JP2007180215A - 集積型ホールセンサ - Google Patents

Abstract

【課題】複数のホール素子を高集積に配置可能な集積型ホールセンサを提供する。
【解決手段】ホール素子アレイ３０−３８は、ロウ配線１０−１２とカラム配線２０−２２の交点にアレイ状に配置される。そして、ロウ配線においてホール素子の制御電流端子が直列に接続されている。一方、カラム配線において隣り合うホール素子の電圧出力端子の間を開閉制御するためにトランジスタ３０−３８がその間に設けられている。このトランジスタのゲート端子には、トランジスタのＯＮ／ＯＦＦをカラム配線毎に選択可能なゲートセレクタ１が接続される。また、ロウ配線への電流入力を個々に選択するために、入力電流セレクタ２がロウ配線に接続される。さらに、カラム配線からの電圧出力を個々に選択するために出力電圧セレクタ３がカラム配線に接続される。
【選択図】図３

Description

本発明は集積型ホールセンサに関し、特に、端子数を減らすことで集積度を高めた集積型ホールセンサに関する。

近来、磁性微粒子を用いた生理活性物質の検出システムが世界各国で研究開発されている。これらの多くは、磁性微粒子からの微小な磁界を検出する磁気センサとして、巨大磁気抵抗素子（ＧＭＲ）を用いている（特許文献１等）。また、複数の磁気センサを集積して配置し、それぞれ異なるレセプタを磁気センサ上に設け、複数の種類の磁性微粒子を同時に測定するシステムも開発されている。しかしながら、ＧＭＲセンサには、感度が低いという問題があり、より高感度で測定が可能なシステムの開発が望まれていた。

そこで、生理活性物質検出システムの磁気センサとして、ホール素子を用いたものが研究されている（特許文献２）。ここで、ホール素子とは、ホール効果を利用した磁気センサであり、磁界を電気信号（電圧）に変換して出力するものである。

特表２００３−５２４７８１号公報 特開２００５−１８８９５０号公報

しかしながら、複数の磁気センサを集積した検出システムにおいて、その磁気センサとしてホール素子を用いた場合には、センサの感度は高いものの、集積率が低いという問題があった。これは、ホール素子には２つの制御電流端子と２つの電圧出力端子が必要なため、端子数が膨大になってしまうためである。図１に、従来のホール素子を用いた集積型ホールセンサを示す。図示のように、ホール素子３００−３０８をアレイ状に配置した場合、各ホール素子に４つの端子が必要となる。このとき、ホール素子の数をｎとすると、端子数は４ｎとなる。このような多数の配線が集積率を上げる妨げになっていた。

また、磁性微粒子を測定する場合、磁性微粒子がセンサの検出部上に多く集まれば集まるほどより正確な検出が可能となるが、ホール素子アレイの集積率が低いと、センサとセンサの間の無駄な領域が多くなり、測定時間や測定精度に悪影響を及ぼしていた。

本発明は、斯かる実情に鑑み、複数のホール素子を高集積に配置可能な集積型ホールセンサを提供しようとするものである。

上述した本発明の目的を達成するために、本発明による集積型ホールセンサは、ロウ配線とカラム配線の交点にアレイ状に配置される複数のホール素子からなるホール素子アレイであって、ロウ配線又はカラム配線の一方の配線においてホール素子の制御電流端子又は電圧出力端子の一方が直列に接続されるホール素子アレイと、ロウ配線又はカラム配線の他方の配線において隣り合うホール素子の制御電流端子又は電圧出力端子の他方の間を開閉制御するトランジスタと、各トランジスタのゲート端子に接続され、トランジスタのＯＮ／ＯＦＦをロウ配線又はカラム配線の他方の配線毎に選択可能なゲートセレクタと、
ロウ配線又はカラム配線の一方の配線に接続され、該ロウ配線又はカラム配線の一方の配線への電流入力を個々に選択可能な入力電流セレクタと、ロウ配線又はカラム配線の他方の配線に接続され、該ロウ配線又はカラム配線の他方の配線からの電圧出力を個々に選択可能な出力電圧セレクタと、を具備するものである。

ここで、半導体基板は、２次元電子ガス層を有していても良い。

また、半導体基板は、ＭＯＳ構造を有していても良い。

本発明の集積型ホールセンサには、端子数を減らすことにより配線が減り、高集積化が可能であるという利点がある。高集積化が可能であるため、本発明の集積型ホールセンサを生理活性物質検出システムに用いた場合には、極めて効率良く測定が可能となるという利点もある。

