、コンタクト２０Ａ４、２０Ｂ１、２０Ｃ２および２０Ｄ３を相互接
続し、導体４０が、コンタクト２０Ａ３、２０Ｂ４、２０Ｃ１および２０Ｄ２を
相互接続することにより、セル２０Ａないし２０Ｄを並列に配線し、セル２０Ａ
ないし２０Ｄの各々が、クアド・セル・ホール効果素子２０内における別のセル
に対して直交方向に向けられるようにしている。このセル２０Ａ〜２０Ｄの方位
付けにより、セルにおける処理勾配（ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ ｇｒａｄｉｅｎｔ
）のような、欠陥の悪影響低減を図る。
【００１１】 また、図１は、セル２０Ａ〜セル２０Ｄの各々を磁場Ｂが通過する（横切る）
ことも示す。これは、セルの表面に法線方向に、そして、図面に向かって入るも
のとして示されている。例えば、導体３４および４０間に電流ＩHを印加すると 、磁界Ｂの大きさおよびホール効果素子の感度ＳHは、先に論じた式ＶH＝ＩH＊ Ｂ＊ＳHにしたがって、導体３６および３８間に生ずる電圧ＶHの大きさが決定す
る。
【００１２】 図２は、図１に示すクアド・セル・ホール効果素子２０の基板部分の側断面図
である。図示のように、ｐ−ウエル／ｐ−タブ３０Ｄおよび３０Ｃが、ｎ−型基
板３２内に形成され、ｎ−エピ・ホール・セル２０Ｃおよび２０Ｄがｐ−ウエル
／ｐ−タブ３０Ｃおよび３０Ｄにそれぞれ形成されている。図１および図２にお
ける文字「ｐ」および「ｎ」は、種々の領域のドーピング型を例示することのみ
を意図するものであり、当該領域をドープする量や、当該領域を形成したプロセ
スを意味しようという訳ではない。
【００１３】 図３は、本発明によるホール効果デバイス８０の一実施形態のブロック図であ
る。図示のように、ホール効果デバイス８０は、クアド・セル・ホール効果素子
２０、転流スイッチ（ｃｏｍｍｕｔａｔｉｏｎ ｓｗｉｔｃｈ）５０、差動前置
増幅器５２、復調器５４，出力増幅器５６、出力端子Ｐ７、基準端子Ｐ５、温度
可変電流源２２（レシオメトリック温度基準ブロック４２および電圧／電流変換
器４６を含む）、ならびにクロックおよび論理段４８を含む。
【００１４】 回路８０の動作について、その種々の部分の説明と関連付けて、以下に更に詳
しく論ずるが、図３は、ホール効果デバイス８０の基本的動作を理解するために
も有用である。図示のように、温度可変電流源２２は、デバイスの温度に応じて
変動するホール・バイアス電流ＩHを、転流スイッチ５０に供給する。転流スイ ッチ５０は、クロックおよび論理段４８によって制御され、（１）導体３４およ
び４０間、ならびに（２）導体３６および３８間で電流を交互に転流する。電流
を導体３４および４０間に流す場合、同時に転流スイッチ５０は導体３６および
３８間に発生する電圧（磁界Ｂに応答して）を、差動前置増幅器５２の入力２６
および２８にそれぞれ印加する。このクアド・セル・ホール効果素子２０への信
号およびクアド・セル・ホール効果素子２０からの信号の転流は、ホール・セル
固有の電圧オフセットＶOHを排除するために行うものであり、先に引用し、本願
にも含まれることとした文書のいくつかに詳細に論じられている。しかしながら
、ホール・セルを横切る第１方向への電流の流れによって、第１ホール電圧ＶH1 および第１ホール・オフセット電圧ＶＯH2を含む第１電圧Ｖ1（Ｖ1＝ＶH1＋ＶOH 1 ）が発生し、第１方向に直交する方向である第２方向にホール・センサを横切 る電流の流れによって、第２ホール電圧ＶH2および第２ホール・オフセット電圧
ＶOH2を含む第２電圧Ｖ2（Ｖ2＝−ＶH2＋ＶOH2）が発生することを注記すれば十
分であろう。
【００１５】 第２ホール電圧ＶH2は第１ホール電圧ＶH1とほぼ等しく逆符号であり（即ちＶ H2 ≒ＶH1＝ＶH）、第２ホール・オフセット電圧ＶOH2は第１ホール・オフセット
電圧ＶOH1にほぼ等しく同符号であるので（即ち、ＶOH2≒ＶOH1＝ＶOH）、第１ 方向に流れる電流によって発生する電圧Ｖ1から第２方向に流れる電流によって 発生する電圧Ｖ2を減算することによって（即ち、ＶH1＋ＶOH1）−（−ＶH2＋Ｖ OH2 ））、事実上オフセット電圧が相殺され、２ＶHに等しい電圧が得られる。以
下で説明するが、この減算は、前置増幅器５２および復調器５４の組み合わせに
よって行う。次いで、復調器５４のオフセットがない出力を、レール間出力増幅
