JP2007303967A - 磁気センサとこれを用いるセンサ、半導体集積回路および装置 - Google Patents

Abstract

【課題】磁性素子のもつ感度バラツキ、温度変動をともに補正し、磁気感度の変動を極力抑える。
【解決手段】磁界が印加され、磁性素子１に発生した電圧を検出する２つの端子の電圧が等しくなるように、外部電流で調整し、両端子の電位が等しくなったときの信号端子の電流ＩＬを直接取り出し、磁性素子１外の抵抗により電圧に変換する。磁界印加時の信号端子の電流ＩＬは、印加された磁界の磁束に比例するが、その大きさは、磁性素子１に流している電流に比例するので、磁性素子１を電圧駆動している場合は、磁性素子１を形成する抵抗成分（磁性素子１の内部抵抗Ｒ１，Ｒ２）と同様な抵抗成分の抵抗をオペアンプ４，５の帰還抵抗６，７として使用することで、温度，バラツキによる変動を新たなバラツキ要因を招くことなく軽減する。
【選択図】図１

Description

本発明は、磁気センサに係り、特に、その感度のバラツキ、温度による変動を軽減した磁気センサとこれを用いるセンサ、半導体集積回路および装置に関するものである。

近年、半導体磁気センサは幅広い分野で使用されている。そして、その分野の広がりとともに精度の良い検出感度を求められるようになっている。その要求は、感度絶対値のバラツキの低減、温度変動の低減、調整とさまざまである。

しかしながら、現在最も一般的に使われているホール効果を利用した磁気センサにおいて、取り出すホール電圧には、ホール素子を形成する半導体のキャリアの移動度の変動、もしくは濃度の変動に伴う感度のバラツキが存在する。

ホール素子として、本発明と同様に半導体磁性素子が良く使われるが、その磁気効果であるホール電圧Ｖｈは、電流駆動の場合（数１）、電圧駆動の場合（数２）

で示される。ただし、（数１），（数２）において、ｅは電荷、ｎは濃度、Ｂは磁束、ｄは素子の厚さ、μは移動度、Ｌは素子のバイアス印加方向の長さ、ｗは素子の長さＬに直交する信号端子間方向の長さである。

このように、（数１）に示す信号は駆動電流が一定であっても、最も大きなもので濃度ｎの絶対値バラツキをもつ。また、（数２）に示す信号は駆動電圧が一定であっても、最も大きなもので移動度μの温度変動をもつ。

図１３に磁性素子とオペアンプを使った増幅器を使用した一般的な磁気センサの構成図を示す。図１３に示すように、オペアンプ４と２本の抵抗Ｒ１００，Ｒ１０１により増幅回路を構成するが、その増幅率は抵抗Ｒ１００，Ｒ１０１の比で決定する。

このように電気信号を増幅する場合、オペアンプ以外のものを使用した増幅回路においても必ず、増幅率の決定に何らかの抵抗成分の比を使用する。この抵抗成分には、いろいろな抵抗成分が使用できるが、半導体集積回路で最も多く利用されるのは拡散抵抗である。その他にも、トランジスタのＰＮジャンクションやＭＯＳトランジスタのＯＮ抵抗などいろいろ存在する。

そこで、センサ等の信号を増幅するための増幅回路では、例えばホールセンサではホール素子を形成する拡散層、もしくはホール電流を決定している抵抗など、感度にバラツキ要因として影響する抵抗のパラメータ変動をキャンセルさせるように増幅回路を構成し、感度バラツキの変動を抑えることが行われる。

その方法の一例として、図１３において増幅率を決める抵抗比を構成する２つの抵抗の一方、この場合は抵抗Ｒ１０１にホール素子の抵抗成分と同種の抵抗を使用し、他方の抵抗は温度変動の小さい抵抗成分を用いることが多い。