以下、本発明を実施するための最良の形態を図示例と共に説明する。図２は、本発明の集積型ホールセンサの概念を説明するための概略模式図である。ロウ配線１０−１２とカラム配線２０−２２が交わる交点にホール素子３０−３８が配置され、これがアレイ状に構成されている。そして、カラム配線２０−２２において隣り合うホール素子の間に、トランジスタ４０−４５が形成されている。このトランジスタをＯＮ／ＯＦＦ制御することにより、隣り合うホール素子間の接続を開閉制御している。

以下、具体的に各ホール素子からそれぞれ出力電圧を取り出す手順について説明する。なお、図示例ではロウ配線、カラム配線は３本ずつ示しているが、本発明はこれに限定されず、より多くの、又はより少ない配線により構成されても良いことは勿論である。

図２において、例えばホール素子３４の出力電圧を測定したい場合には、トランジスタ４０，４２，４３，４５をＯＦＦにし、トランジスタ４１，４４をＯＮにする。そして、ロウ配線１１に制御電流を印加し、カラム配線２１からの出力電圧を測定することで、ホールセンサとして動作可能となる。なお、実際に測定する場合には、ホール素子に垂直な磁場を加えた上で、出力される電圧を測定することになる。

なお、上記の例ではトランジスタをカラム配線において隣り合うホール素子間に配置したが、本発明はこれに限定されず、逆にロウ配線において隣り合うホール素子間にトランジスタを配置しても良い。さらに、カラム配線及びロウ配線の両方において、隣り合うホール素子間にトランジスタを配置しても良い。また、ロウ配線に制御電流を印加し、カラム配線から出力電圧を検出する例を説明したが、本発明はこれにも限定されず、カラム配線に制御電流を印加し、ロウ配線から出力電圧を検出するものであっても構わない。

このように構成された本発明の集積型ホールセンサでは、ホール素子の数をｎとすると、端子数はｎ＋３√ｎとなり、従来の端子数（４ｎ）に比べて大幅に端子数を減らすことが可能となる。したがって、より集積率を高くすることが可能となる。

以下、より具体的に、トランジスタとホール素子の関係を回路図を用いて説明する。図３は、本発明の集積型ホールセンサの配線構成を説明するための回路図である。図示のように、カラム配線において隣り合うホール素子の間に、例えばＭＯＳ構造のトランジスタが挿入されている。例えばホール素子３０とホール素子３３の間にＭＯＳトランジスタ４０が挿入され、ホール素子３０の一端子がＭＯＳトランジスタ４０のドレイン端子に接続され、ホール素子３３の一端子がＭＯＳトランジスタ４０のソース端子に接続されている。ＭＯＳトランジスタのゲート端子は、それぞれゲートセレクタ１に接続されている。ゲートセレクタ１は、所定のゲート電圧源（図示せず）が接続され、ゲート電圧源からの電圧を各トランジスタのゲートに選択的に印加可能なものであり、これによりトランジスタのＯＮ／ＯＦＦを選択するものである。なお、図示例ではカラム配線毎にトランジスタを選択できるように、同じカラム配線のトランジスタのゲート端子がそれぞれ接続されてゲートセレクタ１に接続されている。但し、本発明はこれに限定されず、それぞれのトランジスタを個々に制御できるように構成しても勿論構わない。

そして、ロウ配線には、ホール素子のための電流入力を個々に選択可能な入力電流セレクタ２が接続されている。入力電流セレクタ２には、所定の制御電流源（図示せず）が接続され、制御電流源からの電流入力を制御電流端子に選択的に印加可能なものである。図示例では、入力電流セレクタ２により選択されたロウ配線の１本にのみ制御電流を入力し、他のロウ配線には電流が流れないようにしている。

また、カラム配線には、ホール素子の電圧出力を個々に選択して取り出すための出力電圧セレクタ３が接続されている。出力電圧セレクタ３には、電圧計４が接続され、ホール素子の電圧出力端子を選択的に電圧計４に接続可能なものである。そして、電圧計４により、選択されたホール素子における出力電圧を測定する。図示例では、出力電圧セレクタ３により選択されたカラム配線の１本からの電圧出力のみを電圧計４に接続し、他のカラム配線は電圧計に接続されないようにしている。

これらのゲートセレクタ１、入力電流セレクタ２、出力電圧セレクタ３は、共に複数のスイッチ回路等からなるものであれば良い。

なお、上記の実施例では、ロウ配線に入力電流セレクタ２を接続し、カラム配線に出力電圧セレクタ３を接続した例を示したが、本発明はこれに限定されず、カラム配線に入力電流セレクタ２を接続し、ロウ配線に出力電圧セレクタ３を接続したものであっても構わない。ホール素子の原理として、制御電流端子と電圧出力端子はどちらであっても構わないからである。図４に、この場合の回路図を示す。図４は、本発明の集積型ホールセンサの他の配線構成を説明するための回路図である。図中、図３と同一の符号を付した部分は同一物を表わしており、重複説明は省略する。