器（ｒａｉｌ−ｔｏ−ｒａｉｌ ｏｕｔｐｕｔ ａｍｐｌｉｆｉｅｒ）５６の入
力に供給し、増幅器５６の出力をデバイスの外部端子Ｐ７（例えば、ピン）に接
続する。以下で説明するが、増幅器５６の利得は、デバイス８０外部の抵抗器を
用いて調節する。
【００１６】 クアド・セル・ホール素子２０の感度に対する温度の影響を補償するには、転
流スイッチ５０に供給されるホール・バイアス電流ＩHの大きさを調節する。即 ち、ホール効果素子２０の出力に生成される電圧ＶHは、素子を通過する電流の 大きさ、および感度定数ＳHに比例するので（即ち、ＶH＝ＩH＊Ｂ＊ＳH）、温度
変化による感度ＳHの上昇または低下は、それぞれ、ホール電流ＩHにおける対応
する減少および増大によって打ち消すことができる。したがって、出力電圧ＶH は、ホール効果デバイス８０の温度には無関係に、所与の磁界Ｂの大きさに対し
て同一となる。
【００１７】 同様に、デバイス８０が検知する磁気構成部品の磁界強度Ｂの温度変化による
増大または減少も、ホール電流ＩHの対応する減少および増大によって打ち消す ことができる。これは、移動する永久磁石によって磁界が生成される場合に有用
である。このように、磁気構成部品およびホール効果デバイス８０が配置されて
いる環境の温度には無関係に、移動する（例えば、回転する）構成部品をデバイ
ス８０から所与の距離において検知する場合、ホール効果デバイス８０の出力電
圧ＶHは常に同一となる。
【００１８】 図４は、転流スイッチ５０およびその周囲にある回路を更に詳細に示す一部構
成／一部ブロック図である。図示のように、転流スイッチ５０は、スイッチＳ１
〜Ｓ８を含む。スイッチＳ１およびＳ２は、温度可変電流源２２の第１極性出力
とクアド・セル・ホール効果素子２０の導体３６および３４との間にそれぞれ接
続されており、スイッチＳ３およびＳ４は、温度可変電流源２２の第２極性出力
とホール効果素子２０の導体３８および４０との間にそれぞれ接続されている。
同様に、スイッチＳ５およびＳ６は、ホール効果素子２０の導体３４および３６
と前置増幅器５２の非反転入力２６との間にそれぞれ接続され、スイッチＳ７お
よびＳ８は、ホール効果素子２０の導体４０および３８と前置増幅器５２の反転
入力２８との間にそれぞれ接続されている。以下で説明するが、スイッチＳ１〜
Ｓ８に隣接する記号「Ｐ１」または「Ｐ２」は、クロックおよび論理段４８（図
３に示す）からの制御信号の２つの位相の内どちらで、スイッチの各々を閉じる
かを示す。非反転入力２６および反転入力２８において信号を受け取ることに加
えて、前置増幅器５２は、基準導体５８から基準電圧ＶREFを受け取る。基準電 圧ＶREFは、ホール効果デバイス８０内部で形成され、デバイス８０の高電源電 圧ＶＣＣの半分に設定されている（即ち、ＶREF＝ＶＣＣ／２）。高電源電圧Ｖ ＣＣは約５ボルトであるので、基準電圧ＶREFは訳２．５ボルトに設定されてい る。図４に示す回路の動作については、図６に示すタイミング図の説明に関連付
けて以下で説明する。
【００１９】 図５は、復調ブロック５４を更に詳細に示す一部構成／一部ブロック図である
。図示のように、復調ブロック５４は、コンデンサＣ１およびＣ２、ならびにス
イッチＳ９およびＳ１０を含む。コンデンサＣ１は、差動増幅器５２のシングル
・エンド出力と、スイッチＳ９およびＳ１０の各々の一方の端子との間に接続さ
れている。スイッチＳ９の他方の端子は、基準導体５８（ＶREFに維持されてい る）に接続されており、スイッチＳ１０の他方の端子は、出力増幅器５６の非反
転入力に接続されている。コンデンサＣ２は、増幅器５６の非反転入力と導体５
８との間に接続されている。
【００２０】 図６は、スイッチＳ１〜Ｓ１０に対する制御信号、ならびに図４および図５に
示す前置増幅器５２および復調器５４の出力信号を示すタイミング図である。即
ち、図６のタイミング図は、（１）転流クロック信号６０、（２）前置増幅器の
出力信号６２、（３）スイッチＳ１０の制御信号６４、（４）スイッチＳ９の制
御信号６６、および（５）復調出力信号６８を示す。これらの信号各々の縦軸は
、信号によって得られる振幅を表わし、横軸は時間を表わす。図６に示す信号全
ては共通の時間軸を共有するが、信号を上下に並べているのは、当該信号が他の
信号よりも大きな振幅を得ることを示そうとしている訳ではない。
【００２１】 ここで図６と共に図４を参照し、図４に示すホール効果デバイス８０の部分の