拡散抵抗の抵抗値Ｒのプロセスパラメータ依存は、式で示すと（数３）

のように示され、
また、図１３に示す、増幅器（オペアンプ４）の増幅率Ａは（数４）

の抵抗Ｒ１００，Ｒ１０１の比で示すようになる。

もし、（数２）で示される信号の移動度μの温度変動を増幅する過程で、相殺させたい場合は、（数４）で示される式中の抵抗Ｒ１０１に（数２）に含まれる移動度と同等の移動度をもつ、すなわち磁性素子１を構成するのと同じ拡散層で作られた抵抗を使用すれば、磁気感度はセンサに流れる電流（１／Ｒ ∝ μ成分）に比例することから、増幅された信号は電圧変換により電流×抵抗の積で表され、問題としている移動度μは式中で消去されるので、この移動度μに起因するバラツキ，変動は増幅過程でキャンセルされる。
特許第３３６２８５８号公報

しかしながら、前述したように、磁性素子の抵抗分、または磁性素子に流す電流を決定している抵抗分の濃度変動、温度変動を軽減することができるが、増幅率を決める比を形成する２つの抵抗分、図１３では抵抗Ｒ１００，Ｒ１０１に異種の抵抗を使うことになり、その構成のため、２つの異種抵抗の絶対値どうしのバラツキによる増幅度のバラツキという、新たな変動増加要因が生じてしまうという問題があった。

本発明は、前記背景技術の問題を解決することに指向するものであり、磁気効果を信号端子より電流信号として取り出し、磁性素子もしくは磁性素子の駆動電流を決定する抵抗と同種の抵抗により直接電圧に変換して、磁性素子のもつ感度バラツキ、温度変動をともに補正し、磁気感度の変動を極力抑えることができる磁気センサとこれを用いるセンサ、半導体集積回路および装置を提供することを目的とする。

前記の目的を達成するために、本発明に係る請求項１に記載した磁気センサは、磁気効果の有無を差動信号として取り出す２つの信号端子をもつ磁性素子部と、２つの信号端子を同電位に保つとともに、信号端子から磁気効果信号を電流として取り出し、電圧信号に変換する信号処理回路とを備え、磁性素子部の端子から磁界が印加されたときの磁気効果を示す信号を、２つの信号端子を同電位に保ちながら電流信号として取り出すことを特徴とする。

また、請求項２に記載した磁気センサは、請求項１の磁気センサであって、信号処理回路の電流−電圧変換機能における変換比に温度依存をもたせ、磁性素子部の信号端子から取り出す電流信号の温度係数もしくは検出対象の外的磁界の温度変動、または両方の温度に係る変動に対して温度補償を行うことを特徴とする。

また、請求項３に記載した、請求項１，２の磁気センサであって、磁性素子部に電流源を備え、磁性素子部の信号端子に電流を流し込むことにより、磁性素子部の動作点の調整、オフセットの調整を行い磁性素子部の駆動条件を設定することを特徴とする。

また、請求項４に記載したセンサは、請求項１〜３のいずれか１項に記載の磁気センサの少なくとも１以上の機能を用いることを特徴とする。

また、請求項５に記載した半導体集積回路は、請求項４記載のセンサを搭載したことを特徴とする。

また、請求項６に記載した装置は、請求項５記載の半導体集積回路を搭載し、磁気検出機能を有することを特徴とする。

前記構成の磁気センサは、磁性素子から信号を取り出す２つの信号端子の電位を同電位（ショート状態）にし、同電位に保たれた２つの信号端子から磁性素子内に駆動電流と直交方向に磁気効果により生じる電流を取り出し、取り出した電流を電圧に変換する機能により、磁性素子から磁気効果による電流を直接取り出し、この取り出した電流を磁性素子もしくは磁性素子を駆動する電流を決める抵抗と同種の抵抗により直接電圧に変換することで磁気感度の変動を抑えた変換ができる。

また、この磁気センサを用いたセンサ、半導体集積回路および装置において、安定した磁気信号の検出を行うことができる。

本発明によれば、磁気効果を信号端子より電流信号として取り出し、この取り出した電流を、磁性素子もしくは磁性素子の駆動電流を決定する抵抗と同種の抵抗により直接電圧に変換することにより、磁気感度のバラツキや温度変動の両方を極力抑えることができるという効果を奏する。

以下、図面を参照して本発明における実施の形態に係るセンサ技術について、図面を参照しながら詳細に説明する。

図１は本発明の実施形態１における磁気センサの概略構成を示す図である。図１に示すように、磁気センサは、磁性素子１と２つの信号端子２，３の電位を同電位に保つ、第１，第２の演算回路であるオペアンプ４，５を備え、その同電位に保持した信号端子２，３から磁気効果により発生した電流信号ＩＬを、演算回路（オペアンプ４，５）の出力端子−反転入力端子間のフィードバック電流として取り出す構成である。

