JP2004257995A - 3-dimensional magnetism sensing device and semiconductor device - Google Patents

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JP2004257995A JP2003051929A JP2003051929A JP2004257995A JP 2004257995 A JP2004257995 A JP 2004257995A JP 2003051929 A JP2003051929 A JP 2003051929A JP 2003051929 A JP2003051929 A JP 2003051929A JP 2004257995 A JP2004257995 A JP 2004257995A
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Katsumi Tsunoda
勝巳 角田
Kazutoshi Ishibashi
和敏 石橋
Yasuto Sugano
康人 菅野
Akira Yamagata
曜 山縣
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To adjust the gap of the detection sensitivity caused by the use of magnetic flux convergence board at the time of the detection of the magnetic field in the horizontal direction and in the vertical direction, and to improve the S/N ratio in the detection of the magnetic field in the vertical direction. <P>SOLUTION: The magnetic sensing elements X1 to X4 are used to detect the magnetic field strength in the X direction in the horizontal magnetic field, and the magnetic sensing elements Y1 to Y4 are used to detect the magnetic field strength in the Y direction. The magnetic sensing elements Z1-Z8 are also arranged to the end area of the magnetic flux convergence board FC. With respect to the vertical magnet field components, the magnetic sensing elements Xi, Yi and Zi detect respectively the magnetic field strength with the same incident angle, so that the total output corresponding to the vertical magnetic field strength is obtained by adding the outputs from all the magnet sensing elements. Here, it is assumed that (the sum total of all sensing elements) ≥ ä(the magnetic amplification factor of the above-mentioned magnetic flux convergence board to the magnetic field in the horizontal plane of the above-mentioned substrate)×(the number of the magnetic sensing elements per pair)} -1. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO&NCIPI

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、3次元磁気検出装置、および、この3次元磁気検出装置を搭載した半導体装置に関するものである。
【0002】
さらに詳述すると本発明は、地磁気などを検出するのに好適な、磁気収束板および基板上に形成された複数の磁気検出素子を有する3次元磁気検出装置、ならびに、この3次元磁気検出装置を搭載した半導体装置に関するものである。
【0003】
【従来の技術】
従来から、磁気センサとしては、ホール効果を利用したホール素子、磁気抵抗素子ならびにこれらの素子とICを組み合わせたホールIC、フラックスゲートなどが知られている。
【0004】
また、このような磁気センサを応用して、3次元的に地磁気を検出する方法、並びにその信号処理方法が特許文献1(特開2002−196055号公報)に開示されている。この特許文献1は、「3軸磁気センサ、全方位磁気センサおよびそれらを用いた方位測定方法」を開示するものであって、基板を本体として形成され、基板と平行な平面に規定される磁気ベクトルの2軸成分を検出するフラックスゲート型磁気センサと、磁気ベクトルの基板とは垂直な方向の成分を検出するホール素子と、基板の傾斜角を検出する傾斜センサと、CPUとを含み、ハイブリッドICとして一体に構成されたハイブリッド磁気センサが記載されている。
【0005】
さらに、特許文献2(特開2002−71381号公報)には、磁場の方向を3次元で決定することができる磁場方向検出センサとして、平らな形状を有する1個の磁場コンセントレータと、少なくとも第1のホール効果素子および第2のホール効果素子、又は、少なくともホール効果素子の第1のグループおよび第2のグループとを備え、ホール効果素子が磁場コンセントレータの端部領域に配置されていることが記載されている。
【0006】
【特許文献1】
特開2002−196055号公報(第1頁、図3)
【0007】
【特許文献2】
特開2002−71381号公報(第1頁、図1)
【0008】
【発明が解決しようとする課題】
このように、特許文献1では、フラックスゲートセンサとホール素子を別々に基板上に配置したいわゆるハイブリッド構成によって3次元の磁場を検出する発明が開示されている。しかしながら、この特許文献1に開示されている発明では、センサと信号処理回路がハイブリッド構成によって配置されることから、実装面積が大きくなることは避けられない問題であった。特に近年に至り、3次元の地磁気センサを携帯端末に搭載し、携帯端末の方位に地図の方位を合わせて表示する位置情報システムが実用化されているが、携帯端末のように、実装面積が非常に限られているようなシステムでは、センサがより小型であることが必要とされている。
【0009】
また、特許文献2では、磁気収束板の端面に複数のホール素子を配置し、水平方向の磁場の角度を検出するとともに、さらにホール素子を配置して垂直方向の磁場を同時に検出する3次元の磁気センサが開示されている。この特許文献2によれば、水平方向の磁場に関しては、磁気収束板が磁束密度を増幅するため、磁場感度が向上してS/N比(信号/雑音)比も向上する。特に、地磁気のように非常に微小な磁場(30μT)を検出するには、このS/N比の向上は重要な要素となる。しかしながら、その厚みに対して、十分に長さが大きい場合、磁気収束板は垂直方向の磁場に対してはほとんど磁束密度を増幅する効果がないので、垂直方向の磁気検出感度は向上せず、S/N比は水平方向と比較して悪くなることは避けられない問題であった。すなわち、磁気検出感度が方向によって異なるため、必ずキャリブレーションが必要となるのに加え、垂直方向のS/N比が向上させることができないため測定の分解能が低下してしまうという問題が生じている。
【0010】
よって本発明の目的は、上述の点に鑑み、水平方向および垂直方向の磁場を検出するに際して、磁気収束板を用いることに起因して生じる検出感度のずれを解消すると共に、垂直方向の磁場検出に対するS/N比を向上させた3次元磁気検出装置および半導体装置を提供することにある。
【0011】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために、請求項1に係る本発明は、磁気収束板および基板上に形成された複数の磁気検出素子を有する3次元磁気検出装置であって、前記磁気収束板の端部領域に近接して少なくとも2対の磁気検出素子を配置し、それぞれの磁気検出素子対に含まれる磁気検出素子から順次もしくは同時に磁気検出信号を得るに際して、
全ての磁気検出素子の合計数≧{(前記基板に水平な面方向の磁場に対する前記磁気収束板の磁気増幅率)×(1対当たりの磁気検出素子数)}−1
なる条件を満たすよう構成したものである。
【0012】
請求項2に係る本発明は、請求項1に記載の3次元磁気検出装置において、(1対の磁気検出素子に含まれる磁気検出素子個数)×(前記基板に水平な面方向の磁場に対する前記磁気収束板の磁気増幅率)の値に最も近い整数個、もしくは該整数個以上の磁気検出素子を選択し、選択した磁気検出素子を用いて前記基板に垂直方向の磁場強度を検出する。
【0013】
請求項3に係る本発明は、請求項1に記載の3次元磁気検出装置において、前記少なくとも2対の磁気検出素子を用いることにより前記基板に水平なX方向成分およびY方向成分を検出し、且つ、前記少なくとも2対の磁気検出素子のほかに設けた磁気検出素子を設けることにより前記基板に垂直なZ方向成分を検出する。
【0014】
請求項4に係る本発明は、請求項1〜3のいずれかに記載の3次元磁気検出装置において、前記磁気検出素子は、シリコン基板上に形成されたホール素子である。
【0015】
請求項5に係る本発明は、請求項1〜3のいずれかに記載の3次元磁気検出装置において、前記磁気検出素子の全て、もしくは前記磁気検出素子の一部の素子を、化合物半導体により構成する。
【0016】
請求項6に係る本発明は、基板上に形成された複数の磁気検出素子を有する3次元磁気検出装置であって、前記基板に水平な2方向の成分を検出する少なくとも2対の磁気検出素子を第1の磁気収束板の端部領域に近接して配置し、且つ、前記少なくとも2対の磁気検出素子とは別個に、前記基板に対して垂直方向の磁場強度を検出する磁気検出素子を配置すると共に、該磁気検出素子の上方近傍に第2の磁気収束板を設けたものである。
【0017】
請求項7に係る本発明は、請求項6に記載の3次元磁気検出装置において、(前記第2の磁気収束板が有する長さ)/(前記第2の磁気収束板が有する厚み)により定義されるアスペクト比が3以下である。
【0018】
請求項8に係る本発明は、請求項6または7に記載の3次元磁気検出装置において、前記磁気検出素子は、シリコン基板上に形成されたホール素子である。
【0019】
請求項9に係る本発明は、請求項6または7に記載の3次元磁気検出装置において、前記磁気検出素子の全て、もしくは前記磁気検出素子の一部の素子を、化合物半導体により構成する。
【0020】
請求項10に係る本発明は、基板上に形成された複数の磁気検出素子を有する3次元磁気検出装置であって、前記基板に水平な2方向の成分を検出する少なくとも2対の磁気検出素子を磁気収束板の端部領域に近接して配置し、且つ、前記少なくとも2対の磁気検出素子とは別個に、前記基板に対して垂直方向の磁場強度を検出するための、化合物半導体で構成した磁気検出素子を配置する。
