JP2008157854A

JP2008157854A - 半導体磁気センサ

Info

Publication number: JP2008157854A
Application number: JP2006349279A
Authority: JP
Inventors: Tomoo Hikichi; 友生挽地
Original assignee: Seiko Instruments Inc
Current assignee: Seiko Instruments Inc
Priority date: 2006-12-26
Filing date: 2006-12-26
Publication date: 2008-07-10
Also published as: KR20080060164A; TWI397710B; CN101210957A; CN101210957B; US7459906B2; US20080150522A1; TW200842391A

Abstract

【課題】外部から印加された磁界の磁束密度を正確に検出する。
【解決手段】ホール素子１００の一辺の側に形成され、その一辺に設けられた端子Ｃ１０１にドレインが接続され、ホール素子１００を駆動するトランジスタＭＰ１０１と、その一辺の側に形成され、その一辺に設けられた端子Ｃ１０２にドレインが接続されたトランジスタＭＰ１０２と、その一辺に対向する他辺の側に形成され、その他辺に設けられた端子Ｃ１０３にドレインが接続されたトランジスタＭＮ１０１と、その他辺の側に形成され、その他辺に設けられた端子Ｃ１０４にドレインが接続されたトランジスタＭＮ１０２と、を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、外部から印加された磁界の磁束密度を検出する半導体磁気センサに関する。

現在、磁気電気変換するホール素子がセンサとして利用されている。例えば、ホール素子はフリップ型携帯電話の開閉を検出するセンサとして利用されている。この時のホール素子は無接点スイッチとして機能している。

このホール素子を搭載した半導体磁気センサについて説明する。図４は、従来の半導体磁気センサの平面図である。

ホール素子３００の端子Ｃ３０１はトランジスタＭＰ３０１のドレインに配線Ｎ３０３を介して接続され、端子Ｃ３０２はトランジスタＭＰ３０２のドレインに配線Ｎ３０４を介して接続され、端子Ｃ３０３はトランジスタＭＮ３０１のドレインに配線Ｎ３０５を介して接続され、端子Ｃ３０４はトランジスタＭＮ３０２のドレインに配線Ｎ３０６を介して接続されている。トランジスタＭＰ３０１及びトランジスタＭＰ３０２のソースは電源端子Ｎ３０１に接続され、トランジスタＭＮ３０１及びトランジスタＭＮ３０２のソースはグランド端子Ｎ３０２に接続されている。トランジスタＭＰ３０１、トランジスタＭＰ３０２、トランジスタＭＮ３０１及びトランジスタＭＮ３０２のゲートは、同一半導体装置内部に搭載された論理回路に接続されている。また、端子Ｃ３０１、端子Ｃ３０２、端子Ｃ３０３及び端子Ｃ３０４は、同一半導体装置内部に搭載されたサンプリング回路に接続されている。

ホール素子３００は、磁気電気変換を行い、外部から印加された磁石などの磁界の磁束密度を検出する。論理回路は、ホール素子３００内部の電流経路を変更するため、トランジスタＭＰ３０１、トランジスタＭＰ３０２、トランジスタＭＮ３０１及びトランジスタＭＮ３０２をオンオフ制御する制御信号を出力する。トランジスタＭＰ３０１、トランジスタＭＰ３０２、トランジスタＭＮ３０１及びトランジスタＭＮ３０２は、ホール素子３００を駆動する。サンプリング回路は、端子Ｃ３０１と端子Ｃ３０３との間に発生した電圧または端子Ｃ３０２と端子Ｃ３０４との間に発生した電圧をサンプリングする。

ここで、図４に示すように、配線Ｎ３０４はホール素子３００近傍を引き回され、配線Ｎ３０５もホール素子３００近傍を引き回されている。

なお、図４のような配線で構成された磁気センサとして特許文献１で提案された技術がある。
特開２０００−１４７０８０号公報

ところで、各配線に流れる電流の周囲に磁界がビオ・サバールの法則に従って発生している。これらの磁界はホール素子３００に鎖交している。

よって、ホール素子３００は、外部から印加された磁石などの磁界だけの磁束密度を検出するはずが、各配線に流れる電流によって発生した磁界の磁束密度も検出しているので、半導体磁気センサは、外部から印加された磁界の磁束密度を正確に検出していない。