オペアンプ４，５の出力端子と反転入力端子との間には帰還抵抗６，７がそれぞれ接続されるとともに、オペアンプ４，５の反転入力端子は磁性素子１の信号端子２，３に接続される。また、信号端子２，３への接続は逆でも良い。

本実施形態１においては、オペアンプ４，５の非反転入力端子が、共通電位であるバイアス電圧（ＶＢ）８に接続され、この電位は任意で良いが磁性素子１の信号端子２，３の開放電圧もしくはそれに近い電圧が好ましい。

オペアンプ４，５のそれぞれの反転，非反転入力端子間は同電位（イマージナリーショート）となるため、磁性素子１の信号端子２，３も同電位（イマージナリーショート）に保たれる。

例えば、仮に図２の模式図に示すような状態で磁性素子１に磁界が加わると、ローレンツ力によりキャリアｅ’が電子の場合は図２に示すように信号端子３側に向かう横方向の移動をもちながら磁性素子１内を移動し、本実施形態１では信号端子２，３をショート状態に保つため、横方向のキャリアの移動は、磁性素子１の２つの信号端子２，３に電流ＩＬとなって現れる。

この信号端子の電流ＩＬは両端子を同電位に保持するために設けられた、オペアンプ４，５のそれぞれの出力端子−反転入力端子間の帰還電流として吸収され、このとき、帰還抵抗６，７には、電流ＩＬに相応の電圧が発生し、オペアンプ４，５より電圧信号に変換され、取り出すことができる。このように、本実施形態１では磁性素子１への磁界印加時に生じるこの横方向の信号端子２，３の電流ＩＬを信号として利用する。

その動作機構を説明すると、例えば磁界が印加され、磁性素子１に発生した電圧を電圧計で検出するだけの機構であれば、センサをホール素子として、ホール電圧を検出する、既存の技術と同様であるが、２つの信号端子２，３の電圧が等しくなるように、外部電流で調整し、両信号端子２，３の電位が等しくなった時点で、ホール電圧は消滅しており、そのときの信号端子２，３の電流ＩＬを直接取り出し、磁性素子１外の抵抗により電圧に変換する。

ここで、磁界印加時の信号端子の電流ＩＬは、ホール効果と同様に印加された磁界の磁束に比例するが、その大きさは、磁性素子１に流している電流に比例するので、図１に示す磁性素子１を電圧駆動している場合は、磁性素子１を形成する抵抗成分（磁性素子１の内部抵抗Ｒ１，Ｒ２）と同様な抵抗成分の抵抗をオペアンプ４，５の帰還抵抗６，７として使用することで、温度，バラツキによる変動を新たなバラツキ要因を招くことなく軽減できる。

温度依存については複雑な現象なので、代表的な形状のサンプルを評価した結果を図３に示す。図３に示すように、磁性素子の抵抗分と一定磁界下での検出信号の温度依存は同じぐらいの大きさの依存値をもち、反比例の関係が確認された。

また、磁性素子１からの磁気効果による信号端子の電流ＩＬは、磁性素子１の駆動電流Ｉと磁束Ｂに比例するので、磁性素子１を形成する半導体のキャリアの電荷ｅ，移動度μ，濃度ｎ，磁束Ｂにより生じる信号端子の電流ＩＬは（数５）

のような関係にあり、また、抵抗値Ｒは電荷ｅ，移動度，濃度に反比例し、（数６）

のような関係にあるので、取り出した信号端子の電流を、磁性素子を形成する抵抗成分と同じ抵抗で電圧に変換すれば、（数５），（数６）の積の関係にあるとから、プロセスパラメータのバラツキに対しても軽減することが分かる。

このように、本実施形態１によれば、従来技術の課題である、新たなバラツキ要因が発生することなく、温度変動，プロセスパラメータのバラツキの両方を同時に補正することが可能となる。

