JP2013228222A - Magnetic field measuring device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、磁気収束板を有する磁場計測装置に関し、より詳細には、ホール素子と基板と磁気収束板との位置関係を考慮することでオフセット電圧を低減するようにした磁場計測装置に関する。 The present invention relates to a magnetic field measuring apparatus having a magnetic converging plate, and more particularly to a magnetic field measuring apparatus that reduces an offset voltage by considering the positional relationship among a Hall element, a substrate, and a magnetic converging plate.
一般に、磁場計測装置として、ホール素子の素子オフセット電圧による影響を低減し、かつ、増幅器において生じる入力オフセット電圧による影響をも低減し得るような磁気センサは知られている。
磁界の強さに応じた正確な比較結果を得るためには、増幅器から出力される信号に含まれるオフセット信号成分を抑制して、増幅器から出力される信号のばらつきを小さく抑える必要がある。そのオフセット信号成分が生じる主要な要因は、ホール素子の出力電圧に含まれるオフセット信号成分(素子オフセット電圧)と、増幅器の入力端子において存在するオフセット信号成分(入力オフセット電圧)である。素子オフセット電圧は、主に、ホール素子本体がパッケージから受ける応力などによって発生する。また、入力オフセット電圧は、主に、増幅器の入力回路を構成する素子の特性のばらつきなどによって発生する。
In general, a magnetic sensor is known as a magnetic field measuring apparatus that can reduce the influence of an element offset voltage of a Hall element and can also reduce the influence of an input offset voltage generated in an amplifier.
In order to obtain an accurate comparison result according to the strength of the magnetic field, it is necessary to suppress the offset signal component included in the signal output from the amplifier and to suppress the variation in the signal output from the amplifier. The main factors that cause the offset signal component are an offset signal component (element offset voltage) included in the output voltage of the Hall element and an offset signal component (input offset voltage) present at the input terminal of the amplifier. The element offset voltage is mainly generated by the stress that the Hall element body receives from the package. The input offset voltage is mainly generated due to variations in the characteristics of elements constituting the input circuit of the amplifier.
図1は、オフセット電圧による影響を低減するようにした従来の磁気センサを示す回路図である。磁気センサに用いられるホール素子は、4つの端子A,C,B,Dに関して幾何学的に等価な形状の板状に形成されている。ここで、幾何学的に等価な形状とは、四角形のホール素子1のように、4つの端子A−C,B−Dを90度回転させた状態(A−Cが、B−Dに一致するように回転した状態)での形状とが同一であることを意味している。このようなホール素子1の端子A−C間に電源電圧を印加したときに端子B−D間に生じる電圧と、端子B−D間に電源電圧を印加したときに端子A−C間に生じる電圧とでは、磁界の強さに応じた有効信号成分は同相で、素子オフセット電圧は逆相となる。 FIG. 1 is a circuit diagram showing a conventional magnetic sensor in which the influence of an offset voltage is reduced. The Hall element used in the magnetic sensor is formed in a plate shape having a geometrically equivalent shape with respect to the four terminals A, C, B, and D. Here, the geometrically equivalent shape means a state in which the four terminals A-C and B-D are rotated by 90 degrees as in the case of the square Hall element 1 (A-C matches BD). This means that the shape in the rotated state is the same. Such a voltage generated between the terminals BD when a power supply voltage is applied between the terminals AC of the Hall element 1 and a voltage generated between the terminals AC when the power supply voltage is applied between the terminals BD. In terms of voltage, the effective signal component corresponding to the strength of the magnetic field is in phase, and the element offset voltage is in reverse phase.
まず、第1のタイミングでは、スイッチ回路2を介して、ホール素子1の端子A−C間に電源電圧が印加されるとともに、端子B−D間の電圧が電圧増幅器3に入力される。そこで、電圧増幅器3からは、端子B−D間の電圧と電圧増幅器3の入力オフセット電圧との和に比例した電圧V1が出力される。また、この第1のタイミングでは、スイッチ5が閉じることにより、キャパシタ4がその電圧V1に充電される。
First, at the first timing, a power supply voltage is applied between the terminals A and C of the Hall element 1 via the
次に、第2のタイミングでは、スイッチ回路2を介して、ホール素子1の端子B−D間に電源電圧が印加されるとともに、第1のタイミングとは逆極性となるように端子C−A間の電圧が電圧増幅器3に入力される。そこで、電圧増幅器3からは、端子C−A間の電圧と電圧増幅器3の入力オフセット電圧との和に比例した電圧V2が出力される。
入力オフセット電圧の影響は、入力電圧の極性に係らず、第1のタイミングと同じなので、電圧増幅器3の出力電圧V2は、第1のタイミングとは逆極性の端子C−A間の電圧と入力オフセット電圧との和に比例した電圧となる。
Next, at the second timing, a power supply voltage is applied between the terminals BD of the Hall element 1 via the
Since the influence of the input offset voltage is the same as that of the first timing regardless of the polarity of the input voltage, the output voltage V2 of the voltage amplifier 3 is input to the voltage between the terminals C-A having the opposite polarity to the first timing. The voltage is proportional to the sum of the offset voltage.