【0021】
請求項11に係る本発明は、請求項10に記載の3次元磁気検出装置において、前記基板に対して垂直方向の磁場強度を検出する磁気検出素子以外の磁気検出素子は、シリコン基板上に形成されたホール素子である。
【0022】
請求項12に係る本発明は、請求項1〜11のいずれかに記載の3次元磁気検出装置において、さらに加えて、前記磁気検出素子から順次もしくは同時に出力された磁気検出信号を入力し、予め定めた信号処理もしくはデータ処理を行う信号処理回路を備える。
【0023】
請求項13に係る本発明は、請求項12に記載の3次元磁気検出装置において、前記信号処理回路は、前記磁気検出素子が形成されている基板と同一の基板上に形成したものである。
【0024】
請求項14に係る本発明は、請求項1〜13のいずれかに記載の3次元磁気検出装置を、半導体基板上に形成した半導体装置である。
【0025】
請求項15に係る本発明は、請求項5に記載の3次元磁気検出装置を有する半導体装置において、前記化合物半導体を別個の基板上に形成したものである。
【0026】
請求項16に係る本発明は、請求項9に記載の3次元磁気検出装置を有する半導体装置において、前記化合物半導体を別個の基板上に形成したものである。
【0027】
請求項17に係る本発明は、請求項10に記載の3次元磁気検出装置を有する半導体装置において、前記化合物半導体を別個の基板上に形成したものである。
【0028】
請求項18に係る本発明は、請求項12に記載の3次元磁気検出装置を有する半導体装置において、前記信号処理回路を前記磁気検出素子とは別個の基板上に形成したものである。
【0029】
請求項19に係る本発明は、請求項1〜13のいずれかに記載の3次元磁気検出装置において、前記磁気検出素子を用いて地磁気を検出する。
【0030】
請求項20に係る本発明は、請求項14〜18のいずれかに記載の半導体装置において、前記磁気検出素子を用いて地磁気を検出する。
【0031】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しながら、各実施の形態を詳細に説明する。
【0032】
実施の形態1
図1は、本発明を適用した3次元磁気センサの一例を示す平面図である。図2は、図1に示した3次元磁気センサの断面構成図である。
【0033】
これら図1および図2に示すように、半導体基板(図示せず)上に形成された磁気検出素子(ホール素子)X1〜X4,Y1〜Y4,Z1〜Z8が、円形の磁気収束板FCの端部領域に配置されている。
【0034】
ここで、X1〜X4は水平磁場におけるX方向の磁場を検出する磁気検出素子(ホール素子)を、Y1〜Y4はY方向の磁場を検出する磁気検出素子(ホール素子)を示している。これら磁気検出素子X1〜X4,Y1〜Y4とは別に、磁気検出素子Z1〜Z8が同様に磁気収束板FCの端部領域に配置されている。このような構成の磁気センサでは、水平磁場の角度検出を行う際、図2に示すように、収束されて垂直に方向に変換された磁場の方向は互いに逆方向である。従って、磁気検出素子X1,X2の出力(=X1+X2)から磁気検出素子X3,X4の出力(=X3+X4)を減算すれば(すなわち、(X1+X2)−(X3+X4)を求めることにより)、水平磁場の進入角度に対応した出力が得られる。具体的には、磁場の進入角度の余弦(cos)に比例した信号が得られる。Y方向に対しても同様に、磁場の進入角度の正弦(sin)に比例した信号が得られる。
【0035】
一方、垂直磁場成分に関しては、磁場は同方向から各磁気検出素子に入射するため、全ての磁気検出素子出力を加算すれば、垂直磁場強度に対応した出力が得られる。これらの出力は、後段の演算増幅器等を用いて増幅し、角度情報に変換するなどの信号処理がなされる。
【0036】
このような磁気センサを用いて地磁気レベルの微小磁場を検出することが可能であることは実験的に確かめられており、その実測結果を図3に示す。
【0037】
図4は、図1に示した磁気検出素子(ホール素子)X1〜X4,Y1〜Y4,Z1〜Z8からの検出信号を処理するための回路図である。本図に示すように、各磁気検出素子からの検出信号はセンサ切換回路20に入力され、出力選択信号▲1▼,▲2▼,▲3▼に応答して、それぞれのセンサ出力X1〜X4,Y1〜Y4,Z1〜Z8が選択的に送出される。これらのセンサ出力を導入した演算回路30では、出力選択信号▲1▼,▲2▼,▲3▼に応じて、X方向成分を得るための演算、Y方向成分を得るための演算、Z方向成分を得るための演算を行う。
【0038】
すなわち、出力選択信号▲1▼に応じてX方向成分を得るためには、
{(X1+X2)−(X3+X4)}・Am
なる演算を行う。ここで、Amは磁気収束板FCの磁気増幅率である。
【0039】
同様に、出力選択信号▲2▼に応じてY方向成分を得るためには、
{(Y1+Y2)−(Y3+Y4)}・Am
なる演算を行う。
【0040】
また、出力選択信号▲3▼に応じてZ方向成分を得るためには、
(X1+X2+X3+X4)+(Y1+Y2+Y3+Y4)+(Z1+Z2+Z3+Z4+Z5+Z6+Z7+Z8)
なる演算を行う。
【0041】
その後、演算回路30から出力されたX方向成分信号,Y方向成分信号,Z方向成分信号は出力切換器40を介して外部に出力される。出力切換器40の後段には、例えばA/Dコンバータを介してマイクロプロセッサ,その他の制御回路などを接続することが可能である。
【0042】
再び図1に戻り、説明を行う。いま、磁気収束板FCの磁気増幅率Amが4であると仮定する。また、磁気検出素子(ホール素子)1個当たりの磁気感度をK、水平磁場強度をBhとすると、X方向の磁場から得られるセンサ出力は、4×(4K)×Bh×cos α=16BhKcos αとなる(α:磁場の進入角度)。同様に、Y方向の磁場からは、16BhKsin αなる出力が得られる。
【0043】
ここで、垂直な磁場成分を、磁気収束板FCの端部領域近傍に配置された合計16個の素子出力の重ね合わせでとると、垂直(=Z)方向のセンサ出力は、(16K)×Bv(Bv:垂直磁場強度)となる。従って、X,Y,Z方向の検出感度は共に16Kとなり、各X,Y,Z方向とも検出感度がそろうことになる。
【0044】
つぎに、S/N比についてみると、XおよびY方向には磁気収束板FCにより磁気増幅率が4であるため、S/N比は4倍に向上する。一方、Z方向には、このような磁気増幅効果はないが、信号検出に用いられた素子数はX,Y方向と比較して4倍多いため(すなわち、16個)、ノイズレベルは1/√4=1/2となり、S/Nは2倍向することになる。
【0045】
なお、上述した例では、磁気収束板FCの磁気増幅率が“4”という整数の場合を想定したが、例えば磁気収束板FCの増幅率が4.1など少数を含むとすると、X方向についての検出出力は16.4BhKcos α、Y方向についての検出出力は16.4BhKsin αとなる。
【0046】
ここで、Z方向の磁場強度を検出するための素子数として、
全ての磁気検出素子の合計数≧{(磁気検出素子が形成されている基板に水平な面方向の磁場に対する磁気収束板の磁気増幅率)×(1対当たりの磁気検出素子数)}−1
という不等式を満たす個数だけ素子を配置することを考える。いま、磁気収束板FCの増幅率が4.1であると仮定すると、各対に含まれる磁気検出素子の数は4個であるから、
配置すべき素子の合計数≧4.1×4−1=15.4
となり、最低16個の素子を配置することになる。磁気検出素子を、この例のように16個配置した場合、X,Y,Z方向の増幅率のファクタ(検出感度)は、16.4:16.4:16=1.025:1.025:1となり、ほぼそろうことが判る。また、S/N比についてみても、Z方向のS/Nは先の例と同様に、2倍向上する。
【0047】
このように、Z方向の磁場を検出する磁気検出素子数を、磁気収束板FCの磁気増幅率と相関させて選定することによって、X,Y,Z方向の検出感度をそろえつつ、S/N比を向上させることが可能である。
【0048】
なお、これまでは、円形の磁気収束板を用いた例を説明したが、磁気収束板の形状としては、図5(A)に示すように十字型でも同様な効果が得られる。ただし、この場合には磁気収束効果が得られる位置に磁気検出素子を配置する必要がある。このように、磁気収束板の形状に依存せずに、本実施の形態による3次元磁気センサを構成することが可能である。また、図5(B)に示すように、Z方向の磁場を検出する素子については、磁気収束板の端部領域に配置されている必要はなく、収束板の中側に配置されても同様の効果が得られる。
【0049】
さらに、
全ての磁気検出素子の合計数≧{(磁気検出素子が形成されている基板に水平な面方向の磁場に対する磁気収束板の磁気増幅率)×(1対当たりの磁気検出素子数)}−1
という不等式を満たしている限り、Z方向の磁場を検出する素子については、独立の磁気検出素子として別個に設ける必要がなく、Xおよび方向の磁場を検出する磁気検出素子を使用することが可能である。
【0050】
実施の形態2
図6は、他の実施の形態による3次元磁気センサを示す平面図である。この実施の形態では、円形の磁気収束板FC1の端部領域に、半導体基板上に形成された磁気検出素子(ホール素子)X1a,X1b,X2a,X2b,Y1a,Y1b,Y2a,Y2bが配置されている。ここで、磁気検出素子X1a,X1b,X2a,X2bは水平磁場におけるX方向の磁場を検出し、磁気検出素子Y1a,Y1b,Y2a,Y2bはY方向の磁場を検出する。本実施の形態では、これらの磁気検出素子とは別個に、Z方向の磁場を検出する磁気検出素子Z1〜Z4を設け、それら各素子の上方にローカルに第2の磁気収束板FC2を貼り付けてある。
【0051】
そして、第2の磁気収束板FC2のアスペクト比(=長さ/厚み)を適切に選択することによって、Z方向に磁気収束効果をもたせることが可能になる。
【0052】
図7は、図6に示した磁気検出素子(ホール素子)X1a,X1b,X2a,X2b,Y1a,Y1b,Y2a,Y2b,Z1〜Z4からの検出信号を処理するための回路図である。本図に示すように、各磁気検出素子からの検出信号はセンサ切換回路20’に入力され、出力選択信号▲1▼,▲2▼,▲3▼に応答して、3種類のセンサ出力X1a,X1b,X2a,X2b、センサ出力Y1a,Y1b,Y2a,Y2b、センサ出力Z1〜Z4が選択的に送出される。これらのセンサ出力を導入した演算回路30’では、出力選択信号▲1▼,▲2▼,▲3▼に応じて、X方向成分を得るための演算、Y方向成分を得るための演算、Z方向成分を得るための演算を行う。
【0053】
すなわち、出力選択信号▲1▼に応じてX方向成分を得るためには、
{(X1a+X1b)−(X2a+X2b)}・Am1
なる演算を行う。ここで、Am1は、磁気収束板FC1における水平方向の磁気増幅率である。
【0054】
同様に、出力選択信号▲2▼に応じてY方向成分を得るためには、
{(Y1a+Y1b)−(Y2a+Y2b)}・Am1
なる演算を行う。上記の通り、Am1は、磁気収束板FC1における水平方向の磁気増幅率である。
【0055】
また、出力選択信号▲3▼に応じてZ方向成分を得るためには、
(X1a+X1b+X2a+X2b)+(Y1a+Y1b+Y2a+Y2b)+{(Z1+Z2+Z3+Z4)}・Am2
なる演算を行う。ここで、Am2は、第2の磁気収束板FC2における垂直方向の磁気増幅率である。
【0056】