なお、本実施形態１の説明では、磁性素子内のキャリアｅ’に電子を用いて説明したが、ホール素子の場合であっても、検出電流の向きが、さらには、変換後の電圧の向きが逆になるだけであり、技術的には同様なものである。また、図２に示した説明には外部印加磁界にＮ極を用いたが、Ｓ極であっても技術的には同様にセンサを実現できる。

また、磁性素子１は長方形でも、正方形でも任意の多角形で良く、２つの電流駆動、もしくは電源電圧の印加端子と２つの信号端子２，３が存在すれば良い。また実施形態１に示す磁性素子１は電圧駆動であるが電流駆動でもよく、その電流を決定している抵抗について考慮すれば良い。

また、図４に示すように、２つの信号端子２，３を同電位に保ち、信号端子の電流を取り出し、電圧に変換する機能を実現するための演算回路（オペアンプ４ａ）は、差動入力差動出力のものを利用しても可能である。

また、図５に示すように、演算回路（オペアンプ４のみ）を１つで、信号端子２，３を同電位に保ち、信号端子の電流ＩＬの取り出しは一方の端子のみでも良い。

また、図１中のバイアス電圧８の電圧値は、任意に設定してよいが、磁性素子１の２つの信号端子２，３を開放したときの端子電圧もしくはその付近の電圧が望ましい。

図６は本発明の実施形態２における磁気センサの概略構成を示す図である。図６に示すように、本実施形態２では前述の実施形態１の図１で説明した帰還抵抗６，７を帰還抵抗６ａ，６ｂおよび帰還抵抗７ａ，７ｂのように複数設け、それぞれの帰還抵抗６ａ，６ｂ，７ａ，７ｂに温度係数の異なるものを使用することにより、磁性素子１もしくは駆動電流がもつ温度変動、さらには検出する磁石や駆動電流がもつ温度変動等以外の外的変動も含めた温度補償を行うものである。

また、本実施形態２では、２つの温度係数の異なる抵抗の合成は、図７に示すように並列合成でも良い。

図８は本発明の実施形態３における磁気センサの概略構成を示す図である。図８に示すように、本実施形態３では前述の実施形態１の図１で説明した構成と、第１〜第４の電流源１１〜１４を有し、各電流源はそれぞれ、磁性素子１の信号端子２の電源間と接地間、および磁性素子１の信号端子３の電源間と接地間の４箇所に接続され、第１〜第４の電流源１１〜１４の電流は、磁性素子１の信号端子２，３から取り出す電流にオフセットとして働き、例えば第１，第３の電流源１１，１３の電流のみの電流値Ｉ１，Ｉ３を等しくして流し込む場合は、両端子のＤＣ電位の上昇を招き、また、第２，第４の電流源１２，１４の電流のみの電流値Ｉ２，Ｉ４を流す場合は同様に降下を招くので、信号端子２，３のＤＣ電位調整として使用可能である。

さらに、前述の電流源の１つもしくは複数の電流値をアンバランスにして流す場合、磁性素子１の２つの信号端子から取り出す電流に対し、アンバランスな電流として加算されるので、磁性素子１の応力などで生じる両信号端子のアンバランスを補正する手段として使用可能となり、本実施形態３によれば、回路の動作点調整、磁性素子１の出力電流オフセット補正が可能となり、センサ駆動条件を最適点に調整，設定することが可能となる。

なお、電流源は４つの位置にすべて存在しなくても良く、必要に応じて、電流源を設ければ良い。

図９は本発明の実施形態４におけるセンサの概略構成を示す図である。図９に示すように、本実施形態４におけるセンサは、前述の実施形態１，２，３に記載した磁気センサの技術をすべて利用、もしくは少なくとも２以上を複合的に利用して実現したセンサである。

実施形態１に記載した、磁性素子１から信号端子２，３の電流ＩＬを取り出して電圧に変換する機能、実施形態２に記載した、多様な温度補償を行う機能、および実施形態３に記載した、磁性素子１の信号端子２，３のバイアス，オフセット調整により動作条件の最適化の設定を行う機能のすべて、もしくは組み合わせてセンサを構成したものである。

図１０は本発明の実施形態５における（ａ）は半導体チップ、（ｂ）は集積回路装置を示す図である。本実施形態５は、前述の実施形態４に記載したセンサを半導体チップ上に構成したものであり、半導体集積回路上にセンサを形成し、集積回路装置としてパッケージ化したものである。