本発明は、上記課題に鑑みてなされ、外部から印加された磁界の磁束密度を正確に検出することができる半導体磁気センサを提供する。

本発明は、上記課題を解決するため、外部から印加された磁界の磁束密度を検出する半導体磁気センサにおいて、正方形または長方形で形成され、磁気電気変換を行うホール素子と、前記ホール素子の一辺の側に形成され、前記一辺に設けられた第一端子にドレインが接続され、電源端子にソースが接続され、前記ホール素子を駆動する第一トランジスタと、前記一辺の側に形成され、前記一辺に設けられた第二端子にドレインが接続され、前記電源端子にソースが接続され、前記ホール素子を駆動する第二トランジスタと、前記一辺に対向する他辺の側に形成され、前記他辺に設けられた第三端子にドレインが接続され、グランド端子にソースが接続され、前記ホール素子を駆動する第三トランジスタと、前記他辺の側に形成され、前記他辺に設けられた第四端子にドレインが接続され、前記グランド端子にソースが接続され、前記ホール素子を駆動する第四トランジスタと、を備えていることを特徴とする半導体磁気センサを提供する。

本発明では、トランジスタが、ホール素子の一辺の側に形成され、その一辺に設けられた端子にドレインが接続されるようにした。よって、トランジスタのドレインからホール素子への配線が短くなるので、配線を流れる電流に起因する磁界がホール素子に鎖交しにくくなる。よって、半導体磁気センサは、外部から印加された磁界の磁束密度を正確に検出することができる。

以下、本発明の実施形態を、図面を参照して説明する。

まず、ホール素子を搭載した半導体磁気センサの構成について説明する。図１は、半導体磁気センサの平面図である。図２は、半導体磁気センサの回路図である。

半導体磁気センサは、Ｐ型のトランジスタＭＰ１０１、Ｐ型のトランジスタＭＰ１０２、Ｎ型のトランジスタＭＮ１０１及びＮ型のトランジスタＭＮ１０２を備え、ホール素子１００を備えている。このホール素子１００は、端子Ｃ１０１、端子Ｃ１０２、端子Ｃ１０３及び端子Ｃ１０４を備えている。また、半導体磁気センサは、論理回路（図示せず）及びサンプリング回路（図示せず）を備えている。

ホール素子１００の端子Ｃ１０１はトランジスタＭＰ１０１のドレインに配線Ｎ１０４を介して接続され、端子Ｃ１０２はトランジスタＭＰ１０２のドレインに配線Ｎ１０３を介して接続され、端子Ｃ１０３はトランジスタＭＮ１０１のドレインに配線Ｎ１０５を介して接続され、端子Ｃ１０４はトランジスタＭＮ１０２のドレインに配線Ｎ１０６を介して接続されている。トランジスタＭＰ１０１及びトランジスタＭＰ１０２のソースは電源端子Ｎ１０１に接続され、トランジスタＭＮ１０１及びトランジスタＭＮ１０２のソースはグランド端子Ｎ１０２に接続されている。トランジスタＭＰ１０１、トランジスタＭＰ１０２、トランジスタＭＮ１０１及びトランジスタＭＮ１０２のゲートは、同一半導体装置内部に搭載された論理回路に接続されている。また、端子Ｃ１０１、端子Ｃ１０２、端子Ｃ１０３及び端子Ｃ１０４は、同一半導体装置内部に搭載されたサンプリング回路に接続されている。

トランジスタＭＰ１０１のゲートは、図１に示すように、櫛状に配置されている。トランジスタＭＰ１０１のドレインはホール素子１００側に引き出され、ソースはホール素子１００の反対側に引き出されている。トランジスタＭＰ１０１のドレインに接続された配線Ｎ１０４はホール素子１００側に位置し、ソースに接続された電源端子Ｎ１０１はホール素子１００の反対側に位置している。トランジスタＭＰ１０２、トランジスタＭＮ１０１及びトランジスタＭＮ１０２も同様である。

トランジスタＭＰ１０１は、ホール素子１００の一辺の側に形成され、その一辺に設けられた端子Ｃ１０１にドレインが接続され、トランジスタＭＰ１０２も、その一辺の側に形成され、その一辺に設けられた端子Ｃ１０２にドレインが接続されている。トランジスタＭＮ１０１は、その一辺に対向する他辺の側に形成され、その他辺に設けられた端子Ｃ１０３にドレインが接続され、トランジスタＭＮ１０２も、その他辺の側に形成され、他辺に設けられた端子Ｃ１０４にドレインが接続されている。

また、配線Ｎ１０３は、１８０度回転すると、配線Ｎ１０６とマスクレイアウト設計上完全に同一形状になる。配線Ｎ１０３とホール素子１００との位置関係は、配線Ｎ１０６とホール素子１００との位置関係とマスクレイアウト設計上完全に同一である。配線Ｎ１０４は、１８０度回転すると、配線Ｎ１０５とマスクレイアウト設計上完全に同一形状になる。配線Ｎ１０４とホール素子１００との位置関係は、配線Ｎ１０５とホール素子１００との位置関係とマスクレイアウト設計上完全に同一である。つまり、トランジスタＭＮ１０１は、トランジスタＭＰ１０１のドレインと端子Ｃ１０１との間の配線形状とマスクレイアウト設計上同一の配線形状をもつ配線が１８０度回転した配線により、ドレインが端子Ｃ１０３に接続される。トランジスタＭＮ１０２は、トランジスタＭＰ１０２のドレインと端子Ｃ１０２との間の配線形状とマスクレイアウト設計上同一の配線形状をもつ配線が１８０度回転した配線により、ドレインが端子Ｃ１０４に接続される。