また、この第2のタイミングでは、スイッチ5が開き、出力端子6−7の間で、電圧増幅器3の反転出力端子3a及び非反転出力端子3bとキャパシタ4とが直列に接続された状態となる。このとき、キャパシタ4の充電電圧は、第1のタイミングでの電圧増幅器3の出力電圧V1に保持されたまま変化しない。出力端子6−7間の電圧(磁界センサの出力電圧)Vは、電圧増幅器3の反転出力端子3aを基準としたときの非反転出力端子3bの電圧V2と、キャパシタ4の端子4bを基準としたときの端子4aの電圧−V1との和、すなわち、電圧V2から電圧V1を減じたものとなる。したがって、入力オフセット電圧の影響を相殺した電圧Vが磁界センサの出力電圧として得られる。
Further, at this second timing, the
また、例えば、特許文献1には、磁気収束板の位置ずれなどの影響による磁気センサの感度特性のばらつきの問題を解決した高精度で安定的な磁気センサが提案されている。この特許文献1のものは、磁気収束板と感磁部との位置関係に着目したもので、特に、磁気収束板の形状を円形にすることで応力あるいは熱応力による感度やオフセットのドリフトを低減させるようにしたものである。また、例えば、特許文献2には、磁気収束板を有する磁気センサが開示されている。
Further, for example, Patent Document 1 proposes a highly accurate and stable magnetic sensor that solves the problem of variations in sensitivity characteristics of the magnetic sensor due to the influence of the positional deviation of the magnetic focusing plate. The thing of this patent document 1 pays attention to the positional relationship of a magnetic converging plate and a magnetic sensing part. Especially, the sensitivity and offset drift due to stress or thermal stress are reduced by making the shape of the magnetic converging plate circular. It is made to let you. Further, for example,
上述したように、ホール素子のオフセットを低減するために各種の工夫がなされているが、従来技術では、磁気収束板がホール素子に与える応力に対して大きなオフセット電圧が生じてしまうという問題があった。また、磁気収束板からの応力によるオフセット電圧への影響が小さくなるようなホールの配置ではなかったため、オフセットが大きく生じていた。 As described above, various attempts have been made to reduce the offset of the Hall element. However, the conventional technique has a problem that a large offset voltage is generated with respect to the stress applied to the Hall element by the magnetic focusing plate. It was. Further, since the hole arrangement was not such that the influence on the offset voltage due to the stress from the magnetic flux concentrating plate was small, the offset was large.
また、上述した特許文献1には、オフセット電圧による影響を低減するようにした磁気センサについては開示されているものの、上述した本発明のように、ピエゾ抵抗係数と応力とを勘案した構成になっていない。また、上述した各特許文献2についても同様である。
本発明は、このような状況に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、ホール素子と基板及び磁気収束板との位置関係を考慮することでオフセット電圧を低減するようにした磁場計測装置を提供することにある。
In addition, although the above-described Patent Document 1 discloses a magnetic sensor that reduces the influence of an offset voltage, it has a configuration that takes into account the piezoresistance coefficient and stress as in the present invention described above. Not. The same applies to each
The present invention has been made in view of such a situation, and an object of the present invention is to measure a magnetic field in which an offset voltage is reduced by considering a positional relationship between a Hall element, a substrate, and a magnetic focusing plate. To provide an apparatus.
本発明は、このような目的を達成するためになされたもので、請求項1に記載の発明は、矩形形状のシリコン基板と、該シリコン基板の面上に形成され、互いに対向する位置に設けられた2つの端子からなる第1の端子対及び第2の端子対を有し、かつ、前記第1の端子対の軸及び前記第2の端子対の軸がお互いに直交する少なくとも1つのホール素子と、前記シリコン基板の面上に設けられた磁気収束板とを備えた磁場計測装置において、前記シリコン基板の長手方向及び短手方向の結晶方位が<110>に等価な方向であり、前記シリコン基板及び前記磁気収束板を平面視したときに、前記ホール素子の前記第1の端子対の軸が、前記ホール素子の中心を円中心とする前記磁気収束板の外縁に接する最小半径円と前記磁気収束板の外縁との接点の前記磁気収束板の前記外縁上における接線方向に平行であり、かつ、前記第1の端子対の軸が、前記シリコン基板の長手方向又は短手方向と45度の角度をなすように、前記ホール素子が前記シリコン基板の面上に形成されていることを特徴とする。 The present invention has been made to achieve such an object, and the invention according to claim 1 is a rectangular silicon substrate, and is formed on a surface of the silicon substrate and provided at a position facing each other. At least one hole having a first terminal pair and a second terminal pair made of two terminals, and wherein the axis of the first terminal pair and the axis of the second terminal pair are orthogonal to each other In a magnetic field measurement apparatus comprising an element and a magnetic focusing plate provided on the surface of the silicon substrate, the crystal orientations in the longitudinal direction and the short direction of the silicon substrate are directions equivalent to <110>, When the silicon substrate and the magnetic converging plate are viewed in plan, the axis of the first terminal pair of the Hall element is a minimum radius circle that is in contact with the outer edge of the magnetic converging plate whose center is the center of the Hall element. An outer edge of the magnetic focusing plate; A contact is parallel to a tangential direction on the outer edge of the magnetic focusing plate, and an axis of the first terminal pair forms an angle of 45 degrees with a longitudinal direction or a lateral direction of the silicon substrate. The Hall element is formed on a surface of the silicon substrate.