動作について説明する。図示のように、転流クロック６０は２つの位相Ｐ１およ
びＰ２を有する。即ち、クロック６０が低の場合、位相Ｐ１にあり、クロック６
０が高の場合、位相Ｐ２にある。スイッチＳ１〜Ｓ８の各々は、これら２つの位
相の一方の間でのみ閉じるように構成されている。即ち、スイッチＳ２、Ｓ４、
Ｓ６およびＳ８は位相Ｐ１の間（即ち、クロック６０が低の場合）に閉じ、スイ
ッチＳ１、Ｓ３、Ｓ５およびＳ７は位相Ｐ２の間（クロック６０が高の場合）に
閉じる。スイッチの各々が閉じている位相を、スイッチに隣接して、記号「Ｐ１
」または「Ｐ２」で示している。
【００２２】 クロック６０の位相Ｐ１の間、温度可変電流源２２はホール効果素子２０の導
体３４および４０間に接続され、ホール効果素子２０の導体３６および３８は、
それぞれ、差動前置増幅器５２の非反転入力２６および反転入力２８に接続され
ている。前置増幅器５２は、その非反転入力２６およびその反転入力２８間の差
動電圧を増幅し、事実上増幅した入力電圧（位相Ｐ１の間正である）を導体５８
上の基準電圧ＶREFに加算する。次に、前置増幅器５２はこの電圧の和を、シン グル・エンド出力信号として供給する（図６における前置増幅器の出力信号６２
として示す）。図示のように、前置増幅器の出力信号６２は、位相Ｐ１の間ＶRE F よりも大きい（例えば、曲線６２の部分６２Ａで示す）。
【００２３】 クロック６０の位相Ｐ２の間、温度可変電流源２２は、ホール効果素子２０の
導体３６および３８間に接続され、ホール効果素子２０の導体３４および４０は
、それぞれ、差動前置増幅器５２の非反転入力および反転入力２８に接続されて
いる。前置増幅器５２は、その非反転入力２６およびその反転入力２８間の差動
電圧を増幅し、事実上増幅した入力電圧（位相Ｐ２の間負である）を、導体５８
上の基準電圧ＶREFに加算する。次に、前置増幅器５２はこの電圧の和を、シン グル・エンド出力信号として供給する（図６における前置増幅器の出力信号６２
として示す）。図示のように、前置増幅器の出力信号６２は、位相Ｐ２の間ＶRE F よりも小さい（例えば、曲線６２の部分６２Ｂで示す）。
【００２４】 一般的に、ホール効果素子２０のオフセット電圧ＶOHのために、曲線６２の部
分６２Ａおよび６２Ｂは同一電圧ではなく、位相Ｐ１の間は基準電圧ＶREFより も大きく（ＶH）、位相Ｐ２の間は基準電圧ＶREFよりも小さくなる（−ＶH）。 復調器５４は、この差に対処するに当たり、位相Ｐ２中の前置増幅器５２の出力
における電圧−ＶHを、位相Ｐ１中の前置増幅器５２の出力における電圧ＶHから
事実上減算することにより、前述のようにホール・オフセット電圧ＶOHの影響を
除去する。
【００２５】 ここで図６と共に図５を参照し、復調器５４の動作について説明する。クロッ
クおよび論理段４８（図３に示す）は、図６に示すように、スイッチＳ９制御信
号６６およびスイッチＳ１０制御信号６４を生成する。スイッチＳ９およびＳ１
０は、それぞれ、スイッチＳ９制御信号６６の位相Ｐ４およびスイッチＳ１０制
御信号６４の位相Ｐ３の間（即ち、スイッチＳ９制御信号６６およびスイッチＳ
１０制御信号６４がそれぞれ高の場合）閉じるように構成されている。スイッチ
Ｓ９およびＳ１０の各々が閉じている位相を、当該スイッチに隣接する記号「Ｐ
４」または「Ｐ３」で示す。
【００２６】 位相Ｐ４の間、前置増幅器５２の出力がＶREFに対して負となっている短い時 間スイッチＳ９は閉じているので、コンデンサＣ１は、電圧ＶREFに対する前置 増幅器５２の出力における現在の電圧に充電する。位相Ｐ３の間、スイッチＳ９
が開いた後、前置増幅器５２の出力がＶREFに対して正となっている短い時間ス イッチＳ１０は閉じている。コンデンサＣ１およびＣ２はこの時間中直列に接続
されているので、コンデンサＣ１上の電荷の一部は、コンデンサＣ２に移転する
。数回のＰ４／Ｐ３サイクルの後、コンデンサＣ２上の電荷は、曲線６２のピー
ク−ピーク電圧に等しくなる。
【００２７】 このように、復調回路５４は、実際には、（ａ）位相Ｐ２中の前置増幅器５２
の出力における電圧の振幅と基準電圧ＶREFとの間の負の差を、（ｂ）位相Ｐ１ 中の前置増幅器５２の振幅と基準電圧ＶREFとの間の正の差から減算する。復調 回路５４の出力、即ち、出力増幅器５６の非反転出力に接続されているコンデン
サＣ２の極は、したがって、曲線６２のピーク−ピーク電圧に等しい電圧に留ま