正方形または長方形で形成されたホール素子１００は、磁気電気変換を行い、外部から印加された磁石などの磁界の磁束密度を検出する。論理回路は、ホール素子１００内部の電流経路を変更するため、トランジスタＭＰ１０１、トランジスタＭＰ１０２、トランジスタＭＮ１０１及びトランジスタＭＮ１０２をオンオフ制御する制御信号を出力する。トランジスタＭＰ１０１、トランジスタＭＰ１０２、トランジスタＭＮ１０１及びトランジスタＭＮ１０２は、ホール素子１００を駆動する。サンプリング回路は、スイッチ回路（図示せず）、アンプ（図示せず）、容量（図示せず）等を備え、端子Ｃ１０１と端子Ｃ１０３との間に発生した電圧または端子Ｃ１０２と端子Ｃ１０４との間に発生した電圧をサンプリングする。

次に、半導体磁気センサの動作について説明する。図３は、制御信号のタイミングチャートである。

ここで、論理回路は、制御信号Φ２ＸをトランジスタＭＰ１０１に出力し、制御信号Φ１ＸをトランジスタＭＰ１０２に出力し、制御信号Φ２をトランジスタＭＮ１０１に出力し、制御信号Φ１をトランジスタＭＮ１０２に出力している。

第一タイミングの時、制御信号Φ１がハイになって制御信号Φ１Ｘがローになり、トランジスタＭＮ１０２がオンしてトランジスタＭＰ１０２もオンする。すると、ホール素子１００の端子Ｃ１０２から端子Ｃ１０４にホール素子駆動電流Ｉ１０１が流れる。この時、端子Ｃ１０１と端子Ｃ１０３との間にホール素子駆動電流Ｉ１０１及び外部から印加されてホール素子１００に鎖交する磁界の磁束密度に応じたホール電圧が発生し、このホール電圧をサンプリング回路がサンプリングする。第一タイミングの時、端子Ｃ１０２及び端子Ｃ１０４は電流供給用の端子として機能し、端子Ｃ１０１及び端子Ｃ１０３は電圧検出用の端子として機能している。

ここで、トランジスタＭＰ１０２がオンし、電流Ｉ１０４が配線Ｎ１０３に流れると、図１に示すように、電流Ｉ１０４に基づいてホール素子１００に磁界Ｂ１０１が発生する。その後、ホール素子駆動電流Ｉ１０１が流れ、電流Ｉ１０４とほぼ等しい電流値の電流Ｉ１０５が配線Ｎ１０６に流れると、電流Ｉ１０５に基づいて磁界Ｂ１０１とほぼ等しい絶対値の磁界Ｂ１０２が発生する。この磁界Ｂ１０２は、磁界Ｂ１０１と比べて向きが反対である。

また、第二タイミングの時、制御信号Φ２がハイになって制御信号Φ２Ｘがローになり、トランジスタＭＮ１０１がオンしてトランジスタＭＰ１０１もオンする。すると、ホール素子１００の端子Ｃ１０１から端子Ｃ１０３にホール素子駆動電流が流れる。この時、端子Ｃ１０２と端子Ｃ１０４との間にホール素子駆動電流及び外部から印加されてホール素子１００に鎖交する磁界の磁束密度に応じたホール電圧が発生し、このホール電圧をサンプリング回路がサンプリングする。第二タイミングの時、端子Ｃ１０１及び端子Ｃ１０３は電流供給用の端子として機能し、端子Ｃ１０２及び端子Ｃ１０４は電圧検出用の端子として機能している。

このようにすると、トランジスタＭＰ１０２のゲートが、櫛状に配置され、トランジスタＭＰ１０２のチャネルに流れる電流Ｉ１０３は、ソースまたはドレインを中心としてゲート直下のチャネルに幾何対称に流れる。よって、ソースまたはドレインから一のゲート直下のチャネルに流れる電流と他のゲート直下のチャネルに流れる電流とは、同一の電流量になって正反対の向きになる。よって、ソースまたはドレインから一のゲート直下のチャネルに流れる電流によって生成されてホール素子１００に鎖交する磁界は、他のゲート直下のチャネルに流れる電流によって生成されてホール素子１００に鎖交する磁界により、打ち消される。よって、半導体磁気センサは、外部から印加された磁界の磁束密度を正確に検出することができる。トランジスタＭＰ１０１、トランジスタＭＮ１０１及びトランジスタＭＮ１０２も同様である。