図8には、磁気シミュレーションによる解析結果を示している。本シミュレーションで想定した磁気収束板は、透磁率1400の軟磁性体であり、厚みは約23ミクロンである。解析方法は積分要素法である。このシミュレーション結果から、第2の磁気収束板FC2の長さ/厚みからなるアスペクト比が小さいほど、Z方向の磁気増幅率が大きくなることが示されている。本図から明らかなように、第2の磁気収束板FC2の長さ/厚みから成るアスペクト比としては、3以下が望ましい。
【0057】
このように、XおよびY方向と同様にZ方向にも磁気増幅効果を持たせることによって、Z方向のS/Nを向上させることが可能になり、3次元磁気センサにおける角度検出分解能の向上につながる。
【0058】
なお、第2の磁気収束板FC2の厚みを向上させるために、例えば磁気収束板をスタックに積み上げる方法をとることも可能である。
【0059】
実施の形態3
図9は、第3の実施の形態による3次元磁気センサを示す平面図である。この実施の形態では、半導体基板上に形成された磁気検出素子(ホール素子)X1,X2,Y1,Y2が、円形の磁気収束板FCの端部領域に配置されている。ここで、磁気検出素子X1,X2は水平磁場におけるX方向の磁場を検出し、磁気検出素子Y1,Y2はY方向の磁場を検出する。これらの磁気検出素子X1,X2,Y1,Y2とは別個に、Z方向の磁場を検出する磁気検出素子ZZ1〜ZZ4を配置し、それらの磁気検出素子を化合物半導体で形成する。
【0060】
【実施例】
図10(A)は、本発明を適用したハイブリッド磁気センサの一実施例を示す断面図である。本図に示すように、集積回路部分4が形成されている第1基板2の上方向に、化合物半導体素子8を形成した第2基板6が配置され、さらに、化合物半導体素子8および第2基板6上に接着層10,12を介して、磁気収束板14,16が形成されている。なお、化合物半導体素子8と集積回路部分4とは、所定の電極がワイヤーボンディング等で電気的に接続されている。
【0061】
図10(B)は、他の実施例によるハイブリッド磁気センサを示す断面図である。本図に示すように、化合物半導体素子8と接着層10を介して積層された磁気収束板14を形成した第2基板6が、集積回路部分4に対向するように配置され、かつ化合物半導体素子8の電極と集積回路部分4の電極が、導電性バンプ20を介して接続されている。
【0062】
集積回路部分4を形成させる第1基板2としては、Si基板,サファイヤ基板,GaAs基板等を用いるのが好ましい。
【0063】
(実施例1)
MBE法により、GaAs基板上にノンドープInSbを1μm薄膜成長した。InSb薄膜の膜特性は、電子移動度が40000cm/Vsであった。次に、該InSb薄膜をフォトリソグラフィ法により、十字型を基本形状とするホール素子に加工し、センサ部を作成した。次に絶縁層を介して、センサ部上に所望の形状の磁気収束板を貼り付けた。次に、該基板をセンサ部毎にダイシングして、センサチップを作製した。
【0064】
一方、Si基板にCMOSプロセスにより集積回路を形成した。該集積回路上に保護膜を形成した後、電極部分の窓開けを行った。次に、保護膜上に上記センサチップをダイボンディングして、さらにセンサチップの電極と集積回路の電極をワイヤーボンディングにより接続した。
【0065】
上記センサチップを接続した集積回路基板を1つのパッケージにプラスチックモールドし、図10(A)に示したようなハイブリッド磁気センサを完成した。
【0066】
本実施例のハイブリッド磁気センサは、集積回路による信号増幅も含めて前記水平、垂直磁場両方に対して、2V/Gaussという非常に高い感度が得られた。また、S/N比はシリコンホール素子を用いて同様なセンサを試作した場合と比較して10倍向上し、方位角の測定分解能は6度から0.6度に向上した。
【0067】
(実施例2)
Si基板上に1nmのSiOを化学処理により形成した後、該基板をMBEチャンバーに入れ、基板温度は室温で、Alを1nm成長させた。その後、基板温度を850℃まで昇温して、30分間アニールを行い、γ−Alを約1nm形成させた。さらにその上に、ドープInSbを1μm薄膜成長した。InSb薄膜の膜特性は、電子移動度が35000cm/Vsであった。次に、該InSb薄膜をフォトリソグラフィ法により、十字型を基本形状とするホール素子に加工し、センサ部を作成した。次に絶縁層を介して、センサ部上に所望の形状の磁気収束板を貼り付けた。次に、該基板をセンサ部毎にダイシングして、センサチップを作製した。
【0068】
一方、Si基板にCMOSプロセスにより集積回路を形成した。該集積回路上に保護膜を形成した後、電極部分の窓開けを行った。次に、窓開け部分に電導性のバンプを形成させ、その上に上記センサチップをフリップチップで接続し、プラスチックモールドを行い、10(B)に示したようなハイブリッド磁気センサを完成した。
【0069】
本実施例のハイブリッド磁気センサは、集積回路による信号増幅も含めて前記水平、垂直磁場両方に対して、2V/Gaussという非常に高い感度が得られた。また、S/N比はシリコンホール素子を用いて同様なセンサを試作した場合と比較して8倍向上し、方位角の測定分解能は6度から0.8度に向上した。
【0070】
本発明を適用した磁気収束板としては、軟磁性体が好ましく用いられる。磁気センサ素子としては、ホール素子,磁気抵抗素子が好適である。磁気センサを形成する基板としては、Si,サファイヤ,GaAs基板等が好ましい。センサ部は、CMOSシリコンプロセスを用いたSiホール素子、あるいは化合物半導体を用いることができる。センサ部を構成する化合物半導体素子の材料としては、きわめて高い電子移動度を有するInSb,InAs,GaAsなどが最も好ましく用いられる。また、Siより大きな電子移動度を有するGaSbやInPなども好ましく用いられる。また、それらの三元系混晶、例えば、InGaAs,InAsSb,InGaP,GaAsSb,InGaSb,InAsPなども好ましい。さらにInGaAsSb,InGaAsPなどの四元系混晶も好ましく用いられる。また、良好な温度特性が要求される場合には、バンドギャップエネルギーが大きなGaN,InN,InGaNなどもSiより高い電子飽和速度を有しており、好ましく用いられる。
【0071】
さらに、温度特性を改善するために、化合物半導体にドナー不純物をドーピングすることが好ましく行われる。ドナー不純物として、Si,Te,S,Se,Geなどが好ましく用いられる。
【0072】
また、より高い電子移動度を得るために、前記化合物半導体のヘテロ構造、例えば、AlGaAs/GaAs,AlGaAs/InGaAs,AlGaAsSb/InAs,AlGaAsSb/InGaAs,AlGaAsSb/InAsSb,AlGaAsSb/InGaAsSb,AlGaN/GaN,AlGaN/InGaNなどを用いることも好ましい。これらのヘテロ構造は、シングルへテロ構造あるいはダブルへテロ構造のどちらを用いても良い。また、これらのヘテロ構造が繰り返し積層された超格子構造が形成されていてもよい。
【0073】
【発明の効果】
以上説明した通り、本発明によれば、水平方向および垂直方向の磁場を検出するに際して、磁気収束板を用いることに起因して生じる検出感度のずれを解消すると共に、垂直方向の磁場検出に対するS/N比を向上させることができる。換言すると、本発明によれば、磁気収束板を用いることによる磁気検出感度の方向依存性を解消して、キャリブレーションを不要にすると同時に、垂直方向の磁場に対するS/N比を向上させ、より高精度かつ小型安価な3次元磁気センサを実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】第1の実施の形態による3次元磁気センサを示す平面図である。
【図2】図1に示した3次元磁気センサの断面構成図である。
【図3】本実施の形態による磁気センサを用いたシミュレーション結果を示す図である。
【図4】図1に示した磁気検出素子X1〜X4,Y1〜Y4,Z1〜Z8からの検出信号を処理するための回路図である。
【図5】異なった形状の磁気収束板および異なった位置に配置した磁気検出素子を例示した図である。
【図6】第2の実施の形態による3次元磁気センサを示す平面図である。
【図7】図6に示した磁気検出素子X1a,X1b,X2a,X2b,Y1a,Y1b,Y2a,Y2b,Z1〜Z4からの検出信号を処理するための回路図である。
【図8】磁気シミュレーションによる解析結果を示す図である。
【図9】第3の実施の形態による3次元磁気センサを示す平面図である。
【図10】図10は、本発明を適用したハイブリッド磁気センサの一実施例を示す断面図である。
【符号の説明】
X,Y,Z 磁気検出素子(ホール素子)
FC 磁気収束板
[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a three-dimensional magnetic detection device and a semiconductor device equipped with the three-dimensional magnetic detection device.
[0002]
More specifically, the present invention relates to a three-dimensional magnetic detecting device having a magnetic converging plate and a plurality of magnetic detecting elements formed on a substrate, which is suitable for detecting terrestrial magnetism, and a three-dimensional magnetic detecting device. The present invention relates to a mounted semiconductor device.
[0003]
[Prior art]
Conventionally, as a magnetic sensor, a Hall element using the Hall effect, a magnetoresistive element, a Hall IC combining these elements with an IC, a flux gate, and the like are known.
[0004]
Further, a method of three-dimensionally detecting geomagnetism by applying such a magnetic sensor and a signal processing method thereof are disclosed in Patent Document 1 (Japanese Patent Laid-Open No. 2002-196055). This Patent Document 1 discloses a “three-axis magnetic sensor, an omnidirectional magnetic sensor, and an azimuth measuring method using the same”, in which a substrate is formed as a main body, and the magnetic field is defined in a plane parallel to the substrate. A hybrid including a fluxgate magnetic sensor for detecting a biaxial component of a vector, a Hall element for detecting a component of a magnetic vector in a direction perpendicular to the substrate, an inclination sensor for detecting an inclination angle of the substrate, and a CPU; A hybrid magnetic sensor integrally configured as an IC is described.