前述の実施形態４に記載のセンサが半導体集積回路技術により、半導体チップ上に搭載して構成され、この半導体チップはチップ上のパッドとパッケージリードがワイヤで接続されている構造である。

また、センサを搭載した半導体チップはバンプ等の外部回路基板に直接接続するものでも、ワイヤでパッケージリードを介さず接続するものでも実現できる。

図１１は本発明の実施形態６における工業用ロボットアーム、図１２は本実施形態６の携帯電話を模式的に示した図である。本実施形態６は、前述の実施形態５に記載したセンサを形成した半導体集積回路の集積回路装置を直接もしくは回路上に搭載して構成した装置である。位置検出のためにセンサを搭載した製造ラインなどで使用される図１１に示す工業用ロボットアームや、センサを用いてパネル開閉の検出を実現した図１２に示す携帯電話などであって、前述の各実施形態で説明した磁気センサ技術とこれを用いるセンサ、集積回路装置を具備した携帯電話等の装置のことを言う。また、キーパッド等のように入力装置として使用されても良く、遊具などもこれに含まれる。

本発明に係る磁気センサとこれを用いるセンサ、半導体集積回路および装置は、磁気効果を信号端子より電流信号として取り出し、この取り出した電流ＩＬを、磁性素子もしくは磁性素子の駆動電流を決定する抵抗と同種の抵抗により直接電圧に変換することにより、磁気感度のバラツキや温度変動の両方を極力抑えることができ、磁気センサの感度バラツキや温度の変動を軽減し検出感度の安定化に有用である。

本発明の実施形態１における磁気センサの概略構成を示す図 磁性素子に磁界が加わったときのキャリアの動作を説明する模式図 温度依存について評価した結果を示す図 本実施形態１における別の磁気センサの概略構成を示す図 本実施形態１におけるもう一つ別の磁気センサの概略構成を示す図 本発明の実施形態２における磁気センサの概略構成を示す図 温度係数の異なる帰還抵抗の並列合成を示す図 本発明の実施形態３における磁気センサの概略構成を示す図 本発明の実施形態４におけるセンサの概略構成を示す図 本発明の実施形態５における（ａ）は半導体チップ、（ｂ）は集積回路装置 本発明の実施形態６における工業用ロボットアームを模式的に示す図 本発明の実施形態６における携帯電話を模式的に示す図 従来の磁気センサの概略構成を示す図

符号の説明

１ 磁性素子
２，３ 信号端子
４，４ａ，５ オペアンプ
６，６ａ，６ｂ，７，７ａ，７ｂ 帰還抵抗
８ バイアス電圧
９ 電流−電圧変換回路
１１ 第１の電流源
１２ 第２の電流源
１３ 第３の電流源
１４ 第４の電流源

Claims (6)

1. 磁気効果の有無を差動信号として取り出す２つの信号端子をもつ磁性素子部と、前記２つの信号端子を同電位に保つとともに、前記信号端子から磁気効果信号を電流として取り出し、電圧信号に変換する信号処理回路とを備え、
   前記磁性素子部の端子から磁界が印加されたときの磁気効果を示す信号を、前記２つの信号端子を同電位に保ちながら電流信号として取り出すことを特徴とする磁気センサ。
2. 前記信号処理回路の電流−電圧変換機能における変換比に温度依存をもたせ、前記磁性素子部の信号端子から取り出す電流信号の温度係数もしくは検出対象の外的磁界の温度変動、または両方の温度に係る変動に対して温度補償を行うことを特徴とする請求項１記載の磁気センサ。
3. 前記磁性素子部に電流源を備え、前記磁性素子部の信号端子に電流を流し込むことにより、前記磁性素子部の動作点の調整、オフセットの調整を行い前記磁性素子部の駆動条件を設定することを特徴とする請求項１または２記載の磁気センサ。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載の磁気センサの少なくとも１以上の機能を用いることを特徴とするセンサ。
5. 請求項４記載のセンサを搭載したことを特徴とする半導体集積回路。
6. 請求項５記載の半導体集積回路を搭載し、磁気検出機能を有することを特徴とする装置。

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