また、磁界Ｂ１０１は、磁界Ｂ１０２と比べ、向きが反対であり、絶対値が等しいので、配線Ｎ１０３に流れる電流Ｉ１０４によって生成されてホール素子１００に鎖交する磁界は、配線Ｎ１０６に流れる電流Ｉ１０５によって生成されてホール素子１００に鎖交する磁界により、ほぼ打ち消される。よって、半導体磁気センサは、外部から印加された磁界の磁束密度を正確に検出することができる。

また、従来と比べ、トランジスタのドレインからホール素子１００への配線が短くなるので、配線を流れる電流に起因する磁界がホール素子１００に鎖交しにくくなる。よって、半導体磁気センサは、外部から印加された磁界の磁束密度を正確に検出することができる。

また、トランジスタによって電源端子Ｎ１０１またはグランド端子Ｎ１０２とホール素子１００との間に距離が確保されるので、電源端子Ｎ１０１またはグランド端子Ｎ１０２を流れる電流に起因する磁界がホール素子１００に鎖交しにくくなる。よって、半導体磁気センサは、外部から印加された磁界の磁束密度を正確に検出することができる。

また、ホール素子１００の近傍に従来のような引き回された配線が存在しないので、半導体磁気センサの面積が小さくなる。

なお、トランジスタのチャネル幅が長いと、その分、トランジスタのオン抵抗が小さくなるので、トランジスタＭＰ１０１、トランジスタＭＰ１０２、トランジスタＭＮ１０１及びトランジスタＭＮ１０２のチャネル幅は長いほうがよい。

また、トランジスタのドレインの配線とホール素子１００との間にスペースが設けられて距離が確保されると、その分、配線を流れる電流に起因する磁界がホール素子１００に鎖交しにくくなるので、そのスペースが設けられてもよい。

また、本発明の半導体磁気センサは、外部から印加された磁界の磁束密度を検出し、検出結果に基づいた信号を出力する磁気センサＩＣに適用されてもよい。

また、本発明の半導体磁気センサは、外部から印加された磁界の磁束密度を検出し、検出結果に基づいたアナログ電圧を出力する磁気センサＩＣに適用されてもよい。この時、零磁界で出力されるアナログ電圧が零レベルに近づき、出力オフセット電圧が低減する。

また、本発明の半導体磁気センサは、外部から印加された磁界の磁束密度を検出し、検出結果としきい値とを比較し、比較結果に基づいてハイまたはローを出力する磁気スイッチＩＣに適用されてもよい。

半導体磁気センサの平面図である。半導体磁気センサの回路図である。制御信号のタイミングチャートである。従来の半導体磁気センサの平面図である。

符号の説明

１００・・・ホール素子
Ｂ１０１、Ｂ１０２・・・磁界
Ｃ１０１、Ｃ１０２、Ｃ１０３、Ｃ１０４・・・端子
Ｉ１０１、Ｉ１０３、Ｉ１０４、Ｉ１０５・・・電流
ＭＰ１０１、ＭＰ１０２、ＭＮ１０１、ＭＮ１０２・・・トランジスタ
Ｎ１０１・・・電源端子
Ｎ１０２・・・グランド端子
Ｎ１０３、Ｎ１０４、Ｎ１０５、Ｎ１０６・・・配線

Claims

外部から印加された磁界の磁束密度を検出する半導体磁気センサにおいて、
正方形または長方形で形成され、磁気電気変換を行うホール素子と、
前記ホール素子の一辺の側に形成され、前記一辺に設けられた第一端子にドレインが接続され、電源端子にソースが接続され、前記ホール素子を駆動する第一トランジスタと、
前記一辺の側に形成され、前記一辺に設けられた第二端子にドレインが接続され、前記電源端子にソースが接続され、前記ホール素子を駆動する第二トランジスタと、
前記一辺に対向する他辺の側に形成され、前記他辺に設けられた第三端子にドレインが接続され、グランド端子にソースが接続され、前記ホール素子を駆動する第三トランジスタと、
前記他辺の側に形成され、前記他辺に設けられた第四端子にドレインが接続され、前記グランド端子にソースが接続され、前記ホール素子を駆動する第四トランジスタと、
を備えていることを特徴とする半導体磁気センサ。
前記第三トランジスタは、前記第一トランジスタのドレインと前記第一端子との間の配線形状とマスクレイアウト設計上同一の配線形状をもつ配線が１８０度回転した配線により、ドレインが前記第三端子に接続され、
前記第四トランジスタは、前記第二トランジスタのドレインと前記第二端子との間の配線形状とマスクレイアウト設計上同一の配線形状をもつ配線が１８０度回転した配線により、ドレインが前記第四端子に接続される、
ことを特徴とする請求項１記載の半導体磁気センサ。