[0005]
Further, Patent Document 2 (Japanese Patent Application Laid-Open No. 2002-71381) discloses, as a magnetic field direction detection sensor capable of determining the direction of a magnetic field in three dimensions, one magnetic field concentrator having a flat shape and at least a first magnetic field concentrator. And a second Hall effect element, or at least a first group and a second group of Hall effect elements, wherein the Hall effect element is arranged in an end region of the magnetic field concentrator. Have been.
[0006]
[Patent Document 1]
JP-A-2002-196055 (page 1, FIG. 3)
[0007]
[Patent Document 2]
JP-A-2002-71381 (page 1, FIG. 1)
[0008]
[Problems to be solved by the invention]
As described above, Patent Document 1 discloses an invention that detects a three-dimensional magnetic field by a so-called hybrid configuration in which a flux gate sensor and a Hall element are separately arranged on a substrate. However, in the invention disclosed in Patent Document 1, since the sensor and the signal processing circuit are arranged in a hybrid configuration, there is an inevitable problem that the mounting area increases. Particularly in recent years, a position information system in which a three-dimensional terrestrial magnetism sensor is mounted on a mobile terminal and displays the orientation of the map in accordance with the orientation of the mobile terminal has been put into practical use. In systems that are very limited, the sensors need to be smaller.
[0009]
Further, in Patent Document 2, a plurality of Hall elements are arranged on an end face of a magnetic converging plate to detect an angle of a magnetic field in a horizontal direction, and a Hall element is arranged to simultaneously detect a magnetic field in a vertical direction. A magnetic sensor is disclosed. According to Patent Document 2, with respect to the magnetic field in the horizontal direction, the magnetic flux concentrator amplifies the magnetic flux density, so that the magnetic field sensitivity is improved and the S / N ratio (signal / noise) ratio is also improved. In particular, in order to detect a very small magnetic field (30 μT) such as terrestrial magnetism, the improvement of the S / N ratio is an important factor. However, if the length is sufficiently large relative to its thickness, the magnetic flux concentrator has almost no effect of amplifying the magnetic flux density with respect to the magnetic field in the vertical direction. It is an unavoidable problem that the S / N ratio becomes worse as compared with the horizontal direction. That is, since the magnetic detection sensitivity differs depending on the direction, calibration is always required, and in addition, the resolution of measurement is reduced because the S / N ratio in the vertical direction cannot be improved. .
[0010]
In view of the above, it is therefore an object of the present invention to eliminate a deviation in detection sensitivity caused by using a magnetic converging plate when detecting a magnetic field in a horizontal direction and a vertical direction, and to detect a magnetic field in a vertical direction. It is an object of the present invention to provide a three-dimensional magnetic detection device and a semiconductor device having an improved S / N ratio with respect to the above.
[0011]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, the present invention according to claim 1 is a three-dimensional magnetic detection device having a magnetic converging plate and a plurality of magnetic detecting elements formed on a substrate, wherein an end of the magnetic converging plate is provided. When arranging at least two pairs of magnetic detection elements in close proximity to the partial area and sequentially or simultaneously obtaining magnetic detection signals from the magnetic detection elements included in each magnetic detection element pair,
Total number of all magnetic sensing elements ≧ {(magnetic amplification factor of the magnetic converging plate with respect to a magnetic field in a plane direction parallel to the substrate) × (number of magnetic sensing elements per pair)} − 1
It is configured to satisfy certain conditions.
[0012]
According to a second aspect of the present invention, in the three-dimensional magnetic detection device according to the first aspect, (the number of magnetic detection elements included in a pair of magnetic detection elements) × (the magnetic field in a plane direction parallel to the substrate). The number of magnetic detection elements closest to the value of the magnetic amplification factor of the magnetic flux concentrator or the integer number or more is selected, and the magnetic field strength in the direction perpendicular to the substrate is detected using the selected magnetic detection elements.