また、トランジスタの挿入位置に関しても、カラム配線において隣り合うホール素子の間ではなく、ロウ配線において隣り合うホール素子の間に設けるようにしても、さらにはその両方の間に設けるようにしても勿論構わない。

次に、本発明の集積型ホールセンサの具体的な層構造を説明する。ホール素子の出力電圧は、それに用いられる材料の移動度やホール係数に依存しており、材料の移動度が大きければそれだけホール出力電圧も大きくなる。したがって、ホール素子には、一般的に移動度の大きいＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体が用いられている。本発明の集積型ホールセンサに用いられる半導体基板の構成を図５に示す。なお、同図に示す基板構成は、あくまでも一例であって、ホール素子とトランジスタを半導体基板上に形成可能なものであれば、いかなる構造であっても構わない。また、図に示した各層の厚み等も単なる一例であり、これに限定されるものではない。また、図示例では２次元電子ガス層を有する半導体基板を示しているが、例えばＳｉを用いたＭＯＳ構造を有するものであっても良い。

図示のとおり、半絶縁性ＧａＡｓ基板上にバッファ層が形成され、その上にＧａＡｓ層が形成されている。そして、トランジスタをＨＥＭＴ構造で構成するために、２次元電子ガス層（２ＤＥＧ）を有している。より具体的には、図示例ではＩｎＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ層により２次元電子ガス層を構成している。なお、２次元電子ガス層は、例えばＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ系、ＧａＮ／ＡｌＧａＮ系、ＩｎＡｓ／ＧａＳｂ／ＡｌＳｂ系、ＳｉＧｅ／Ｓｉ系、ＳｉＣ／Ｓｉ系、ＣｄＴｅ／ＨｇＴｅ／ＣｄＴｅ系、ＩｎＧａＡｓ／ＩｎＡｌＡｓ／ＩｎＰ系、ナノ結晶シリコンを用いたヘテロ構造等、ピンチオフが可能な構造であれば如何なるものであっても構わない。

このような構造の半導体基板上に、ホール素子の材料としてＧａＡｓを形成した。このような層構造とすることで、ホール素子とトランジスタを同一基板上に高集積度で形成可能となる。なお、上述したように、ＭＯＳ構造を用いてトランジスタを構成しても良い。

なお、本発明の集積型ホールセンサは、上述の図示例にのみ限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。

図１は、従来のホール素子を用いた集積型ホールセンサの概略平面図である。 図２は、本発明の集積型ホールセンサの概念を説明するための概略模式図である。 図３は、本発明の集積型ホールセンサの配線構成を説明するための回路図である。 図４は、本発明の集積型ホールセンサの他の配線構成を説明するための回路図である。 図５は、本発明の集積型ホールセンサに用いられる半導体基板の層構造を説明するための断面図である。

符号の説明

１ ゲートセレクタ
２ 入力電流セレクタ
３ 出力電圧セレクタ
４ 電圧計
１０−１２ ロウ配線
２０−２２ カラム配線
３０−３８ ホール素子
４０−４５ トランジスタ

Claims (3)

1. 半導体基板上の集積型ホールセンサであって、該センサは、
   ロウ配線とカラム配線の交点にアレイ状に配置される複数のホール素子からなるホール素子アレイであって、ロウ配線又はカラム配線の一方の配線においてホール素子の制御電流端子又は電圧出力端子の一方が直列に接続されるホール素子アレイと、
   前記ロウ配線又はカラム配線の他方の配線において隣り合うホール素子の制御電流端子又は電圧出力端子の他方の間を開閉制御するトランジスタと、
   各トランジスタのゲート端子に接続され、トランジスタのＯＮ／ＯＦＦを前記ロウ配線又はカラム配線の他方の配線毎に選択可能なゲートセレクタと、
   ロウ配線又はカラム配線の一方の配線に接続され、該ロウ配線又はカラム配線の一方の配線への電流入力を個々に選択可能な入力電流セレクタと、
   ロウ配線又はカラム配線の他方の配線に接続され、該ロウ配線又はカラム配線の他方の配線からの電圧出力を個々に選択可能な出力電圧セレクタと、
   を具備することを特徴とする集積型ホールセンサ。
2. 請求項１に記載のセンサにおいて、前記半導体基板は、２次元電子ガス層を有することを特徴とする集積型ホールセンサ。
3. 請求項１に記載のセンサにおいて、前記半導体基板は、ＭＯＳ構造を有することを特徴とする集積型ホールセンサ。