JP2004517328A - 磁界をセンシングする装置と磁界測定器と電流測定器 - Google Patents

Abstract

装置、磁界測定器及び電流測定器が提案される。この装置は、第１の磁界センサ手段（１、１０１）、第２の磁界センサ手段（２０１）及び第３の磁界センサ手段（３０１）が設けられており、ここで第１の磁界センサ手段（１０１）の第１の出力量（１１０）は第１の入力量（２００）であり、第１の磁界センサ手段（１０１）の第２の出力量（１２０）は第２の入力量（３００）であり、第１の入力量（２００）は第２の磁界センサ手段（２０１）のための入力量であり、第２の入力量（３００）は第３の磁界センサ手段（３０１）のための入力量であることを特徴とする。

Description

【０００１】
従来技術
磁界センサの使用領域は、例えば自動車の領域においてますます増加している。磁界測定を例えば、無接触に、損失が少なくまた電位に依存せずに電流を測定するために使用することができる。例えばジェネレータ及び電気的な駆動部の電気的な動作パラメータを検出する。一般にミリアンペアからキロアンペアの範囲の電流が測定されなければならず、このことは５から６のオーダの測定範囲を必要とする。
【０００２】
今日における従来技術では、例えば導線からの磁界を、例えばホールセンサ、バイポーラマグネットトランジスタ、磁気抵抗性の抵抗、横型マグネットＦＥＴ構造などのような磁界センサによって測定することができる。殊に簡単な構成部材はいわゆる横型マグネットトランジスタであり、その機能は磁界によって生じた２つのバイポーラトランジスタ間の非対称的な電流の分配に基づく。
【０００３】
ミリアンペア範囲の電流に対してはそのような構成部材自体は、典型的にはμＴ範囲にある僅かな磁界のために感度が限界となる。したがって従来技術では小さな磁界はいわゆる磁束収束によって増幅され、この際それぞれの導線の適切な形態によってまたは高透過性材料からなる磁気回路によって、磁界センサのある場所における磁界をより強くすることができる。
【０００４】
発明の利点
磁界をセンシングするための本発明の装置、本発明の磁界測定器及び本発明の電流測定器は、これに対して磁束を収束する補助手段を省略することができるという利点を有し、このことはコストを節約し、必要とされる構造空間を低減する。このことは本発明の装置の感度が高められることによって実現される。ここで測定信号と測定すべき磁界との間の線形の関係は十分に保たれる。
【０００５】
従属請求に記載された措置によって、独立請求項に記載されている装置、磁界測定器及び電流測定器の有利な実施形態及び改善実施形態が実現される。
【０００６】
殊に有利には第４の磁界センサ手段及び第５の磁界センサ手段が設けられており、第２の磁界センサ手段の出力量は第４の磁界センサ手段の入力量に相応し、第３の磁界センサ手段の出力量は第５の磁界センサ手段の入力量に相応する。このことにより、要求に応じて本発明のカスケード段を変化することによって、磁界センサ手段の直列接続による種々の感度を表すことができる。ここで種々の磁界センサ手段が１つのチップ上で実現されることは殊に有利である。
【０００７】
さらに第１の磁界センサ手段は第１の横型マグネットトランジスタであり、第２の磁界センサ手段は第２の横型マグネットトランジスタであり、第３の磁界センサ手段は第３の横型マグネットトランジスタである。これによって本発明によれば、ＬＭＴ（横型マグネットトランジスタ）センサの感度を、複数のそのようなＬＭＴ構成部材を適当に直列接続することにより高めることができる。ＬＭＴ素子の出力電流、すなわち本発明によれば例えば２つのコレクタ電流のうちの一方のコレクタ電流を別のＬＭＴ素子のための入力電流として、すなわち本発明によれば例えばエミッタ電流として使用することによって、ＬＭＴにおける磁界の電流分配への比対称的な作用を何度も使用することができる。ここで有利には、ＬＭＴセンサ自体は既に高感度であり、したがってここで既述する最適化のための良好な基礎となる。択一的に前述したように感度を上昇させることを、類似の原理に応じて動作する他の全ての構成部材に使用することもできる。すなわちこれらの構成部材では磁界によって２つの出力量の値が変化される。