[0013]
According to a third aspect of the present invention, in the three-dimensional magnetic detection device according to the first aspect, an X-direction component and a Y-direction component horizontal to the substrate are detected by using the at least two pairs of magnetic detection elements, Further, a Z-direction component perpendicular to the substrate is detected by providing a magnetic detecting element provided in addition to the at least two pairs of magnetic detecting elements.
[0014]
According to a fourth aspect of the present invention, in the three-dimensional magnetic detection device according to any one of the first to third aspects, the magnetic detection element is a Hall element formed on a silicon substrate.
[0015]
According to a fifth aspect of the present invention, in the three-dimensional magnetic detection device according to any one of the first to third aspects, all of the magnetic detection elements or some of the magnetic detection elements are formed of a compound semiconductor. I do.
[0016]
The present invention according to claim 6 is a three-dimensional magnetic detecting device having a plurality of magnetic detecting elements formed on a substrate, wherein at least two pairs of magnetic detecting elements detecting components in two directions horizontal to the substrate. Is disposed close to an end region of the first magnetic converging plate, and separately from the at least two pairs of magnetic detecting elements, a magnetic detecting element for detecting a magnetic field intensity in a direction perpendicular to the substrate is provided. And a second magnetic flux concentrator provided near the upper part of the magnetic sensing element.
[0017]
According to a seventh aspect of the present invention, in the three-dimensional magnetic detection device according to the sixth aspect, the length is defined by (the length of the second magnetic focusing plate) / (the thickness of the second magnetic focusing plate). The aspect ratio is 3 or less.
[0018]
The present invention according to claim 8 is the three-dimensional magnetic detection device according to claim 6 or 7, wherein the magnetic detection element is a Hall element formed on a silicon substrate.
[0019]
According to a ninth aspect of the present invention, in the three-dimensional magnetic detection device according to the sixth or seventh aspect, all of the magnetic detection elements or some of the magnetic detection elements are formed of a compound semiconductor.
[0020]
The present invention according to claim 10 is a three-dimensional magnetic detecting device having a plurality of magnetic detecting elements formed on a substrate, wherein at least two pairs of magnetic detecting elements detecting components in two directions horizontal to the substrate. Is arranged in close proximity to the end region of the magnetic flux concentrator, and separately from the at least two pairs of magnetic detection elements, is formed of a compound semiconductor for detecting a magnetic field intensity in a direction perpendicular to the substrate. The magnetic detection element is placed.
[0021]
According to an eleventh aspect of the present invention, in the three-dimensional magnetic detection device according to the tenth aspect, a magnetic detection element other than a magnetic detection element that detects a magnetic field intensity in a direction perpendicular to the substrate is formed on a silicon substrate. This is a Hall element that has been manufactured.
[0022]
According to a twelfth aspect of the present invention, in the three-dimensional magnetic detection device according to any one of the first to eleventh aspects, a magnetic detection signal sequentially or simultaneously output from the magnetic detection element is input, and A signal processing circuit for performing predetermined signal processing or data processing is provided.
[0023]
According to a thirteenth aspect of the present invention, in the three-dimensional magnetic detection device according to the twelfth aspect, the signal processing circuit is formed on the same substrate on which the magnetic detection element is formed.
[0024]
According to a fourteenth aspect of the present invention, there is provided a semiconductor device in which the three-dimensional magnetic detection device according to any one of the first to thirteenth aspects is formed on a semiconductor substrate.
[0025]
According to a fifteenth aspect of the present invention, in the semiconductor device having the three-dimensional magnetic detection device according to the fifth aspect, the compound semiconductor is formed on a separate substrate.
[0026]
According to a sixteenth aspect of the present invention, in the semiconductor device having the three-dimensional magnetic detection device according to the ninth aspect, the compound semiconductor is formed on a separate substrate.
[0027]
According to a seventeenth aspect of the present invention, in the semiconductor device having the three-dimensional magnetic detection device according to the tenth aspect, the compound semiconductor is formed on a separate substrate.
[0028]
According to an eighteenth aspect of the present invention, in the semiconductor device having the three-dimensional magnetic detection device according to the twelfth aspect, the signal processing circuit is formed on a substrate separate from the magnetic detection element.
[0029]
According to a nineteenth aspect of the present invention, in the three-dimensional magnetic detection device according to any one of the first to thirteenth aspects, geomagnetism is detected using the magnetic detection element.
[0030]
According to a twentieth aspect of the present invention, in the semiconductor device according to any one of the fourteenth to eighteenth aspects, the magnetism is detected by using the magnetic detection element.
[0031]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, each embodiment will be described in detail with reference to the drawings.
[0032]
Embodiment 1
FIG. 1 is a plan view showing an example of a three-dimensional magnetic sensor to which the present invention is applied. FIG. 2 is a sectional configuration diagram of the three-dimensional magnetic sensor shown in FIG.
[0033]
As shown in FIGS. 1 and 2, the magnetic sensing elements (Hall elements) X1 to X4, Y1 to Y4, and Z1 to Z8 formed on a semiconductor substrate (not shown) are formed by a circular magnetic converging plate FC. It is located in the end area.
[0034]
Here, X1 to X4 indicate magnetic detecting elements (Hall elements) for detecting a magnetic field in the X direction in the horizontal magnetic field, and Y1 to Y4 indicate magnetic detecting elements (Hall elements) for detecting a magnetic field in the Y direction. Apart from these magnetic detecting elements X1 to X4 and Y1 to Y4, magnetic detecting elements Z1 to Z8 are similarly arranged in an end region of the magnetic converging plate FC. In the magnetic sensor having such a configuration, when the angle of the horizontal magnetic field is detected, as shown in FIG. 2, the directions of the converged and vertically converted magnetic fields are opposite to each other. Therefore, if the outputs (= X3 + X4) of the magnetic detection elements X3 and X4 are subtracted from the outputs (= X1 + X2) of the magnetic detection elements X1 and X2 (that is, (X1 + X2) − (X3 + X4)), An output corresponding to the approach angle is obtained. Specifically, a signal proportional to the cosine (cos) of the entry angle of the magnetic field is obtained. Similarly, in the Y direction, a signal proportional to the sine (sin) of the entry angle of the magnetic field is obtained.
[0035]
On the other hand, with respect to the vertical magnetic field component, the magnetic field enters each magnetic detection element from the same direction, so that an output corresponding to the vertical magnetic field intensity can be obtained by adding the outputs of all the magnetic detection elements. These outputs are subjected to signal processing such as amplification using an operational amplifier at the subsequent stage and conversion into angle information.
[0036]
It has been experimentally confirmed that such a magnetic sensor can be used to detect a terrestrial-level minute magnetic field, and the actual measurement results are shown in FIG.
[0037]
FIG. 4 is a circuit diagram for processing detection signals from the magnetic detection elements (Hall elements) X1 to X4, Y1 to Y4, and Z1 to Z8 shown in FIG. As shown in the figure, detection signals from the respective magnetic detection elements are input to the sensor switching circuit 20, and in response to output selection signals (1), (2), and (3), respective sensor outputs X1 to X4. , Y1 to Y4, Z1 to Z8 are selectively transmitted. In the arithmetic circuit 30 incorporating these sensor outputs, the operation for obtaining the X-direction component, the operation for obtaining the Y-direction component, and the Z-direction in accordance with the output selection signals (1), (2), and (3). Perform an operation to obtain the component.
[0038]
That is, to obtain the X-direction component according to the output selection signal (1),
{(X1 + X2)-(X3 + X4)} · Am
Is performed. Here, Am is the magnetic amplification factor of the magnetic flux concentrator FC.
[0039]
Similarly, to obtain a Y-direction component according to the output selection signal (2),
{(Y1 + Y2)-(Y3 + Y4)} · Am
Is performed.
[0040]
In order to obtain the Z-direction component according to the output selection signal (3),
(X1 + X2 + X3 + X4) + (Y1 + Y2 + Y3 + Y4) + (Z1 + Z2 + Z3 + Z4 + Z5 + Z6 + Z7 + Z8)
Is performed.
[0041]
Thereafter, the X-direction component signal, the Y-direction component signal, and the Z-direction component signal output from the arithmetic circuit 30 are output to the outside via the output switch 40. At the subsequent stage of the output switch 40, a microprocessor, other control circuits, and the like can be connected via, for example, an A / D converter.