また、請求項2に記載の発明は、請求項1に記載の発明において、前記ホール素子に発生するオフセット電圧が、Voffset=r0・(πL−πT)・(σx−σy)・I/2の関係にあることに着目し(なお、Iはホール素子に流れる電流、r0は応力がかからないときのピエゾ抵抗値、πLは長手方向のピエゾ抵抗係数、πTは短手方向のピエゾ抵抗係数、σx及びσyは、一方がピエゾ抵抗の長手方向にかかる応力であり、他方はピエゾ抵抗の短手方向にかかる応力である。)、前記ホール素子が、前記ピエゾ抵抗のピエゾ抵抗係数の相違によって発生するオフセット電圧を低減するために、前記端子対間のピエゾ抵抗の長手方向のピエゾ抵抗係数と短手方向のピエゾ抵抗係数の差が小さくなるように、配置されているとともに、前記磁気収束板から受ける応力の相違によって発生するオフセット電圧を低減するために、ピエゾ抵抗の長手方向にかかる応力とピエゾ抵抗の短手方向にかかる応力の差が小さくなるように、前記磁気収束板の縁に平行に配置されていることを特徴とする。
The invention of
また、請求項3に記載の発明は、請求項1又は2に記載の発明において、前記磁気収束板が、前記シリコン基板及び前記磁気収束板を平面視したときに、前記第2の端子対の軸を対称軸として線対称な形状であることを特徴とする。
また、請求項4に記載の発明は、請求項1,2又は3に記載の発明において、磁気収束板が、円形状、多角形形状、楕円形状、半円形状の何れかであることを特徴とする。
According to a third aspect of the present invention, in the first or second aspect of the present invention, when the magnetic focusing plate is a plan view of the silicon substrate and the magnetic focusing plate, the second terminal pair It is characterized by a line-symmetric shape with the axis as a symmetry axis.
The invention according to
また、請求項5に記載の発明は、請求項1乃至4のいずれかに記載の発明において、演算処理によって前記ホール素子の出力を前記シリコン基板の長手方向もしくは、短手方向に平行な方向を基準とした出力に変換することを特徴とする。
また、請求項6に記載の発明は、所定の結晶方位を有する基板と、該基板上に設けられたホール素子と、該ホール素子が端部に配置されるように、該ホール素子上に設けられた磁気収束板とを備えた磁場計測装置において、前記ホール素子が、互いに対向する位置に設けられた2つの端子からなる一方の端子対と他方の端子対とを有し、前記ホール素子に発生するオフセット電圧が、Voffset=r0・(πL−πT)・(σx−σy)・I/2の関係にあることに着目し(なお、Iはホール素子に流れる電流、r0は応力がかからないときのピエゾ抵抗値、πLは長手方向のピエゾ抵抗係数、πTは短手方向のピエゾ抵抗係数、σx及びσyは、一方がピエゾ抵抗の長手方向にかかる応力であり、他方はピエゾ抵抗の短手方向にかかる応力である。)、前記ホール素子が、前記ピエゾ抵抗のピエゾ抵抗係数の相違によって発生するオフセット電圧を低減するために、前記端子対間のピエゾ抵抗の長手方向のピエゾ抵抗係数と短手方向のピエゾ抵抗係数の差が小さくなるように、配置されているとともに、前記磁気収束板から受ける応力の相違によって発生するオフセット電圧を低減するために、ピエゾ抵抗の長手方向にかかる応力とピエゾ抵抗の短手方向にかかる応力の差が小さくなるように、前記磁気収束板の縁に平行に配置されていることを特徴とする。
According to a fifth aspect of the present invention, in the invention according to any one of the first to fourth aspects, the output of the Hall element is set in a direction parallel to the longitudinal direction or the lateral direction of the silicon substrate by arithmetic processing. It is characterized by being converted to a reference output.
According to a sixth aspect of the present invention, there is provided a substrate having a predetermined crystal orientation, a Hall element provided on the substrate, and the Hall element disposed on the Hall element so that the Hall element is disposed at an end. In the magnetic field measuring apparatus provided with the magnetic converging plate, the Hall element has one terminal pair consisting of two terminals provided at positions facing each other and the other terminal pair, and the Hall element includes Note that the offset voltage generated has a relationship of Voffset = r0 · (π L −π T ) · (σx−σy) · I / 2 (where I is the current flowing through the Hall element, r0 is the stress piezoresistive value when not applied, the piezo resistance coefficient of [pi L is longitudinal, [pi T is the lateral direction of the piezo resistance coefficient, sigma] x and σy are stress one is applied in the longitudinal direction of the piezoresistive, other piezoresistive Stress in the short direction In order to reduce the offset voltage caused by the difference in the piezoresistance coefficient of the piezoresistor, the Hall element has a piezoresistance coefficient in the longitudinal direction and a piezoresistance in the short direction of the piezoresistor between the terminal pairs. In order to reduce the offset voltage generated by the difference in stress received from the magnetic converging plate, the stress applied in the longitudinal direction of the piezoresistor and the short direction of the piezoresistor It is arranged in parallel with the edge of the magnetic converging plate so that the difference in stress applied to the magnetic converging plate becomes small.