【０００８】
さらには第１の出力量は第１のコレクタ電流であり、第２の出力量は第２のコレクタ電流であり、第１の入力量は第２の横型マグネットトランジスタのエミッタ電流であり、第２の入力量は第３の横型マグネットトランジスタのエミッタ電流であることは有利である。このことにより有利には感度を高めることができ、この際小さい磁界に対する磁界と測定信号との間の関係はそれにもかかわらず線形である。
【０００９】
図面
本発明の実施例を図面に示し、以下詳細に説明する。ここで図１は、横型マグネットトランジスタの方式の磁界センサ手段である。図２は、磁界センサ手段の概略図である。図３は、複数の磁界センサの本発明による装置である。
【００１０】
実施例の説明
図１には、横型マグネットトランジスタを基礎とする磁界センサ手段１が図示されている。ここで重要な特徴は１つの入力量と２つの出力量が存在することであり、磁界センサ手段１の領域内に磁界１４が存在しない場合にはこれらの出力量の値は実質的に等しく、また磁界１４が存在する場合には第１の出力量１２と第２の出力量１３との間には非対称性が存在する。この基本的な特性を有する各磁界センサ手段に、複数の磁界センサ手段の本発明の装置を使用することができる。
【００１１】
磁界センサ手段１の例として、図１には横型マグネットトランジスタ１、略してＬＭＴ１が図示されている。ＬＭＴ１は、負にドーピングされている第１の半導体基板層５及び正にドーピングされている第２の半導体基板層６を有する。第１の半導体基板層５の下方には、すなわち第２の半導体基板６との接触側と反対側には、ボンディングのための例えば第１の金属化部層７が設けられている。第１の金属化部層７はＬＭＴ１の垂直コレクタを形成する。第２の半導体基板層６内には半導体基板領域８が埋め込まれており、この半導体基板層８は例えば負にドーピングされている。さらに第１の半導体基板領域８に隣接して第２の半導体基板領域９及び第３の半導体基板領域１０が第２の半導体基板層６に埋め込まれており、第１の半導体基板領域８は第２の半導体基板領域９と第３の半導体基板領域１０との間に位置する。第２及び第３の半導体基板領域９及び１０は、第１の半導体基板領域と同様にドーピングされている。第１の半導体基板領域８の上方には、ＬＭＴ１のエミッタ接触部を形成する第１の金属ボンディング２０が配置されている。第２の半導体基板領域９の上方には、ＬＭＴ１の第１の横型コレクタを形成する第２の金属ボンディング３０が形成されている。第３の半導体基板領域１０の上方には、ＬＭＴ１の第２の横型コレクタを形成する第３の金属ボンディング４０が設けられている。第２の金属ボンディング３０の隣には、第１の金属ボンディング２０とは反対側に第４の金属ボンディング５０があり、この第４の金属ボンディング５０はＬＭＴ１の第１のベース端子を形成する。第３の金属ボンディング４０の隣には、第１の金属ボンディング２０とは反対側に第５の金属ボンディング６０があり、この第５の金属ボンディング６０はＬＭＴ１の第２のベース端子を形成する。
【００１２】