[0042]
Returning to FIG. 1 again, the description will be made. It is now assumed that the magnetic amplification factor Am of the magnetic flux concentrator FC is 4. If the magnetic sensitivity per magnetic detection element (Hall element) is K and the horizontal magnetic field strength is Bh, the sensor output obtained from the magnetic field in the X direction is 4 × (4K) × Bh × cos α = 16BhKcos α (Α: angle of entry of the magnetic field). Similarly, an output of 16 BhK sin α is obtained from the magnetic field in the Y direction.
[0043]
Here, when a vertical magnetic field component is obtained by superimposing a total of 16 element outputs arranged near the end region of the magnetic flux concentrator FC, the sensor output in the vertical (= Z) direction is (16K) × Bv (Bv: vertical magnetic field intensity). Therefore, the detection sensitivities in the X, Y, and Z directions are all 16K, and the detection sensitivities are the same in each of the X, Y, and Z directions.
[0044]
Next, regarding the S / N ratio, since the magnetic amplification factor is 4 in the X and Y directions by the magnetic converging plate FC, the S / N ratio is improved to four times. On the other hand, although there is no such magnetic amplification effect in the Z direction, the number of elements used for signal detection is four times as large as that in the X and Y directions (that is, 16), so that the noise level is 1 /. √4 = 1 /, and S / N is doubled.
[0045]
In the example described above, the case where the magnetic gain of the magnetic converging plate FC is an integer of "4" is assumed. However, if the gain of the magnetic converging plate FC includes a small number such as 4.1, for example, Is 16.4 BhK cos α, and the detection output in the Y direction is 16.4 BhK sin α.
[0046]
Here, as the number of elements for detecting the magnetic field strength in the Z direction,
Total number of all magnetic detecting elements ≧ {(magnetic amplification factor of magnetic converging plate with respect to magnetic field in a plane direction parallel to the substrate on which the magnetic detecting elements are formed) × (number of magnetic detecting elements per pair)} − 1
Consider that elements are arranged in a number that satisfies the following inequality. Now, assuming that the amplification factor of the magnetic flux concentrator FC is 4.1, the number of magnetic detection elements included in each pair is four.
Total number of elements to be arranged ≧ 4.1 × 4-1 = 15.4
Thus, at least 16 elements are arranged. When 16 magnetic detecting elements are arranged as in this example, the factor (detection sensitivity) of the amplification factor in the X, Y, and Z directions is 16.4: 16.4: 16 = 1.025: 1.025. : 1, it can be seen that they are almost the same. As for the S / N ratio, the S / N in the Z direction is improved by a factor of two, as in the previous example.
[0047]
As described above, by selecting the number of magnetic detection elements for detecting the magnetic field in the Z direction in correlation with the magnetic amplification factor of the magnetic flux concentrator FC, the S / N ratio can be improved while the detection sensitivity in the X, Y, and Z directions is uniform. It is possible to improve the ratio.
[0048]
Although an example in which a circular magnetic converging plate is used has been described, similar effects can be obtained with a cross-shaped magnetic converging plate as shown in FIG. However, in this case, it is necessary to arrange the magnetic detection element at a position where the magnetic convergence effect can be obtained. Thus, it is possible to configure the three-dimensional magnetic sensor according to the present embodiment without depending on the shape of the magnetic converging plate. Further, as shown in FIG. 5B, the element for detecting the magnetic field in the Z direction does not need to be arranged in the end region of the magnetic converging plate. The effect of is obtained.
[0049]
further,
Total number of all magnetic detecting elements ≧ {(magnetic amplification factor of magnetic converging plate with respect to magnetic field in a plane direction parallel to the substrate on which the magnetic detecting elements are formed) × (number of magnetic detecting elements per pair)} − 1
As long as the inequality is satisfied, the element for detecting the magnetic field in the Z direction does not need to be separately provided as an independent magnetic detection element, and it is possible to use a magnetic detection element for detecting the magnetic fields in X and directions. is there.
[0050]
Embodiment 2
FIG. 6 is a plan view showing a three-dimensional magnetic sensor according to another embodiment. In this embodiment, magnetic detection elements (Hall elements) X1a, X1b, X2a, X2b, Y1a, Y1b, Y2a, Y2b formed on a semiconductor substrate are arranged in an end region of a circular magnetic converging plate FC1. ing. Here, the magnetic detecting elements X1a, X1b, X2a, X2b detect the magnetic field in the X direction in the horizontal magnetic field, and the magnetic detecting elements Y1a, Y1b, Y2a, Y2b detect the magnetic field in the Y direction. In the present embodiment, separately from these magnetic detecting elements, magnetic detecting elements Z1 to Z4 for detecting a magnetic field in the Z direction are provided, and a second magnetic converging plate FC2 is locally attached above these elements. It is.
[0051]
Then, by appropriately selecting the aspect ratio (= length / thickness) of the second magnetic focusing plate FC2, it is possible to have a magnetic focusing effect in the Z direction.
[0052]
FIG. 7 is a circuit diagram for processing detection signals from the magnetic detection elements (Hall elements) X1a, X1b, X2a, X2b, Y1a, Y1b, Y2a, Y2b, Z1 to Z4 shown in FIG. As shown in the figure, detection signals from the respective magnetic detection elements are input to a sensor switching circuit 20 ', and in response to output selection signals (1), (2), and (3), three types of sensor outputs X1a. , X1b, X2a, X2b, sensor outputs Y1a, Y1b, Y2a, Y2b, and sensor outputs Z1 to Z4 are selectively transmitted. In the arithmetic circuit 30 'incorporating these sensor outputs, an operation for obtaining an X-direction component, an operation for obtaining a Y-direction component, and a Z operation in accordance with the output selection signals (1), (2), and (3). An operation for obtaining a direction component is performed.
[0053]
That is, to obtain the X-direction component according to the output selection signal (1),
{(X1a + X1b)-(X2a + X2b)} · Am1
Is performed. Here, Am1 is a horizontal magnetic amplification factor of the magnetic converging plate FC1.
[0054]
Similarly, to obtain a Y-direction component according to the output selection signal (2),
{(Y1a + Y1b)-(Y2a + Y2b)} · Am1
Is performed. As described above, Am1 is the horizontal magnetic amplification factor of the magnetic converging plate FC1.
[0055]
In order to obtain the Z-direction component according to the output selection signal (3),
(X1a + X1b + X2a + X2b) + (Y1a + Y1b + Y2a + Y2b) + {(Z1 + Z2 + Z3 + Z4)} · Am2
Is performed. Here, Am2 is the magnetic amplification factor in the vertical direction of the second magnetic converging plate FC2.
[0056]
FIG. 8 shows an analysis result by a magnetic simulation. The magnetic flux concentrator assumed in this simulation is a soft magnetic material having a magnetic permeability of 1400, and has a thickness of about 23 microns. The analysis method is the integral element method. The simulation results indicate that the smaller the aspect ratio, which is the length / thickness of the second magnetic flux concentrator FC2, the larger the magnetic amplification factor in the Z direction. As is apparent from the figure, the aspect ratio of the length / thickness of the second magnetic flux concentrator FC2 is desirably 3 or less.
[0057]
Thus, by giving the magnetic amplification effect in the Z direction as well as in the X and Y directions, it is possible to improve the S / N in the Z direction, and to improve the angle detection resolution in the three-dimensional magnetic sensor. Connect.
[0058]
In addition, in order to improve the thickness of the second magnetic flux concentrator FC2, for example, a method of stacking the magnetic flux concentrators on a stack may be adopted.
[0059]
Embodiment 3
FIG. 9 is a plan view showing a three-dimensional magnetic sensor according to the third embodiment. In this embodiment, magnetic detection elements (Hall elements) X1, X2, Y1, and Y2 formed on a semiconductor substrate are arranged in an end region of a circular magnetic flux concentrator FC. Here, the magnetic detection elements X1 and X2 detect a magnetic field in the X direction in the horizontal magnetic field, and the magnetic detection elements Y1 and Y2 detect a magnetic field in the Y direction. Apart from these magnetic detecting elements X1, X2, Y1 and Y2, magnetic detecting elements ZZ1 to ZZ4 for detecting a magnetic field in the Z direction are arranged, and these magnetic detecting elements are formed of a compound semiconductor.
[0060]
【Example】
FIG. 10A is a cross-sectional view showing one embodiment of a hybrid magnetic sensor to which the present invention is applied. As shown in the figure, a second substrate 6 on which a compound semiconductor element 8 is formed is disposed above a first substrate 2 on which an integrated circuit portion 4 is formed. Magnetic converging plates 14 and 16 are formed on 6 via adhesive layers 10 and 12. In addition, predetermined electrodes are electrically connected to the compound semiconductor element 8 and the integrated circuit portion 4 by wire bonding or the like.