本発明によれば、ホール素子と基板及び磁気収束板との位置関係を考慮することで、ピエゾ抵抗素子のホイートストンブリッジ回路でモデル化されるホール素子のピエゾ抵抗の長手方向のピエゾ抵抗係数と、ピエゾ抵抗の短手方向のピエゾ抵抗係数の相違によって発生するオフセット電圧及びホール素子が磁気収束板から受ける応力の相違によって発生するオフセット電圧を低減するようにした磁場計測装置を実現することができる。 According to the present invention, by considering the positional relationship between the Hall element and the substrate and the magnetic focusing plate, the piezoresistance coefficient in the longitudinal direction of the piezoresistance of the Hall element modeled by the Wheatstone bridge circuit of the piezoresistance element, It is possible to realize a magnetic field measuring apparatus that can reduce the offset voltage generated by the difference in the piezoresistance coefficient in the short direction of the piezoresistor and the offset voltage generated by the difference in the stress applied to the Hall element from the magnetic convergence plate.
以下、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。尚、本発明の実施形態では、Si基板の長手方向をX軸方向、Si基板の短手方向をY軸方向とする。
図2(a),(b)は、本発明に係る磁場計測装置のホール素子を構成するピエゾ抵抗のブリッジ回路を示す図で、図2(a)はブリッジ回路、図2(b)はホール素子の端子形状を示している。図中符号Aはホール素子の励起電流が端子から感磁部に流れ入る点、Bはホール素子の励起電流が感磁部から端子に流れ入る点を示している。端子対の軸は、AとBとを結んだ直線である。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In the embodiment of the present invention, the longitudinal direction of the Si substrate is defined as the X-axis direction, and the lateral direction of the Si substrate is defined as the Y-axis direction.
2A and 2B are diagrams showing a piezoresistive bridge circuit constituting the Hall element of the magnetic field measuring apparatus according to the present invention. FIG. 2A is a bridge circuit, and FIG. The terminal shape of the element is shown. In the figure, A indicates the point where the excitation current of the Hall element flows from the terminal to the magnetic sensing part, and B indicates the point where the excitation current of the Hall element flows from the magnetic sensing part to the terminal. The axis of the terminal pair is a straight line connecting A and B.
図2(a)に示したホール素子10は、ピエゾ抵抗R1乃至R4で構成するブリッジ回路でモデル化される。ピエゾ抵抗R1乃至R4のピエゾ抵抗係数πは、ピエゾ抵抗R1乃至R4の長手方向のピエゾ抵抗係数πLと長手方向に垂直な方向(短手方向)のピエゾ抵抗係数πTがあり、結晶方位によって図3のような変化を見せる。
図3は、Si基板の結晶方位<110>に対するピエゾ抵抗の長手方向のピエゾ抵抗係数と、長手方向に垂直な方向(短手方向)のピエゾ抵抗係数との関係を示す図である。ピエゾ抵抗R1乃至R4の長手方向のピエゾ抵抗係数πLと短手方向のピエゾ抵抗係数πTは、Si基板の結晶方位<110>からの角度が0度(又は90度)傾けた方向において、ピエゾ抵抗係数πLとピエゾ抵抗係数πTとの差は小さくなり、45度傾けた方向において、ピエゾ抵抗係数πLとピエゾ抵抗係数πTとの差は大きくなる。
The
FIG. 3 is a diagram showing the relationship between the piezoresistance coefficient in the longitudinal direction of the piezoresistance with respect to the crystal orientation <110> of the Si substrate and the piezoresistance coefficient in the direction perpendicular to the longitudinal direction (short direction). Piezoresistance coefficient [pi T in the longitudinal direction of the piezo resistance coefficient [pi L and a lateral direction of the piezo resistors R1 to R4 is at an angle from the crystal orientation of the Si substrate <110> 0 degrees (or 90 degrees) in the inclined direction, the difference between the piezo resistance coefficient [pi L and piezoresistance coefficient [pi T decreases, the 45-degree inclined direction, the difference between the piezo resistance coefficient [pi L and piezoresistance coefficient [pi T increases.