る。先に論じたように、このピーク−ピーク電圧からは、ホール・オフセット電
圧ＶOHが除去されている。
【００２８】 図７は、レシオメトリック温度基準ブロック４２を更に詳細に示す構成図であ
る。図示のように、レシオメトリック温度基準段４２は、演算増幅器７４および
８６、感温ｎ＋拡散抵抗器ＤＲ１、感温ｐ−ウエル抵抗器ＤＲ２およびＤＲ３、
ならびに特に温度変化に感応しない薄膜抵抗器ＴＦ１〜ＴＦ７を含む。
【００２９】 拡散抵抗器ＤＲ１ならびに薄膜抵抗器ＴＦ１およびＴＦ２を含む抵抗ブリッジ
が、高電源レール７０（電圧ＶＣＣを有する）とアナログ接地８４との間に接続
されている。即ち、薄膜抵抗器ＴＦ１は、高電源レール７０と演算増幅器７４の
非反転入力との間に接続され、抵抗器ＤＲ１およびＴＦ２は、演算増幅器７４の
非反転入力とアナログ接地８４との間に直列に接続されている。したがって、演
算増幅器７４の非反転入力は、電源電圧の変化に比例して変化する電圧に維持さ
れる（即ち、これが、レシオメトリック差動基準電圧である）。
【００３０】 抵抗器ＴＦ３およびＴＦ４は、高電源レール７０およびアナログ接地８４間に
直列に接続されており、これら抵抗器の接続点は、演算増幅器７４の反転入力に
接続されている。抵抗器ＴＦ５は、演算増幅器７４の出力および反転入力間にフ
ィードバック状に接続されている。したがって、抵抗器ＴＦ３〜ＴＦ５の値は、
演算増幅器７４の利得を制御する。
【００３１】 演算増幅器７４の出力はノード８８に接続する。一方、ノード８８は、次の部
分に接続されている。（１）外部端子Ｐ１、（２）第１分圧抵抗器Ｒ１（直列接
続抵抗器ＤＲ２およびＴＦ６を含む）の一方の端子（他方の端子は外部端子Ｐ２
に接続されている）、および（３）単位利得反転演算増幅器８６の一方の入力（
他方の入力は導体５８（電圧ＶREFが印加されている）に接続されている）。し たがって、演算増幅器８６は、（ａ）ノード８８における電圧、および（ｂ）基
準電圧ＶＣＣ／２間の差を反転したものに等しい出力を生成する。ここで用いる
場合、「外部端子」とは、集積回路パッケージから外側に延出する端子のことを
意味し、かかる端子は、パッケージ外部の回路の邪魔になる可能性がある。
【００３２】 演算増幅器８６の出力は、第２分圧抵抗器Ｒ２（直列接続抵抗器ＤＲ３および
ＴＦ７を含む）の一方の端子に接続されている。第２分圧抵抗器Ｒ２の他方の端
子は、（ａ）外部端子Ｐ３、および（ｂ）電圧／電流変換器４６（図３に示す）
の制御入力を駆動する導体７２に接続されている。電圧／電流変換器４６は、そ
の制御入力に１ミリボルトの電圧変化が印加されると、クアド・セル・ホール効
果素子２０（図３に示す）に、０．０４％のホール・バイアス電流ＩHの変化が 生ずるように構成されている。
【００３３】 加えて、トリマブル抵抗器（ｔｒｉｍｍａｂｌｅ ｒｅｓｉｓｔｏｒ）Ｒ３が
、外部端子Ｐ３と外部端子Ｐ１およびＰ２の一方との間に選択的に接続される。
抵抗器Ｒ３は、ホール効果デバイス８０が配されている集積回路パッケージの外
部にあり、その値をユーザが選択できるようにすることが好ましい。抵抗器Ｒ３
は、単純なポテンショメータ、厚膜レーザ・トリマブル抵抗器、または当業者に
は公知のユーザ調節可能抵抗を有するその他のいずれかのデバイスで構成するこ
とができる。しかしながら、抵抗器Ｒ３は、集積回路のエンド・ユーザに容易に
アクセス可能であれば、ホール効果デバイス８０と同じパッケージ内に含まれて
いてもよいことを注記しておく。
【００３４】 先に注記したように、拡散抵抗器ＤＲ１、ＤＲ２およびＤＲ３の抵抗は、温度
変化に応答して変化する。したがって、ホール効果デバイスの温度が上昇するに
連れて、抵抗器ＤＲ１の抵抗が変化し、演算増幅器７４の出力（ノード８８）に
おける電圧もそれに応じて変化する。最初に抵抗器Ｒ３がないと仮定すると、ノ
ード８８における電圧がＶＣＣ／２（即ち、導体５８上の電圧）に等しいと、外
部端子Ｐ１、Ｐ２およびＰ３の各々における電圧はＶＣＣ／２に等しくなる。し
かしながら、ノード８８における電圧がＶＣＣ／２から逸れるにつれて、外部端
子Ｐ１およびＰ２における電圧は、ノード８８における電圧の逸脱に追従し、極
性反転演算増幅器８６があるために、外部端子Ｐ３における電圧は、ノード８８
における電圧がＶＣＣ／２から逸れる方向とは逆方向の電圧に逸れていく。即ち
、ノード８８における電圧がＶＣＣ／２未満に低下した場合、外部端子Ｐ３にお