[0061]
FIG. 10B is a cross-sectional view illustrating a hybrid magnetic sensor according to another embodiment. As shown in the figure, a second substrate 6 on which a magnetic converging plate 14 formed by laminating a compound semiconductor element 8 and an adhesive layer 10 via an adhesive layer 10 is disposed so as to face the integrated circuit portion 4, and The electrode 8 and the electrode of the integrated circuit part 4 are connected via conductive bumps 20.
[0062]
As the first substrate 2 on which the integrated circuit portion 4 is formed, it is preferable to use a Si substrate, a sapphire substrate, a GaAs substrate, or the like.
[0063]
(Example 1)
Non-doped InSb was grown to a thickness of 1 μm on a GaAs substrate by MBE. The film characteristics of the InSb thin film are such that the electron mobility is 40,000 cm.2/ Vs. Next, the InSb thin film was processed by a photolithography method into a Hall element having a cross shape as a basic shape, thereby forming a sensor portion. Next, a magnetic converging plate having a desired shape was attached on the sensor unit via an insulating layer. Next, the substrate was diced for each sensor unit to produce a sensor chip.
[0064]
On the other hand, an integrated circuit was formed on a Si substrate by a CMOS process. After forming a protective film on the integrated circuit, a window was opened in an electrode portion. Next, the sensor chip was die-bonded on the protective film, and the electrodes of the sensor chip and the electrodes of the integrated circuit were connected by wire bonding.
[0065]
The integrated circuit board to which the sensor chip was connected was plastic-molded into one package to complete a hybrid magnetic sensor as shown in FIG.
[0066]
The hybrid magnetic sensor of this embodiment has a very high sensitivity of 2 V / Gauss for both the horizontal and vertical magnetic fields including the signal amplification by the integrated circuit. Further, the S / N ratio was improved by a factor of 10 as compared with the case where a similar sensor was prototyped using a silicon Hall element, and the azimuth measurement resolution was improved from 6 degrees to 0.6 degrees.
[0067]
(Example 2)
1nm SiO on Si substrate2Was formed by chemical treatment, the substrate was placed in an MBE chamber, and the substrate was grown at room temperature at a temperature of 1 nm. Thereafter, the substrate temperature is raised to 850 ° C., annealing is performed for 30 minutes, and γ-Al2O3Was formed to about 1 nm. Further, a 1 μm thin film of doped InSb was grown thereon. The film characteristics of the InSb thin film are such that the electron mobility is 35,000 cm.2/ Vs. Next, the InSb thin film was processed by a photolithography method into a Hall element having a cross shape as a basic shape, thereby forming a sensor portion. Next, a magnetic converging plate having a desired shape was attached on the sensor unit via an insulating layer. Next, the substrate was diced for each sensor unit to produce a sensor chip.
[0068]
On the other hand, an integrated circuit was formed on a Si substrate by a CMOS process. After forming a protective film on the integrated circuit, a window was opened in an electrode portion. Next, conductive bumps were formed in the window opening portions, and the sensor chip was connected thereto by flip-chip bonding, followed by plastic molding to complete a hybrid magnetic sensor as shown in FIG.
[0069]
The hybrid magnetic sensor of this embodiment has a very high sensitivity of 2 V / Gauss for both the horizontal and vertical magnetic fields including the signal amplification by the integrated circuit. In addition, the S / N ratio was improved eight times as compared with the case where a similar sensor was fabricated using a silicon Hall element, and the azimuth measurement resolution was improved from 6 degrees to 0.8 degrees.
[0070]
As the magnetic converging plate to which the present invention is applied, a soft magnetic material is preferably used. As the magnetic sensor element, a Hall element and a magnetoresistive element are preferable. As a substrate for forming the magnetic sensor, a Si, sapphire, GaAs substrate or the like is preferable. For the sensor unit, a Si Hall element using a CMOS silicon process or a compound semiconductor can be used. As a material of the compound semiconductor element constituting the sensor section, InSb, InAs, GaAs or the like having extremely high electron mobility is most preferably used. Further, GaSb or InP having an electron mobility higher than that of Si is preferably used. Further, ternary mixed crystals thereof, for example, InGaAs, InAsSb, InGaP, GaAsSb, InGaSb, and InAsP are also preferable. Further, quaternary mixed crystals such as InGaAsSb and InGaAsP are also preferably used. In the case where good temperature characteristics are required, GaN, InN, InGaN, and the like having a large band gap energy have a higher electron saturation speed than Si, and are preferably used.
[0071]
Further, in order to improve the temperature characteristics, it is preferable to dope the compound semiconductor with a donor impurity. As the donor impurity, Si, Te, S, Se, Ge, or the like is preferably used.
[0072]
In order to obtain a higher electron mobility, a heterostructure of the compound semiconductor, for example, AlGaAs / GaAs, AlGaAs / InGaAs, AlGaAsSb / InAs, AlGaAsSb / InGaAs, AlGaAsSb / InAsSb, AlGaAsSb / InGaAsSb, AlGaN / GaN, AlGaN It is also preferable to use / InGaN or the like. As these hetero structures, either a single hetero structure or a double hetero structure may be used. Further, a superlattice structure in which these heterostructures are repeatedly laminated may be formed.
[0073]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, when detecting the magnetic field in the horizontal direction and the vertical direction, the deviation of the detection sensitivity caused by using the magnetic converging plate is eliminated, and the S to the magnetic field detection in the vertical direction is eliminated. / N ratio can be improved. In other words, according to the present invention, the direction dependency of the magnetic detection sensitivity due to the use of the magnetic converging plate is eliminated, and the calibration becomes unnecessary, and at the same time, the S / N ratio with respect to the magnetic field in the vertical direction is improved. A high-precision, small-sized and inexpensive three-dimensional magnetic sensor can be realized.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a plan view showing a three-dimensional magnetic sensor according to a first embodiment.
FIG. 2 is a cross-sectional configuration diagram of the three-dimensional magnetic sensor shown in FIG.
FIG. 3 is a diagram showing a simulation result using the magnetic sensor according to the present embodiment.
FIG. 4 is a circuit diagram for processing detection signals from the magnetic detection elements X1 to X4, Y1 to Y4, and Z1 to Z8 shown in FIG.
FIG. 5 is a view exemplifying magnetic converging plates having different shapes and magnetic detecting elements arranged at different positions.
FIG. 6 is a plan view showing a three-dimensional magnetic sensor according to a second embodiment.
7 is a circuit diagram for processing detection signals from the magnetic detection elements X1a, X1b, X2a, X2b, Y1a, Y1b, Y2a, Y2b, and Z1 to Z4 shown in FIG.
FIG. 8 is a diagram showing an analysis result by a magnetic simulation.
FIG. 9 is a plan view showing a three-dimensional magnetic sensor according to a third embodiment.
FIG. 10 is a sectional view showing one embodiment of a hybrid magnetic sensor to which the present invention is applied.
[Explanation of symbols]
X, Y, Z Magnetic sensing element (Hall element)
FC magnetic focusing plate

Claims (20)

磁気収束板および基板上に形成された複数の磁気検出素子を有する3次元磁気検出装置であって、
前記磁気収束板の端部領域に近接して少なくとも2対の磁気検出素子を配置し、それぞれの磁気検出素子対に含まれる磁気検出素子から順次もしくは同時に磁気検出信号を得るに際して、
全ての磁気検出素子の合計数≧{(前記基板に水平な面方向の磁場に対する前記磁気収束板の磁気増幅率)×(1対当たりの磁気検出素子数)}−1
なる条件を満たすことを特徴とする3次元磁気検出装置。
A three-dimensional magnetic detecting device having a magnetic converging plate and a plurality of magnetic detecting elements formed on a substrate,
When arranging at least two pairs of magnetic detection elements in the vicinity of the end region of the magnetic converging plate and sequentially or simultaneously obtaining magnetic detection signals from the magnetic detection elements included in each magnetic detection element pair,
Total number of all magnetic sensing elements ≧ {(magnetic amplification factor of the magnetic converging plate with respect to a magnetic field in a plane direction parallel to the substrate) × (number of magnetic sensing elements per pair)} − 1
A three-dimensional magnetic detection device characterized by satisfying the following conditions.