したがって、ホール素子を構成するピエゾ抵抗のピエゾ抵抗係数の相違によって発生するオフセット電圧を低減するためには、ピエゾ抵抗係数πLとピエゾ抵抗係数πTとの差が小さくなるように、ホール素子を構成するピエゾ抵抗の方向をSi基板の結晶方位<110>の方向に選ぶとよく、ピエゾ抵抗の方向をSi基板の結晶方位<110>の方向に選ぶためには、ホール素子の端子の方向をSi基板の結晶方位<110>から45度傾けた方向に選べばよい。 Therefore, in order to reduce the offset voltage generated by the difference of the piezo resistance coefficient of the piezoresistive constituting the Hall element, so that the difference between the piezo resistance coefficient [pi L and piezoresistance coefficient [pi T is reduced, the Hall element The direction of the piezoresistor to be configured is preferably selected to be the direction of the crystal orientation <110> of the Si substrate, and in order to select the direction of the piezoresistor to the direction of the crystal orientation <110> of the Si substrate, the direction of the Hall element terminal is selected. A direction inclined 45 degrees from the crystal orientation <110> of the Si substrate may be selected.
ピエゾ抵抗R1乃至R4は、ピエゾ抵抗係数πL及びπTによって変化するとともに、ピエゾ抵抗R1乃至R4の長手方向に対して平行な応力σLと、垂直な応力σTによって(式1)のように変化する。
R=R0×(1+πL・σL+πT・σT)・・・(1)
なお、R0は応力がかからないときのピエゾ抵抗値、πLは長手方向のピエゾ抵抗係数、πTは短手方向のピエゾ抵抗係数、σLはピエゾ抵抗が受ける長手方向の応力、σTはピエゾ抵抗が受ける短手方向の応力を示している。
Piezo resistors R1 to R4, together with the changes by piezoresistance coefficient [pi L and [pi T, as the stress sigma L parallel to the longitudinal direction of the piezo resistors R1 to R4, by a vertical stress sigma T (Equation 1) To change.
R = R0 × (1 + π L · σ L + π T · σ T ) (1)
Incidentally, R0 is piezoresistive value when unstressed, [pi L piezo resistance coefficient in the longitudinal direction, [pi T is the lateral direction of the piezo resistance coefficient, sigma L is the longitudinal direction of the stress piezoresistive receive, sigma T piezo It shows the stress in the short direction that the resistance receives.
図4は、本発明に係る磁場計測装置のホール素子における応力とオフセットの関係を説明するためのブリッジ回路を示す図である。図4のようにホール素子10の各ピエゾ抵抗R1乃至R4に応力がかかると、このピエゾ抵抗R1乃至R4は、それぞれ以下の(式2)のように変化し、電流Iを流すと(式3)のようにオフセットを生じる。
R1=R3=R0×(1+πL・σ1+πT・σ2)
R2=R4=R0×(1+πL・σ2+πT・σ1)・・・(2)
Voffset=(R2−R3)・I/2
=R0・(πL−πT)・(σ2−σ1)・I/2・・・(3)
なお、σ1は一方の対向するピエゾ抵抗R1とR3の長手方向にかかる応力(R2とR4の短手方向にかかる応力)、σ2は他方の対向するピエゾ抵抗R2とR4の長手方向にかかる応力(R1とR3の短手方向にかかる応力)を示している。
FIG. 4 is a diagram showing a bridge circuit for explaining the relationship between stress and offset in the Hall element of the magnetic field measurement apparatus according to the present invention. When stress is applied to the piezoresistors R1 to R4 of the
R1 = R3 = R0 × (1 + π L · σ1 + π T · σ2)
R2 = R4 = R0 × (1 + π L ·
Voffset = (R2-R3) · I / 2
= R0 · (π L −π T ) · (
Σ1 is a stress applied in the longitudinal direction of one opposing piezoresistors R1 and R3 (stress applied in the short direction of R2 and R4), and σ2 is a stress applied in the longitudinal direction of the other opposing piezoresistors R2 and R4 ( The stress applied in the short direction of R1 and R3).
(式3)よりπLとπTの差を小さくすることで、オフセット低減が図れることが分かるが、それは図3よりピエゾ抵抗の長手方向がSi基板の結晶方位<110>方向となる。したがって、ホール素子の受ける応力を低減するためには、ホール素子を構成するピエゾ抵抗の長手方向をSi基板の結晶方位<110>方向に配置することにより実現できることが理解できる。つまり、このことは、ホール素子の端子をSi基板の長手方向及び短手方向に平行なXY軸方向に対して45度の角度となるように配置すればよく、ホール素子の端子をSi基板の結晶方位<110>に対して45度の角度を持って配置すればよいことになる。 From Equation 3, it can be seen that the offset can be reduced by reducing the difference between π L and π T. From FIG. 3, the longitudinal direction of the piezoresistor is the <110> crystal orientation of the Si substrate. Therefore, it can be understood that the stress applied to the Hall element can be reduced by arranging the longitudinal direction of the piezoresistor constituting the Hall element in the <110> crystal orientation of the Si substrate. In other words, this means that the Hall element terminals may be arranged at an angle of 45 degrees with respect to the XY axis direction parallel to the longitudinal direction and the short direction of the Si substrate. What is necessary is just to arrange | position with an angle of 45 degree | times with respect to crystal orientation <110>.