ける電圧は正電圧方向に逸れ、ノード８８における電圧がＶＣＣ／２を超えて上
昇した場合、負電圧方向に逸れる。
【００３５】 このデバイスの製作後、ブリッジ抵抗器ＴＦ１およびＴＦ２、または利得設定
抵抗器ＴＦ３〜ＴＦ５を、従来のいずれかのウエハ探針装置を用いてトリムし、
ホール効果デバイスの温度が周囲温度である（例えば、約２７℃）場合に、ノー
ド８８における電圧がＶＣＣ／２に等しくなるようにする。
【００３６】 図８は、外部端子Ｐ１、Ｐ２およびＰ３上の電圧が温度と共にどのように変動
するかを、抵抗器Ｒ３が端子Ｐ３と端子Ｐ１およびＰ２の一方との間に接続され
ている場合および接続されていない場合について示すグラフである。図示のよう
に、曲線７６は、抵抗器Ｒ３を外部端子Ｐ１およびＰ２のいずれにも接続してい
ない場合の、これら二端子における電圧を表わし、曲線７８は、抵抗器Ｒ３が外
部端子Ｐ３に接続されていない場合の外部端子Ｐ３上の電圧を表わし、曲線８２
は、抵抗器Ｒ３が端子Ｐ３と端子Ｐ１およびＰ２の一方との間に接続されている
場合の外部端子Ｐ３における電圧を表わす。曲線７６，７８および８０は、ブリ
ッジ抵抗器ＴＦ１およびＴＦ２、または利得設定抵抗器ＴＦ３〜ＴＦ５を適正に
トリムした後に見られるものとして示す。即ち、抵抗器ＴＦ１〜ＴＦ５から選択
したものを適正にトリムした後、曲線７６、７８および８０は、点８０において
収束する。この点８０は２７℃の周囲温度に対応する。
【００３７】 抵抗器Ｒ３が端子Ｐ３と端子Ｐ１およびＰ２の一方との間に接続されている場
合、外部端子Ｐ３は、ノード８８と演算増幅器８６の出力との間の電圧を分割す
る、少なくとも２つの抵抗器を含む分圧器のノードを形成する。即ち、抵抗器Ｒ
３が端子Ｐ３および端子Ｐ１間に接続されている場合、端子Ｐ３は、抵抗器Ｒ２
（抵抗器ＤＲ３およびＴＦ７を含む）および抵抗器Ｒ３を含む分圧器のノードを
形成し、抵抗器Ｒ３が端子Ｐ３および端子Ｐ２間に接続されている場合、端子Ｐ
３は、抵抗器Ｒ１（抵抗器ＤＲ２およびＴＦ６を含む）、抵抗器Ｒ２（抵抗器Ｄ
Ｒ３およびＴＦ７を含む）、および抵抗Ｒ３を含む分圧器のノードを形成する。
これらの抵抗によって行われる分圧によって得られる、端子Ｐ３における電圧を
、図８の曲線８２で表わす。抵抗器Ｒ３を２つの別個の端子のいずれかに接続す
ることができるので、デバイスの温度補償は異なる形式の磁石に対して可能とな
る。例えば、端子Ｐ１およびＰ３間に抵抗器Ｒ３を接続すると、−２０００パー
・ミリオン（ＰＰＭ）磁石の補償が可能となり、抵抗器Ｒ３を端子Ｐ２およびＰ
３間に接続すると、−２００ｐｐｍ磁石の補償が可能となる。
【００３８】 外部端子Ｐ３と外部端子Ｐ１およびＰ２の一方との間に抵抗器Ｒ３を接続した
後、その値をトリムして、個々の用途に対し曲線８２の傾きを最適化することが
できる。即ち、曲線８２の傾きを調節することによって、外部端子Ｐ３における
電圧が温度変化に応答して変化する量を調節する。外部端子Ｐ３における電圧は
、電圧／電流変換器４２（図３に示す）が発生するホール電流ＩHの大きさを制 御するので、曲線８２の傾きを（トリミング抵抗器Ｒ３によって）最適化するこ
とによって、高い精度でホール効果素子２０の感度ＳHの温度依存性を補償する ことができる。
【００３９】 前述のように、抵抗器Ｒ１およびＲ２の各々は、薄膜抵抗器および感温拡散抵
抗器の直列結合を含む。拡散抵抗器は、抵抗器Ｒ１およびＲ２において用いられ
、曲線８２に曲率を追加することによって、クアド・セル・ホール効果素子の感
度ＳHの二次温度係数を補正する。
【００４０】 図９は、ホール効果デバイス８０に可能な一実施形態、およびその外部回路要
素に可能な構成を示す、一部ブロック／一部構成図である。図示する実施形態で
は、ホール効果デバイス８０は、８−ピン・デュアル・イン・ライン・パケージ
（ＤＩＰ）であり、端子（即ち、外部コネクタ）Ｐ１〜Ｐ８を含む。そのいくつ
かは、これまでに説明した図に示した端子と同一である。端子Ｐ８は、高電源導
体７０からの電力を受け取り、端子Ｐ４はアナログ接地導体８４に接続されてい
る。トリマブル抵抗器Ｒ３が、端子Ｐ２およびＰ３間に接続されている（あるい
は、任意に、端子Ｐ１およびＰ３間に接続することも可能である）。抵抗器Ｒ４
〜Ｒ６は、出力増幅器５６の利得を設定するように構成されている。具体的には
、抵抗器Ｒ４は端子Ｐ８およびＰ６（出力増幅器５６の反転入力である）間に接