請求項1に記載の3次元磁気検出装置において、
(1対の磁気検出素子に含まれる磁気検出素子個数)×(前記基板に水平な面方向の磁場に対する前記磁気収束板の磁気増幅率)の値に最も近い整数個、もしくは該整数個以上の磁気検出素子を選択し、選択した磁気検出素子を用いて前記基板に垂直方向の磁場強度を検出することを特徴とする3次元磁気検出装置。
The three-dimensional magnetic detection device according to claim 1,
An integer closest to the value of (the number of magnetic sensing elements included in a pair of magnetic sensing elements) × (magnetic amplification factor of the magnetic converging plate with respect to a magnetic field in a plane direction parallel to the substrate), or an integer number or more. A three-dimensional magnetic detecting device, wherein a magnetic detecting element is selected, and a magnetic field intensity in a direction perpendicular to the substrate is detected using the selected magnetic detecting element.
請求項1に記載の3次元磁気検出装置において、
前記少なくとも2対の磁気検出素子を用いることにより前記基板に水平なX方向成分およびY方向成分を検出し、且つ、前記少なくとも2対の磁気検出素子のほかに設けた磁気検出素子を設けることにより前記基板に垂直なZ方向成分を検出することを特徴とする3次元磁気検出装置。
The three-dimensional magnetic detection device according to claim 1,
By detecting the X-direction component and the Y-direction component horizontal to the substrate by using the at least two pairs of magnetic detection elements, and providing a magnetic detection element provided in addition to the at least two pairs of magnetic detection elements. 3. A three-dimensional magnetic detector, wherein a Z-direction component perpendicular to the substrate is detected.
請求項1〜3のいずれかに記載の3次元磁気検出装置において、
前記磁気検出素子は、シリコン基板上に形成されたホール素子であることを特徴とする3次元磁気検出装置。
The three-dimensional magnetic detection device according to claim 1,
3. The three-dimensional magnetic detection device according to claim 1, wherein the magnetic detection element is a Hall element formed on a silicon substrate.
請求項1〜3のいずれかに記載の3次元磁気検出装置において、
前記磁気検出素子の全て、もしくは前記磁気検出素子の一部の素子を、化合物半導体により構成することを特徴とする3次元磁気検出装置。
The three-dimensional magnetic detection device according to claim 1,
A three-dimensional magnetic detecting device, wherein all of the magnetic detecting elements or a part of the magnetic detecting elements are formed of a compound semiconductor.
基板上に形成された複数の磁気検出素子を有する3次元磁気検出装置であって、
前記基板に水平な2方向の成分を検出する少なくとも2対の磁気検出素子を第1の磁気収束板の端部領域に近接して配置し、且つ、
前記少なくとも2対の磁気検出素子とは別個に、前記基板に対して垂直方向の磁場強度を検出する磁気検出素子を配置すると共に、該磁気検出素子の上方近傍に第2の磁気収束板を設けたことを特徴とする3次元磁気検出装置。
A three-dimensional magnetic detection device having a plurality of magnetic detection elements formed on a substrate,
At least two pairs of magnetic detecting elements for detecting components in two directions horizontal to the substrate are arranged close to an end region of the first magnetic converging plate, and
Separately from the at least two pairs of magnetic detecting elements, a magnetic detecting element for detecting a magnetic field strength in a direction perpendicular to the substrate is arranged, and a second magnetic converging plate is provided near and above the magnetic detecting elements. A three-dimensional magnetic detection device, characterized in that:
請求項6に記載の3次元磁気検出装置において、
(前記第2の磁気収束板が有する長さ)/(前記第2の磁気収束板が有する厚み)により定義されるアスペクト比が3以下であることを特徴とする3次元磁気検出装置。
The three-dimensional magnetic detection device according to claim 6,
An aspect ratio defined by (the length of the second magnetic converging plate) / (the thickness of the second magnetic converging plate) is 3 or less, wherein the three-dimensional magnetic detection device is characterized in that:
請求項6または7に記載の3次元磁気検出装置において、
前記磁気検出素子は、シリコン基板上に形成されたホール素子であることを特徴とする3次元磁気検出装置。
The three-dimensional magnetic detection device according to claim 6 or 7,
3. The three-dimensional magnetic detection device according to claim 1, wherein the magnetic detection element is a Hall element formed on a silicon substrate.
請求項6または7に記載の3次元磁気検出装置において、
前記磁気検出素子の全て、もしくは前記磁気検出素子の一部の素子を、化合物半導体により構成することを特徴とする3次元磁気検出装置。
The three-dimensional magnetic detection device according to claim 6 or 7,
A three-dimensional magnetic detecting device, wherein all of the magnetic detecting elements or a part of the magnetic detecting elements are formed of a compound semiconductor.
基板上に形成された複数の磁気検出素子を有する3次元磁気検出装置であって、
前記基板に水平な2方向の成分を検出する少なくとも2対の磁気検出素子を磁気収束板の端部領域に近接して配置し、且つ、
前記少なくとも2対の磁気検出素子とは別個に、前記基板に対して垂直方向の磁場強度を検出するための、化合物半導体で構成した磁気検出素子を配置することを特徴とする3次元磁気検出装置。
A three-dimensional magnetic detection device having a plurality of magnetic detection elements formed on a substrate,
At least two pairs of magnetic detecting elements for detecting components in two directions horizontal to the substrate are arranged close to an end region of the magnetic converging plate, and
A three-dimensional magnetic detecting device, comprising: a magnetic detecting element formed of a compound semiconductor for detecting a magnetic field strength in a direction perpendicular to the substrate, separately from the at least two pairs of magnetic detecting elements. .
請求項10に記載の3次元磁気検出装置において、
前記基板に対して垂直方向の磁場強度を検出する磁気検出素子以外の磁気検出素子は、シリコン基板上に形成されたホール素子であることを特徴とする3次元磁気検出装置。
The three-dimensional magnetic detection device according to claim 10,
A three-dimensional magnetic detection device, wherein the magnetic detection element other than the magnetic detection element for detecting a magnetic field strength in a direction perpendicular to the substrate is a Hall element formed on a silicon substrate.
請求項1〜11のいずれかに記載の3次元磁気検出装置において、さらに加えて、
前記磁気検出素子から順次もしくは同時に出力された磁気検出信号を入力し、予め定めた信号処理もしくはデータ処理を行う信号処理回路を備えたことを特徴とする3次元磁気検出装置。
The three-dimensional magnetic detection device according to claim 1, further comprising:
A three-dimensional magnetism detection device, comprising: a signal processing circuit that receives magnetism detection signals sequentially or simultaneously output from the magnetism detection element and performs predetermined signal processing or data processing.
請求項12に記載の3次元磁気検出装置において、
前記信号処理回路を、前記磁気検出素子が形成されている基板と同一の基板上に形成したことを特徴とする3次元磁気検出装置。
The three-dimensional magnetic detection device according to claim 12,
A three-dimensional magnetic detection device, wherein the signal processing circuit is formed on the same substrate on which the magnetic detection element is formed.
請求項1〜13のいずれかに記載の3次元磁気検出装置を、半導体基板上に形成したことを特徴とする半導体装置。14. A semiconductor device, wherein the three-dimensional magnetic detection device according to claim 1 is formed on a semiconductor substrate. 請求項5に記載の3次元磁気検出装置を有する半導体装置において、前記化合物半導体を別個の基板上に形成したことを特徴とする半導体装置。The semiconductor device having the three-dimensional magnetic detection device according to claim 5, wherein the compound semiconductor is formed on a separate substrate. 請求項9に記載の3次元磁気検出装置を有する半導体装置において、前記化合物半導体を別個の基板上に形成したことを特徴とする半導体装置。10. The semiconductor device according to claim 9, wherein the compound semiconductor is formed on a separate substrate. 請求項10に記載の3次元磁気検出装置を有する半導体装置において、前記化合物半導体を別個の基板上に形成したことを特徴とする半導体装置。11. The semiconductor device having the three-dimensional magnetic detection device according to claim 10, wherein the compound semiconductor is formed on a separate substrate. 請求項12に記載の3次元磁気検出装置を有する半導体装置において、前記信号処理回路を前記磁気検出素子とは別個の基板上に形成したことを特徴とする半導体装置。13. The semiconductor device having the three-dimensional magnetic detection device according to claim 12, wherein the signal processing circuit is formed on a substrate separate from the magnetic detection element. 請求項1〜13のいずれかに記載の3次元磁気検出装置において、前記磁気検出素子を用いて地磁気を検出することを特徴とする3次元磁気検出装置。14. The three-dimensional magnetism detection device according to claim 1, wherein the magnetism is detected using the magnetism detection element. 請求項14〜18のいずれかに記載の半導体装置において、前記磁気検出素子を用いて地磁気を検出することを特徴とする半導体装置。19. The semiconductor device according to claim 14, wherein geomagnetism is detected by using the magnetic detection element.
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