JP2012505420A - 磁界方向および／または磁界強度の測定装置 - Google Patents

Abstract

本発明は、第１の空間方向における第１の磁界成分を検出する第１のセンサと、第２の空間方向における第２の磁界成分を検出する第２のセンサと、第３の空間方向における第３の磁界成分を検出する第３のセンサとを備えた、磁界方向および／または磁界強度の測定装置に関する。本発明によれば、第１のセンサは少なくとも１つのホールセンサを含み、第２のセンサおよび／または第３のセンサは少なくとも１つのフラックスゲートセンサを含む。

Description

本発明は、第１の空間方向における第１の磁界成分を検出する第１のセンサと、第２の空間方向における第２の磁界成分を検出する第２のセンサと、第３の空間方向における第３の磁界成分を検出する第３のセンサとを備えた、磁界方向および／または磁界強度の測定装置に関する。

前述した測定装置は、例えば、地磁場の方向および強度を測定するために用いられる。地磁場の測定方向は例えばディジタルコンパスの形態でユーザに対して視覚化される。また、測定値を、自動車、飛行機または船舶などを操縦するためのナビゲーション装置やオートパイロットシステムで利用することもできる。

磁界方向、例えば地磁場方向を３次元で検出するためには、３つの空間方向すべてを検出しなければならない。このために従来技術では例えばホールセンサが用いられるが、この手段には、充分な精度で求められるのがセンサ平面に対して垂直な唯一の磁界成分のみであり、一方、センサ平面内の２つの磁界成分は充分な精度では求められないという欠点がある。或る磁界の３つの空間方向のすべてを検出するには、相互に直交するように配置された複数のホールセンサが必要である。このため、従来技術による磁界方向および／または磁界強度を３次元で測定する装置は、製造が煩雑であるし、また、大きな構造寸法を必要とする。

こうした従来技術から出発して、本発明の基礎とする課題は、磁界方向および／または磁界強度を３次元で測定できる装置を小さな構造寸法で簡単かつ低コストに製造できるようにすることである。

この課題は、第１の空間方向における第１の磁界成分を検出する第１のセンサと、第２の空間方向における第２の磁界成分を検出する第２のセンサと、第３の空間方向における第３の磁界成分を検出する第３のセンサとを備えた、磁界方向および／または磁界強度の測定装置において、第１のセンサが少なくとも１つのホールセンサを含み、第２のセンサおよび／または第３のセンサが少なくとも１つのフラックスゲートセンサを含むことを特徴とする磁界方向および／または磁界強度の測定装置を構成して解決される。

本発明によれば、少なくとも１つのホールセンサと少なくとも１つのフラックスゲートセンサとが組み合わされる。ホールセンサは、最大感度を有するセンサ平面に対して垂直な磁界成分を検出する。これに対して、フラックスゲートセンサは、センサ平面内の磁界成分を検出するように構成されている。したがって、少なくとも１つのホールセンサおよび少なくとも１つのフラックスゲートセンサは１つの平面内、例えば唯一の基板上に配置され、スペースを節約することができる。ほぼ直角をなす２つのフラックスゲートセンサが設けられる場合、或る磁界の３つの空間方向すべての成分を検出することができ、その際にも第１の半導体基板に対して直角をなす第２の半導体基板を設ける必要がない。このため、本発明のセンサは構造高さが小さく、簡単に製造できる。

本発明の有利な実施形態では、ホールセンサおよびフラックスゲートセンサを含む半導体基板が少なくとも１つの別の素子を含む。当該の付加的な素子によって、例えば、各センサへの電流供給または測定値検出を行うことができる。また、センサの出力値を妥当性検査プロセス、増幅プロセス、識別プロセスまたはディジタル化プロセスにかける際に、これらの付加的な素子を利用することもできる。