続され、抵抗Ｒ６は端子Ｐ６およびＰ５（ＶＣＣ／２に等しい電圧を有する）間
に接続され、抵抗Ｒ５は端子Ｐ６およびＰ７（増幅器５６の出力）間に接続され
ている。
【００４１】 図１０は、デバイス８０がどのように磁界を検知するかを示す、ホール効果デ
バイス８０の一実施形態の側面図である。図示のように、このデバイスは、当該
デバイスの面を横断する方向の磁界Ｂを検知するように構成されている。
【００４２】 図１１は、デバイス８０の外部回路要素に可能な別の構成を示す一部ブロック
／一部構成図であり、電源間に追加の分圧器（抵抗Ｒ７およびＲ１０を含む）を
接続し、デバイスのオフセットを更に調節するようにしたものである。即ち、端
子Ｐ５と抵抗器Ｒ９の第１端子（その第２端子は端子Ｐ７に接続されている）と
の間に抵抗器Ｒ７が接続され、端子Ｐ６および端子Ｐ７間に抵抗器Ｒ８が接続さ
れ、抵抗器Ｒ９の第１端子と端子Ｐ３との間に抵抗Ｒ１０が接続されている。
【００４３】 以上感温センサに用いるホール効果デバイス８０の実施形態についてここでは
説明したが、温度と共に変動する出力を生成する可能性があるデバイスであれば
いずれでも、本発明の意図する範囲から逸脱することなく同等に使用可能である
。加えて、温度可変電流源２２は、温度に依存する電圧を発生する第１デバイス
、および発生した電圧を電流に変換しホール効果素子２０に供給する第２デバイ
スを含むが、温度依存電流を生成する単一デバイスを同等に用いることもでき、
また、代わりに、温度依存電圧源を直接ホール効果素子２０の端子対間の電流源
として用いることも可能である。更に、温度補償回路の感度を調節するために用
いる外部デバイスは、ここでは抵抗器として記載したが、デバイスの感度を調節
可能な他のあらゆる外部デバイスも同等に使用可能である。加えて、ここでは特
定のドーピング型の半導体構成部品について説明したが、逆のドーピング型でも
使用可能である。
【００４４】 以上、本発明の少なくとも１つの代表的な実施形態によて説明したが、種々の
変形、変更および改良も当業者には容易に想起されよう。かかる変形、変更およ
び改良は、本発明の精神および範囲に該当することを意図するものである。した
がって、これまでの説明は単なる一例に過ぎず、限定として意図したものではな
い。本発明は、請求の範囲およびその均等物においてのみ規定されることとする
。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の一実施形態において用いるクアッド・セル・ホール効果素子の平面図
である。
【図２】 図１に示すクアッド・セル・ホール・セルの基板部分の側断面図である。
【図３】 本発明によるホール効果素子の一実施形態のブロック図である。
【図４】 図３に示すデバイスの転流スイッチ部分を更に詳細に示す一部構成／一部ブロ
ック図である。
【図５】 図３に示すデバイスの復調部分を更に詳細に示す一部構成／一部ブロック図で
ある。
【図６】 図４および図５に示すデバイスの部分の制御信号および出力信号を示すタイミ
ング図である。
【図７】 図３に示す回路のレシオメトリック温度基準部分を更に詳細に示す構成図であ
る。
【図８】 図７に示す温度基準部分が生成しデバイスの外部ピン上に現れる電圧が、温度
と共にどのように変動するかを示すグラフである。
【図９】 デバイス外部の回路要素に可能な構成を示す一部ブロック／一部構成図である
。
【図１０】 本発明によるデバイスが、それに加えられた磁界をどのように検知するかを示
す、当該デバイスの一実施形態の側面図である。
【図１１】 デバイス外部の回路要素に可能な構成を示す一部ブロック／一部構成図である
。
【手続補正書】特許協力条約第３４条補正の翻訳文提出書
【提出日】平成１２年４月２０日（２０００．４．２０）
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】特許請求の範囲
【補正方法】変更
【補正内容】
【特許請求の範囲】
【請求項４３】 請求項２９ないし３６記載のホール効果デバイスにおいて
、前記温度可変利得制御回路が、温度依存電圧源、電圧制御利得調節回路、およ
び前記電圧源に結合され温度依存電圧をそこから受け取る第１ノードと、前記利
得調節回路に結合されこれに制御電圧を供給する第２ノードとを有する分圧器を
含み、前記分圧器が前記第１構成部品を含み、前記第１構成部品のみの特性を調