ＬＭＴ１では電流が垂直方向にエミッタ領域８から、すなわち第１の半導体基板領域８から下方に向かって流れる。第１の電流は図１においては参照記号１１でもって表されている。第１の電流１１は、エミッタ端子を介して供給されるＬＭＴ１の入力量に相応する。動作時にはコレクタ端子３０、４０は同じ電位にあり、エミッタ領域８から第１のコレクタ領域９、すなわち第１の半導体基板領域９への第２の電流１２が生じ、さらにエミッタ領域８から第２のコレクタ領域１０、すなわち第２の半導体基板領域１０への第３の電流１３が生じる。本発明によれば第１の電流１１は、第２及び第３の電流１２、１３へと完全に分割されるか、第１の電流の一部は垂直コレクタ７へと流れる。前者の場合は、例えば裏側コレクタ７とも称される垂直コレクタ７が設けられていない場合に関連する。後者の場合は、第１の電流１１が完全には第２及び第３の電流へと分割されずに、第１の電流１１の一部が裏側コレクタ７へと流れる。磁界１４が存在しない場合、すなわち磁界１４が無くなった場合には、第２の電流と第３の電流は理想的には、すなわちオフセットは存在せず、ないしはオフセットが十分に精確に調節されている場合には等しい大きさである。図示した平面に垂直方向に延びる成分を有する磁界１４が存在する場合には、第１の電流１２及び第２の電流１３に関する対称性が崩れる。すなわち電流の一方が大きくなる。
【００１３】
磁界１４が無ければ、理想的には２つのコレクタ３０、４０を通って同じ電流が流れる。チップ表面の側方に磁界１４が隣接することによって、電荷はローレンツ力に基づき磁界方向に応じて左または右へと偏る。図面においては、この図面の平面に垂直に延びている磁界１４によって、第１のコレクタから比較的強い電流が流れるので、第２の電流は第３の電流よりも大きく、したがって２つの電流１２、１３は相対的に不均衡となる。磁界１４によって誘導された第１のコレクタ３０と第２のコレクタ４０との間の電流の差は測定信号である。所定の磁界強度においてこの差が大きくなればなるほど、装置の感度は一層大きくなる。
【００１４】
図２にはＬＭＴ１が概略的に図示されており、ここでは単に入力電流１１に相応し、参照記号１００で表された入力量と第１の出力量１１０と第２の出力量１２０とが図示されている。
【００１５】
図２には図１に図示したＬＭＴ１の概略的な等価回路図が示されている。第１の出力量１１０は例えば第１の電流１２、すなわちＬＭＴ１の第１のコレクタ電流に相応する。第２の出力量１２０は例えば第２の電流１３、すなわちＬＭＴ１の第２のコレクタ電流に相応する。入力量１００は例えば第１の電流１１、すなわちＬＭＴ１のエミッタ電流に相応する。ＬＭＴ原理には絶対的に必要ではない垂直コレクタ端子７への基板電流は示していない。磁界を測定するために、場がコレクタ電流、例えば出力量１１０、１２０の可能な限り大きな変化を誘導することが重要である。磁界が無い場合に流れる出力量１１０、１２０に相対的にこの変化が大きくなればなるほど、小さな磁界１４もより良く測定することができる。したがってＬＭＴ素子の感度を比η＝（磁界１４が隣接する場合の出力量１１０、１２０の差の絶対値）／（磁界１４がない場合の出力量１１０、１２０の和の絶対値）として規定することができる。入力量１００、すなわち例えばエミッタ２０における入力電流が損失なく２つの出力量１１０、１２０に分割されたとすると、個々のセンサ素子には以下のことが当てはまる。すなわち
第１の出力量１１０＝α＊入力量１００
第２の出力量１２０＝（１−α）＊入力量１００
ここで、磁界が無く理想的に対称である場合での非対称係数αは、α＝０．５０である。
【００１６】
ここでαは磁界に依存しており、この磁界はまた文字「Ｂ」として表される。磁界によって変化する非対称係数αは、α（Ｂ）と表される。磁界のない出力状態ではα＝α（０）である。
【００１７】
参照記号で表していない、垂直コレクタ端子７への第３の基板コレクタ電流が存在する場合には、出力量すなわち横方向の電流１１０、１２０の成分が第３の垂直電流通路の低減に応じて減少する。すなわち入力量１００としてエミッタ電流１１ではなく、垂直コレクタ７へと流れる基板電流を差し引いたエミッタ電流１１が使用される。個々のＬＭＴ素子１に対しては測定感度ηが生じる。ここでηはα（０）＝０．５０として、η＝｜２＊α（Ｂ）−１｜である。