また、従来からホール素子と磁気収束板を組み合わせたホールセンサがあったが、ホール素子と磁気収束板の熱膨張係数の違いによってホール素子に応力が発生してオフセット発生の原因となっていた。
本発明は、磁気収束板に対して、ホール素子の向きを最適な向きとすることで(式3)の応力の差(σ2−σ1)を小さくすることができることをシミュレーションから明らかにした。これによって、(式3)よりオフセットを低減することができる。
Conventionally, there has been a Hall sensor in which a Hall element and a magnetic flux concentrating plate are combined. However, stress is generated in the Hall element due to a difference in thermal expansion coefficient between the Hall element and the magnetic flux converging plate, which causes an offset.
The present invention has clarified from the simulation that the stress difference (σ2−σ1) in (Equation 3) can be reduced by optimizing the orientation of the Hall element with respect to the magnetic flux concentrating plate. As a result, the offset can be reduced from (Equation 3).
図5(a),(b)は、磁気収束板の縁に対してホール素子の端子対を平行に配置した時と、磁気収束板の縁に対してホール素子の端子対を45度傾けて配置した時の一方の応力σ1と他方の応力σ2との温度特性をシミュレーションした結果を示す図で、図5(a)は、磁気収束板の縁に対してホール素子の端子対を平行に配置した時の一方の応力σ1と他方の応力σ2との温度特性を示し、図5(b)は、磁気収束板の縁に対してホール素子の端子対を45度傾けて配置した時の一方の応力σ1と他方の応力σ2との温度特性を示している。つまり、(式3)よりオフセットを低減するためには、応力の差(σ2−σ1)を小さくすることであり、そのためには、図5(a)から分かるように、磁気収束板の縁に対してホール素子の端子対を平行に配置することである。 5 (a) and 5 (b) show that when the Hall element terminal pair is arranged in parallel to the edge of the magnetic focusing plate, the Hall element terminal pair is inclined 45 degrees with respect to the edge of the magnetic focusing plate. FIG. 5A is a diagram showing the result of simulating the temperature characteristics of one stress σ1 and the other stress σ2 when placed, and FIG. 5A shows the terminal pairs of the Hall elements placed parallel to the edge of the magnetic convergence plate. FIG. 5 (b) shows the temperature characteristics of one stress σ1 and the other stress σ2 when the Hall element terminal pair is inclined by 45 degrees with respect to the edge of the magnetic convergence plate. The temperature characteristics of the stress σ1 and the other stress σ2 are shown. That is, in order to reduce the offset from (Equation 3), the stress difference (σ2−σ1) must be reduced. For this purpose, as shown in FIG. On the other hand, the terminal pairs of the Hall elements are arranged in parallel.
このように、本発明の目的を達成させるためには、1)ホール素子を構成するピエゾ抵抗のピエゾ抵抗係数の相違によって発生するオフセット電圧を低減するために、ピエゾ抵抗係数πLとピエゾ抵抗係数πTとの差が小さくなるように、ホール素子を構成するピエゾ抵抗の方向をSi基板の結晶方位<110>の方向となるようにホール素子を配置する、つまり、ホール素子の端子の方向がSi基板の結晶方位<110>から45度傾けた方向となるようにホール素子を配置し、かつ、2)ホール素子が磁気収束板から受ける応力の相違によって発生するオフセット電圧を低減するために、一方の対向するピエゾ抵抗の長手方向にかかる応力σ1と他方の対向するピエゾ抵抗の長手方向にかかる応力σ2の差が小さくなるように、磁気収束板の縁に対してホール素子の端子対を平行に配置することが必要である。 Thus, in order to achieve the object of the present invention, 1) in order to reduce the offset voltage generated due to the difference in the piezoresistance coefficient of the piezoresistors constituting the Hall element, the piezoresistance coefficient π L and the piezoresistance coefficient as the difference between [pi T decreases, the direction of the piezo resistors constituting a Hall element to place the Hall element so that the direction of the crystal orientation of the Si substrate <110>, i.e., the direction of the terminal of the Hall element In order to reduce the offset voltage generated by the difference in the stress that the Hall element receives from the magnetic focusing plate, the Hall element is arranged so as to be inclined by 45 degrees from the crystal orientation <110> of the Si substrate. Magnetic converging plate so that the difference between the stress σ1 applied in the longitudinal direction of one opposing piezoresistor and the stress σ2 applied in the longitudinal direction of the other opposing piezoresistor is reduced. It is necessary to arrange the terminal pair of the Hall element in parallel with the edge of this.
以下に、本発明に係る磁場計測装置の各実施例について説明する。まず、ホール素子を構成するピエゾ抵抗とホール素子の受ける応力の関係について説明する。
図6は、本発明に係る磁場計測装置のホール素子における応力とオフセットの関係を説明するためのブリッジ回路を示す図である。図4におけるブリッジ回路を45度傾けたものである。図6のようにホール素子20の各ピエゾ抵抗r1乃至r4に応力がかかると、このピエゾ抵抗r1乃至r4は、それぞれ(式4)のように変化し、電流Iを流すと(式5)のようにオフセット電圧を生じる。
r1=r3=r0×(1+πL・σy+πT・σx)
r2=r4=r0×(1+πL・σx+πT・σy)・・・(4)
Voffset=(r2−r3)・I/2
=r0・(πL−πT)・(σx−σy)・I/2・・・(5)
Below, each Example of the magnetic field measuring apparatus which concerns on this invention is described. First, the relationship between the piezoresistance constituting the Hall element and the stress received by the Hall element will be described.