節することにより、前記分圧器の成分値の比率を変更し、前記第２ノードにおけ
る電圧を変化させるように構成することを特徴とするホール効果デバイス。
【手続補正書】
【提出日】平成１３年１月１１日（２００１．１．１１）
【手続補正１】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図３
【補正方法】変更
【補正内容】
【図３】
【手続補正２】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図６
【補正方法】変更
【補正内容】
【図６】
【手続補正３】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図８
【補正方法】変更
【補正内容】
【図８】
【手続補正４】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図９
【補正方法】変更
【補正内容】
【図９】
【手続補正５】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図１０
【補正方法】変更
【補正内容】
【図１０】
【手続補正６】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図１１
【補正方法】変更
【補正内容】
【図１１】
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ニクソン，ポール・アール アメリカ合衆国マサチューセッツ州01983， トップスフィールド，ベア・ヒル・ロード 77 (72)発明者 フォリー，デービッド・ピー アメリカ合衆国マサチューセッツ州01824， チェルムスフォード，アーマンド・ドライ ブ ６ Ｆターム(参考） 2G017 AA01 AB05 AB09 AC04 AC06 AD53

Claims (16)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 ホール効果デバイスであって、 集積回路パッケージ内に装着した基板と、 前記基板上に一体化されたホール効果素子であって、バイアス信号を受け取る
    少なくとも１つの入力と、前記バイアス信号および当該ホール効果素子を横切る
    磁界に依存する出力信号を与える少なくとも１つの出力を有する、ホール効果素
    子と、 前記パッケージ外部に構成部品を接続させるように構成された１対の端子であ
    って、前記構成部品を当該端子対に結合した場合、前記構成部品の特性を変化さ
    せて、前記ホール効果デバイスの利得の当該デバイスにおける温度変化に対する
    感度を調節することができるように、前記ホール効果素子に関連付けて構成した
    、端子対と、 を備えることを特徴とするホール効果デバイス。
  2. 【請求項２】 請求項１記載のホール効果デバイスにおいて、 前記デバイスが、更に、前記バイアス信号を供給し、該バイアス信号の値が、
    前記ホール効果素子における温度変化に応答して変化するように構成した、温度
    可変信号源を備え、 前記構成部品を前記端子対に結合した場合、前記構成部品の特性を変化させて
    、前記ホール効果素子における温度変化に対する前記信号源の感度を調節するこ
    とができるように、前記端子対を前記信号源に関連付けて構成したことを特徴と
    するホール効果デバイス。
  3. 【請求項３】 請求項２記載のホール効果デバイスにおいて、前記信号源が
    、 制御入力を有する可制御電流源と、 前記基板上に一体化され、かつ前記電流源に結合され、前記可制御電流源の前
    記制御入力に温度依存信号を供給する感温信号源と、 を含むことを特徴とするホール効果デバイス。
  4. 【請求項４】 請求項３記載のホール効果デバイスにおいて、 前記可制御電流源が電圧制御電流源を含み、 前記感温信号源が感温電圧源を含む、 ことを特徴とするホール効果デバイス。
  5. 【請求項５】 請求項４記載のホール効果デバイスにおいて、 前記端子対の少なくとも一方が、前記パッケージの外部構成部品を接続した場
    合に、分圧器のノードを形成するように構成したことを特徴とするホール効果デ
    バイス。
  6. 【請求項６】 請求項５記載のホール効果デバイスであって、更に、調節可