【００１８】
磁界１４が存在する場合にαは、ＬＭＴ１の表面に並行に延在する磁界１４の成分を有する場の方向に応じて線形に増加ないし減少する。
【００１９】
図３には、磁界センサ手段の本発明による装置が図示されている。全部で、第１の磁界センサ手段１０１、第２の磁界センサ手段２０１、第３の磁界センサ手段３０１、第４の磁界センサ手段４０１及び第５の磁界センサ手段５０１が図示されている。第１の磁界センサ手段１０１の入力量は参照記号１００で表されている。出力量として第１の磁界センサ手段１０１は、第１の出力量１１０及び第２の出力量１２０を有する。第２の磁界センサ手段２０１は参照記号２００で表された入力量を有し、また出力量として第２の磁界センサ手段２０１の第１の出力量２１０及び第２の出力量２２０を有する。相応に第３の磁界センサ手段３０１は入力量を有し、この入力量は参照記号３００で表されている。出力量として第３の磁界センサ手段３０１は第１の出力量３１０及び第２の出力量３２０を有する。第４の磁界センサ手段は参照記号４００で表された入力量と、参照記号４１０で表された第１の出力量と、参照記号４２０で表された第２の出力量とを有する。第５の磁界センサ手段５０１は参照記号５００で表された入力量と、参照記号５１０で表された第１の出力量と、参照記号５２０で表された第２の出力量とを有する。
【００２０】
本発明によれば、第１の磁界センサ手段１０１の第１の出力量１１０は、第２の磁界センサ手段２０１の入力量２００として使用され、第１の磁界センサ手段１０１の第２の出力量１２０は第３の磁界センサ手段３０１の入力量３００として使用される。第１、第２及び第３の磁界センサ手段１０１、２０１及び３０１が隣接する磁界１４に依存して、出力量１１０及び１２０ないし２１０及び２２０ないし３１０及び３２０の実質的に同じ相対的な不均衡を惹起する場合には、第２の磁界センサ手段の第１の出力量２１０と第３の磁界センサ手段３０１の第２の出力量３２０との間の相対的な不均衡は、第１の磁界センサ手段１０１の第１の出力量１１０と第１の磁界センサ手段１０１の第２の出力量１２０との間の不均衡よりも大きい。したがって同一の磁界１４が隣接する場合には、第１の磁界センサ手段１０１と第２の磁界センサ手段２０１及び第３の磁界センサ手段３０１とを合わせて構成された装置の感度は、第１の磁界センサ手段１０１だけの感度よりも大きい。
【００２１】
すなわち第１の磁界センサ手段１０１を基礎としてさらに磁界センサ手段２０１、３０１、４０１、５０１を付け加えることによって、磁界センサ手段をカスケードにする本発明の可能性が生じる。そのようにしてカスケードにする際には、第１の磁界センサ手段１０１はそれだけでいわばカスケードの第１の段を表し、第２の磁界センサ手段２０１及び第３の磁界センサ手段３０１はカスケードの第２の段を表し、第１の磁界センサ手段１０１と第２の磁界センサ手段２０１及び第３の磁界センサ手段３０１とを合わせて２段カスケード７０を形成する。相応に全部で５つの磁界センサ手段１０１、２０１、３０１、４０１、５０１は磁界センサ手段の３段カスケード８０を表す。本発明によれば、任意の個数のカスケード段を設けることができる。便宜上例示的に、最初の３つのカスケード段のみが図示されている。
【００２２】