本発明の別の有利な実施形態によれば、それぞれの空間方向に対して複数のセンサを設け、冗長測定によって測定装置の確実性を高めることができる。

本発明の別の有利な実施形態によれば、少なくとも１つのフラックスゲートセンサはプレーナコイル技術または３Ｄマイクロコイル技術によって半導体基板上に形成される。この場合、フラックスゲートセンサは例えば１つまたは２つの金属面として配置される。このようにすれば、フラックスゲートセンサをホールセンサおよび他の電子素子とともに１つの作業工程で半導体基板上に形成することができる。

本発明の装置は地磁場の磁界方向および／または磁界強度を測定するために用いられる。本発明の装置は、特に、携帯電話機、ＰＤＡまたはナビゲーション装置などの消費者向けエレクトロニクス機器に適している。

基板上の部品の各配置を示す図である。

以下に本発明を図示の実施例に則して詳細に説明する。ただし、実施例は説明のためのものであり、本発明の思想を限定するものではない。

図１の測定装置は基板１０上に配置されている。基板１０はここでは例えば半導体基板、特にケイ素基板である。設定可能な導電型を調整するために、半導体基板１０にドープ物質をドープすることもできる。基板１０と表面に配置された素子とのあいだの電気的短絡を防止するために、基板１０の表面に絶縁体をコーティングすることもできる。ここでの絶縁体には、特に、ケイ素窒化物、ケイ素酸化物またはケイ素酸化窒化物が含まれる。

基板１０の表面にはホールセンサ１２が配置されている。ホールセンサ１２は、ここでは、電荷担体移動度の高い半導体材料を含む、空間的に周囲を制限された領域である。測定装置の駆動時には、ホールセンサ１２の方向に沿って電場が印加され、このホールセンサを通る電流が生じる。基板１０の表面に対して垂直な方向に作用する磁場が存在する場合、電流の流れに直交する方向で磁場の強度にしたがって増大する電圧がホールセンサ１２で測定される。つまり、ホールセンサ１２は半導体基板１０の表面に垂直に存在する磁場の成分の測定に用いられる。

ホールセンサ１２も公知の手法で半導体基板１０のパターニングによって製造される。本発明の別の実施例として、半導体基板の表面にホールセンサ１２の材料を気相から蒸着し、続いてパターニングし、金属の端子コンタクトを設けてもよい。

ホールセンサ１２は半導体基板１０の表面に対してほぼ垂直に作用する磁場ないし磁界成分ｚを検出するように構成されており、このホールセンサ１２のほか、半導体基板１０のｘ−ｙ平面の磁場ないし磁界成分を検出するように構成された２つのフラックスゲートセンサ１３，１４も設けられている。ここで、第１のフラックスゲートセンサ１３および第２のフラックスゲートセンサ１４は相互にほぼ直交するように配置されており、これらのセンサがホールセンサ１２と協働することによって３つの空間方向すべての磁界成分を求めることができる。こうして、所定の空間における磁場の方向が求められる。

各フラックスゲートセンサ１３，１４は少なくとも１つのコイルコアを含み、このコイルコアは有利には軟磁性材料から形成される。コイルコアの周囲にはそれぞれ励起コイルおよび検出コイルが配置される。励起コイルによってコイルコアに磁場を周期的に誘導し、検出コイル内の誘導信号を位相を合わせて走査することにより、第１のフラックスゲートセンサ１３でｘ方向の磁界ないし磁場成分が求められる。同様に、第２のフラックスゲートセンサ１４によってｙ方向の磁界ないし磁場成分が求められる。

フラックスゲートセンサ１３，１４は例えばマイクロメカニカル素子として製造され、接着、溶接またはボンディングにより、基板１０の表面に固定される。この実施例では、基板は例えばセラミックから成るかまたはプリント回路板として構成される。

本発明の別の実施例では、フラックスゲートセンサ１３，１４の巻線およびコアは気相から半導体基板１０の表面へ堆積され、続いてパターニングされる。当該の堆積は、例えば、蒸着、スパッタリング、ＣＶＤまたはＰＶＤによって行われる。パターニングは例えばエッチングステップを含み、ここで、基板表面の部分領域はフォトレジストまたはハードマスクによってエッチングの侵襲に対して保護される。コアと巻線とのあいだには場合により絶縁層を配置することができる。当該の絶縁層も有利には気相プロセスで堆積され、続いてパターニングされる。このようにすれば、磁場の方向および／または強度の測定装置を、公知のＣＭＯＳプロセスによって簡単に製造することができる。