FIG. 6 is a diagram showing a bridge circuit for explaining the relationship between stress and offset in the Hall element of the magnetic field measuring apparatus according to the present invention. The bridge circuit in FIG. 4 is inclined 45 degrees. When stress is applied to each of the piezoresistors r1 to r4 of the
r1 = r3 = r0 × (1 + π L · σy + π T · σx)
r2 = r4 = r0 × (1 + π L · σx + π T · σy) (4)
Voffset = (r2-r3) · I / 2
= R0 · (π L −π T ) · (σx−σy) · I / 2 (5)
なお、r0は応力がかからないときのピエゾ抵抗値、πLは長手方向のピエゾ抵抗係数、πTは短手方向のピエゾ抵抗係数であることは、図4の説明と同様である。σxは一方の対向するピエゾ抵抗r1及びr3の短手方向(r2及びr4の長手方向)にかかる応力、σyは他方の対向するピエゾ抵抗r2及びr4の短手方向(r1及びr3の長手方向)にかかる応力を示している。また、符号21は第1の端子対、21aは第1の端子対の軸、22は第2の端子対、22aは第2の端子対の軸を示している。
Incidentally, r0 is the piezo resistance, [pi L when unstressed piezoresistance coefficient in the longitudinal direction, it is [pi T piezoresistive coefficient transverse direction is the same as described in FIG. σx is the stress applied in the short direction (longitudinal direction of r2 and r4) of one opposing piezoresistors r1 and r3, and σy is the shortwise direction of the other opposing piezoresistors r2 and r4 (longitudinal direction of r1 and r3) It shows the stress applied to.
図7は、本発明に係る磁場計測装置の実施例1を説明するための構成図である。図中符号31はシリコン(Si)基板、32は磁気収束板を示している。なお、図6に示したホール素子が45度回転されて磁気収束板の端部に配置されている。また、本実施例1では、ホール素子の略中心部まで磁気収束板が重なっている。
本発明の実施例1に係る磁場計測装置は、略矩形形状のシリコン基板31と、このシリコン基板31の面上に形成され、互いに対向する位置に設けられた2つの端子からなる第1の端子対21及び第2の端子対22を有し、かつ、第1の端子対の軸21a及び第2の端子対の軸22aがお互いに直交する少なくとも1つのホール素子20と、シリコン基板31の面上に設けられた円形状の磁気収束板32とを備えている。
FIG. 7 is a configuration diagram for explaining the first embodiment of the magnetic field measurement apparatus according to the present invention. In the figure,
The magnetic field measurement apparatus according to the first embodiment of the present invention is a first terminal including a substantially
また、シリコン基板31の長手方向及び短手方向の結晶方位が<110>に等価な方向であり、シリコン基板31及び磁気収束板32を平面視したときに、ホール素子20の第1の端子対の軸21aが、ホール素子20の中心Mを円中心とする磁気収束板32の外縁に接する最小半径円と磁気収束板32の外縁との接点の磁気収束板32の外縁上における接線方向Nに略平行であり、かつ、第1の端子対の軸21aが、シリコン基板31の長手方向又は短手方向と45度の角度をなすように、ホール素子20がシリコン基板31の面上に形成されている。
The crystal orientations of the
磁気収束板32の形状に関しては特に限定はないが、シリコン基板31及び磁気収束板32を平面視したときに、第2の端子対の軸22aを対称軸として線対称な形状であると、応力σxと応力σyの差がより小さくなり好ましい。本実施例では、磁気収束板32は、シリコン基板31及び磁気収束板32を平面視したときに、第2の端子対の軸22aを対称軸として線対称な形状であるとして説明する。
The shape of the magnetic
本発明の実施例1に係る磁場計測装置は、所定の結晶方位を有する基板31と、この基板31上に設けられたホール素子20と、このホール素子20が端部に配置されるように、ホール素子20上に設けられた磁気増幅機能を有する磁気収束板32とを備えており、ホール素子20は、互いに対向する位置に設けられた2つの端子からなる一方の端子対21と他方の端子対22とを有している。これらの両端子間に重ねて図示されているピエゾ抵抗r1乃至r4はホール素子を等価回路でモデル化したものである。
The magnetic field measurement apparatus according to Example 1 of the present invention includes a
また、ホール素子20は、ピエゾ抵抗r1乃至r4のピエゾ抵抗係数πL,πTの相違によって発生するオフセット電圧を低減するために、端子対間のピエゾ抵抗r1乃至r4の長手方向のピエゾ抵抗係数πLと短手方向のピエゾ抵抗係数πTの差が小さくなるように、ホール素子の端子対の向きが基板31の所定の結晶方位からの角度が45度傾けた方向に配置されているとともに、磁気収束板32から受ける応力σx,σyの相違によって発生するオフセット電圧を低減するために、応力σxと応力σyとの差が小さくなるように、磁気収束板32の縁に平行方向に配置されている。つまり、このことは、ホール素子の端子をSi基板の長手方向及び短手方向に平行なXY軸方向に対して45度の角度となるように配置すればよく、ホール素子の端子をSi基板の結晶方位<110>に対して45度の角度を持って配置すればよいことになる。
Further, the
図8は、図7における接線方向についての説明及び実施例1の変更例を示す構成図で、ホール素子20の第1の端子対の軸21aが、ホール素子20の中心Mを円中心とする磁気収束板32の外縁に接する最小半径円と磁気収束板32の外縁との接点の磁気収束板32の外縁上における接線方向Nに略平行であることについての他の例を説明するための図である。図8においては、ホール素子と磁気収束板とは一部重なっている。