カスケード段の個数によって、要求に応じて本発明の装置の種々の感度を表すことができる。横型磁界センサ手段１０１、２０１、３０１、４０１、５０１の直列接続をモノリシックに、すなわち１つのチップ上で実現することができる。ＬＭＴカスケードチップは例えば、磁界センサ手段カスケードに関して非常に大きな測定領域をカバーすることができ、この測定領域に対しては通常の従来技術によれば異なるセンサ素子を使用しなければならない。異なる感度領域をカバーする異なるセンサ素子を用いるそのような装置では、これら個々のセンサをそれぞれ例えば評価ＩＣを介して制御することによって異なる測定領域に適合させなければならない。このことは例えば、評価すべき信号を種々に増幅させることによって行われることになる。しかしながらこれによって信号ノイズ比は改善されないであろう。本発明によれば、本発明によって提案される磁界センサ手段のカスケード接続は、各測定強度においてセンサのそれぞれ適切な感度領域を判定及び評価することができるという利点を有する。
【００２３】
本発明によれば、複数の磁界センサ手段ないし複数のＬＭＴ構成部材のカスケードは、本発明の装置の測定感度を高めるために使用される。磁界１４の作用は以下のことにより強められる。すなわち、磁界１４によって変化されたＬＭＴ素子の出力電流はそれぞれ次のＬＭＴ素子のための入力電流として使用され、したがって新たに磁界作用の影響を受けることによって高められる。磁界センサ手段のｎ重カスケードでは、測定感度ηがカスケードの磁界センサ手段の最後の２つのカスケード素子の電流差から以下のように計算される。
【００２４】
【数１】

【００２５】
カスケードによって得られる感度の上昇を最良に、ｎ重カスケード（η_ｎ）と個々の素子（η_１）の感度との比として表すことができる
【００２６】
【数２】

【００２７】
理想的にα（０）を０．５０と立てた場合には、次式が生じる。
【００２８】
【数３】

【００２９】
小さい磁界、すなわちαがほぼ０．５０と等しい磁界に関して、感度はカスケード段の個数と共に線形に上昇する。磁界センサ手段を直列接続すればするほど、ないし磁界１４が大きくなればなるほど、感度η_ｎは急速に上昇する。カスケード接続の欠点として、２段以上のカスケードに対しては測定信号と磁界との間の線形の関係に損失が生じる。しかしながら非線形性を、一方では測定信号の評価の際に考慮することができ、他方では非線形性はαが０．５０強、すなわち大きい磁界に対して偏差したときに初めて顕著となる。しかしながら本発明によれば、小さい場に対する感度の上昇を達成し、カスケード接続は、例えばαがほぼ０．５０と等しい領域において使用されることが特に本発明の課題である。この領域においては磁界センサ手段の本発明のカスケード回路は線形の特性を有し、何故ならばα＝０．５０としてη_ｎ＝ｎ＊η_１の関係が生じ、感度はカスケード段の個数ｎと共に線形に増加する。
【００３０】
本発明のカスケード回路を個々のＬＭＴ素子を用いても、１つのチップ上で個々のＬＭＴ節を相応に結合することによっても実現することができる。制御を例えばＡＳＩＣによって行うことができる。測定信号を種々のカスケード段において取り出すことも可能であり、感度の要求に応じて評価すべきカスケードの階層を選択することができる。さらに異なるカスケード段のＬＭＴ動作点を、例えばそれぞれのベース電流を選択することによって、相互に依存せずに調整することができ、これによって場合によってはオフセット作用または温度作用を補償することができる。原則的に種々の素子の各動作点を別個に調節される可能性によって、本発明の装置を殊にフレキシブルに様々な制御ないし評価構想と組み合わせることができる。
【００３１】
直列接続するために、出力量としてのコレクタ電流及び入力量としてのエミッタ電流を使用できるだけでなく、連続する素子の出力側としての２つのエミッタ及び入力側としての１つのコレクタも使用することができる。連続する素子に対するベース入力側としての出力電流を使用する第３の可能性は、それどころか感度をより一層高めることを約束する。
【００３２】