    能な抵抗を有する抵抗器を備えた前記構成部品を、前記パッケージ外部に備える
    ことを特徴とするホール効果デバイス。
  7. 【請求項７】 請求項１記載のホール効果デバイスであって、更に、調節可
    能な抵抗を有する抵抗器を備えた前記構成部品を、前記パッケージ外部に備える
    ことを特徴とするホール効果デバイス。
  8. 【請求項８】 請求項１記載のホール効果デバイスであって、更に、前記ホ
    ール効果素子のオフセットを補償する手段を備えることを特徴とするホール効果
    デバイス。
  9. 【請求項９】 ホール効果デバイスであって、 集積回路パッケージと、 前記パッケージ内に装着されたホール効果素子であって、バイアス信号を受け
    取る少なくともつの入力と、前記バイアス信号および当該ホール効果素子を横切
    る磁界に依存する出力信号を与える少なくとも１つの出力を有する、ホール効果
    素子と、 ユーザが前記パッケージ外部からアクセス可能な構成部品であって、該構成部
    品の特性を変化させて、前記デバイスにおける温度変化に対する前記ホール効果
    デバイスの利得の感度を調節することができるように、前記ホール効果素子に関
    連付けて構成した、構成部品と、 を備えることを特徴とするホール効果デバイス。
  10. 【請求項１０】 請求項９記載のホール効果デバイスにおいて、 前記デバイスが、更に、前記バイアス信号を供給し、該バイアス信号の値が、
    前記ホール効果素子における温度変化に応答して変化するように構成した、温度
    可変信号源を備え、 前記構成部品の特性を変化させて、前記ホール効果素子における温度変化に対
    する前記信号源の感度を調節することができるように、前記構成部品を前記信号
    源に関連付けて構成したことを特徴とするホール効果デバイス。
  11. 【請求項１１】 ホール効果デバイスであって、 集積回路パッケージ内に装着した基板と、 前記基板上に一体化されたホール効果素子であって、バイアス信号を受け取る
    少なくともつの入力と、前記バイアス信号および当該ホール効果素子を横切る磁
    界に依存する出力信号を与える少なくとも１つの出力を有する、ホール効果素子
    と、 前記パッケージの外部地点から、温度変化状態に対する前記ホール効果デバイ
    スの利得の感度を調節する手段と、 を備えることを特徴とするホール効果デバイス。
  12. 【請求項１２】 請求項１１記載のホール効果デバイスにおいて、前記ホー
    ル効果デバイスの利得の感度を調節する手段のための前記手段が、前記バイアス
    信号の値が前記ホール効果素子における温度変化に応答するように前記バイアス
    信号を供給する手段を含むことを特徴とするホール効果デバイス。
  13. 【請求項１３】 ホール効果素子に対する温度変動の影響を補償する方法で
    あって、 （ａ）温度変化状態と共に変化する利得を有するホール効果デバイスを含むモ
    ノリシック集積回路を用意するステップと、 （ｂ）前記集積回路の１対の外部端子に構成部品を結合し、温度変動に対する
    前記ホール効果デバイスの利得の感度を調節するステップと、 から成ることを特徴とする方法。
  14. 【請求項１４】 請求項１３記載の方法であって、更に、 （ｃ）前記構成部品の特性を変化させ、温度変動に対する前記ホール効果デバ
    イスの利得の感度を調節するステップを含むことを特徴とする方法。
  15. 【請求項１５】 請求項１３記載の方法において、 ステップ（ａ）が、ホール効果素子と、該ホール効果素子の少なくとも１つの
    入力にバイアス信号を供給し、前記ホール・デバイスにおける温度変化に応答し
    て、前記バイアス信号の値を変化させる温度可変信号源とを含む前記モノリシッ
    ク集積回路を供給するステップを含み、 ステップ（ｂ）が、前記構成部品を前記集積回路の前記外部端子対に結合し、
    温度変動に対する前記温度可変信号源の感度を調節するステップを含む、 ことを特徴とする方法。
  16. 【請求項１６】 請求項１５記載の方法であって、更に、 （ｃ）前記構成部品の特性を変化させ、温度変動に対する前記温度可変信号源
    の感度を調節するステップを含むことを特徴とする方法。
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