また、半導体基板１０の表面には、３つの磁界センサ１２〜１４を駆動し、データを検出する電子素子を含む領域１５が存在する。当該の領域１５は、例えば、ホールセンサ１２を通る設定可能な長手方向電流を形成する電流制御部を含む。また、領域１５は、フラックスゲートセンサ１３，１４のコアに交流磁場を形成するコイル電流を調製する交流電圧源を含む。さらに、領域１５は、ホールセンサ１２のホール電圧およびフラックスゲートセンサ１３，１４の測定コイルに誘導された信号電圧を読み出す電気素子としての評価回路１６を含む。

場合により、領域１５はさらに、例えば信号のディジタル化、増幅、識別または妥当性検査のための別の回路を含むこともできるし、センサの自己テストのための回路を含むこともできる。さらに、半導体基板１０の領域１５は、センサエレメントへ駆動電圧を印加するための第１のボンディングパッドや、測定値を読み出すための第２のボンディングパッドを含んでもよい。

本発明は３つの空間方向に対する磁界センサに関しており、各空間方向に対する全てのセンサが基板１０の表面上の１つの平面に配置されている。これにより、本発明のセンサは小さい構造高さを有する。また、本発明のセンサは簡単に製造できる。なぜなら、相互に直交する複数の方向で磁場を測定するにあたり、複数のホールセンサ１２を複数の基板の上にそれぞれ直交方向で配置しなくてよいからである。

当分野の技術者には、本発明の図示の実施例が説明のためのものであって本発明を限定するものでなく、本発明の範囲内で種々の修正および変更が可能であることが明らかであろう。

Claims (9)

1. 第１の空間方向における第１の磁界成分を検出する第１のセンサ（１２）と、
   第２の空間方向における第２の磁界成分を検出する第２のセンサ（１３）と、
   第３の空間方向における第３の磁界成分を検出する第３のセンサ（１４）と
   を備えた、
   磁界方向および／または磁界強度の測定装置において、
   前記第１のセンサは少なくとも１つのホールセンサ（１２）を含み、
   前記第２のセンサおよび／または前記第３のセンサは少なくとも１つのフラックスゲートセンサ（１３，１４）を含む
   ことを特徴とする磁界方向および／または磁界強度の測定装置。
2. 少なくとも、前記第１のセンサ、前記第２のセンサおよび前記第３のセンサは１つの基板上に配置されている、請求項１記載の磁界方向および／または磁界強度の測定装置。
3. 少なくとも１つの電子モジュール（１６）が前記基板上にさらに配置されている、請求項２記載の磁界方向および／または磁界強度の測定装置。
4. 前記基板は半導体基板として構成されており、各センサはＣＭＯＳプロセスによって製造されている、請求項１から３までのいずれか１項記載の磁界方向および／または磁界強度の測定装置。
5. 前記少なくとも１つのフラックスゲートセンサはプレーナコイル技術または３Ｄマイクロコイル技術によって構成されている、請求項１から４までのいずれか１項記載の磁界方向および／または磁界強度の測定装置。
6. 前記少なくとも１つのフラックスゲートセンサは気相蒸着プロセスおよびその後のパターニングプロセスによって形成されたコアを含む、請求項１から５までのいずれか１項記載の磁界方向および／または磁界強度の測定装置。
7. 相互に直交する複数の方向で１つの磁界を測定する少なくとも２つのフラックスゲートセンサ（１３，１４）が設けられている、請求項１から６までのいずれか１項記載の磁界方向および／または磁界強度の測定装置。
8. 請求項１から７までのいずれか１項記載の磁界方向および／または磁界強度の測定装置を備えていることを特徴とする携帯電話機。
9. 請求項１から７までのいずれか１項記載の磁界方向および／または磁界強度の測定装置を地磁場の磁界方向および／または磁界強度の測定に使用することを特徴とする測定装置の使用。

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