典型的にはＬＭＴ素子の縁の長さは、１つのチップ上では現在約５０から１００μｍである。したがってそのような素子を、ＬＭＴ素子がブロック毎に隣接して配置されるか、またはチップ上の別の装置に配置されることによって、カスケードにすることは容易に達成できる。ここでは、チップ上の種々のＬＭＴ素子の場所における測定すべき磁界１４がほぼ等しい、すなわち磁界１４が測定に使用されるチップ領域にわたり均一であるとする。このことはセンサ素子が前述のように調節される場合には、十分に妥当性のある仮定である。
【図面の簡単な説明】
【図１】
横型のマグネットトランジスタによる磁界センサ手段である。
【図２】
磁界センサ手段の概略図である。
【図３】
複数の磁界センサ手段の本発明による装置である。

Claims (9)

1. 第１の磁界センサ手段（１、１０１）を用いて磁界（１４）をセンシングする装置において、
   少なくとも１つの第２の磁界センサ手段（２０１）と１つの第３の磁界センサ手段（３０１）とが設けられており、
   前記第１の磁界センサ手段（１０１）の第１の出力量（１１０）は第１の入力量（２００）であり、
   前記第１の磁界センサ手段（１０１）の第２の出力量（１２０）は第２の入力量（３００）であり、
   前記第１の入力量（２００）は前記第２の磁界センサ手段（２０１）に対する入力量（２０１）であり、
   前記第２の入力量（３００）は第３の磁界センサ手段（３０１）に対する入力量であることを特徴とする、磁界（１４）をセンシングする装置。
2. 第４の磁界センサ手段（４０１）及び第５の磁界センサ手段（５０１）が設けられており、
   前記第２の磁界センサ手段（２０１）の出力量（２１０）は、該第４の磁界センサ手段（４０１）の入力量に相応し、
   前記第３の磁界センサ手段（３０１）の出力量（３２０）は、該第５の磁界センサ手段（５０１）の入力量に相応する、請求項１記載の装置。
3. 前記第１の磁界センサ手段（１０１）は第１の横型マグネットトランジスタ（１０１）であり、
   前記第２の磁界センサ手段（２０１）は第２の横型マグネットトランジスタ（２０１）であり、
   前記第３の磁界センサ手段（３０１）は第３の横型マグネットトランジスタ（３０１）である、請求項１または２記載の装置。
4. 前記第１の出力量（１１０）は第１のコレクタ電流であり、
   前記第２の出力量（１２０）は第２のコレクタ電流であり、前記第１の入力量（２００）は前記第２の横型マグネットトランジスタ（２０１）のエミッタ電流であり、
   前記第２の入力量（３００）は前記第３の横型マグネットトランジスタ（３０１）のエミッタ電流である、請求項３記載の装置。
5. 前記第１の出力量（１１０）は第１のエミッタ電流または第１のエミッタ電圧であり、
   前記第２の出力量（１２０）は第２のエミッタ電流または第２のエミッタ電圧であり、
   前記第１の入力量（２００）は前記第２の横型マグネットトランジスタ（２０１）のコレクタ電流またはコレクタ電圧であり、
   前記第２の入力量（３００）は前記第３の横型マグネットトランジスタ（３０１）のコレクタ電流またはコレクタ電圧である、請求項３記載の装置。
6. 前記磁界センサ手段（１０１、２０１、３０１、４０１、５０１）はモノリシックに統合されて設けられている、請求項１から５のいずれか１項記載の装置。
7. 評価回路が設けられており、該評価回路は前記磁界（１４）に依存して前記第１の磁界センサ手段（１０１）の出力量（１１０、１２０）または前記第２の磁界センサ手段（２０１）の第１の出力量（２１０）及び前記第３の磁界センサ手段（３０１）の第２の出力量（３２０）を評価する、請求項１から６のいずれか１項記載の装置。
8. 請求項１から７のいずれか１項記載の装置を備えることを特徴とする、磁界測定器。
9. 請求項１から８のいずれか１項記載の装置を備えることを特徴とする、電流測定器。