FIG. 8 is a configuration diagram illustrating the tangential direction in FIG. 7 and a modified example of the first embodiment. The
図中符号Pは最小半径円と磁気収束板32の外縁との接点、Qはホール素子20の中心Mを円中心とする磁気収束板32の外縁に接する最小半径円を示している。
このような構成により、ホール素子と基板及び磁気収束板との位置関係を考慮することで、ホール素子を構成するピエゾ抵抗のピエゾ抵抗係数の相違によって発生するオフセット電圧及びホール素子が磁気収束板から受ける応力の相違によって発生するオフセット電圧を低減するようにした磁場計測装置を実現することができる。
In the figure, P denotes a contact point between the minimum radius circle and the outer edge of the magnetic focusing
With such a configuration, by considering the positional relationship between the Hall element, the substrate, and the magnetic converging plate, the offset voltage and the Hall element generated due to the difference in the piezoresistance coefficient of the piezoresistors constituting the Hall element are separated from the magnetic converging plate. It is possible to realize a magnetic field measuring apparatus that can reduce an offset voltage generated due to a difference in received stress.
図9は、図7に示す実施例1の更なる変更例を示す構成図で、ホール素子が磁気収束板に重なっていない例を示している。図8においては、ホール素子20の一部が磁気収束板32に重なっているが、図9においては、ホール素子20は磁気収束板32と重なっていない場合である。
このような場合でも、図7に示した本実施例1におけるホール素子と基板及び磁気収束板との位置関係が満たされているので、オフセット電圧を低減するようにした磁場計測装置を実現することができる。
FIG. 9 is a block diagram showing a further modification of the first embodiment shown in FIG. 7 and shows an example in which the Hall element does not overlap the magnetic convergence plate. In FIG. 8, a part of the
Even in such a case, since the positional relationship between the Hall element, the substrate, and the magnetic focusing plate in the first embodiment shown in FIG. 7 is satisfied, a magnetic field measurement apparatus that can reduce the offset voltage is realized. Can do.
図10は、図7に示す実施例1の更に他の変更例を示す構成図で、図9においては、ホール素子20は磁気収束板32に重なっていないが、図10においては、ホール素子20は磁気収束板32の内側に配置されている。つまり、ホール素子20の中心Mを円中心とする磁気収束板32の外縁に接する最小半径円Qが、円形状の磁気収束板32の外縁に内接していて、ホール素子20が完全に磁気収束板32に重なっている。
FIG. 10 is a block diagram showing still another modification of the first embodiment shown in FIG. 7. In FIG. 9, the
このような場合でも、図7に示した本実施例1におけるホール素子と基板及び磁気収束板との位置関係が満たされているので、オフセット電圧を低減するようにした磁場計測装置を実現することができる。
このような構成により、ホール素子と基板及び磁気収束板との位置関係を考慮することで、ピエゾ抵抗素子のホイートストンブリッジ回路でモデル化されるホール素子のピエゾ抵抗の長手方向のピエゾ抵抗係数と、ピエゾ抵抗の短手方向のピエゾ抵抗係数の相違によって発生するオフセット電圧及びホール素子が磁気収束板から受ける応力の相違によって発生するオフセット電圧を低減するようにした磁場計測装置を実現することができる。
Even in such a case, since the positional relationship between the Hall element, the substrate, and the magnetic focusing plate in the first embodiment shown in FIG. 7 is satisfied, a magnetic field measurement apparatus that can reduce the offset voltage is realized. Can do.
With such a configuration, by taking into account the positional relationship between the Hall element and the substrate and the magnetic focusing plate, the piezoresistance coefficient in the longitudinal direction of the piezoresistance of the Hall element modeled by the Wheatstone bridge circuit of the piezoresistance element, It is possible to realize a magnetic field measuring apparatus that can reduce the offset voltage generated by the difference in the piezoresistance coefficient in the short direction of the piezoresistor and the offset voltage generated by the difference in the stress applied to the Hall element from the magnetic convergence plate.
図11は、演算処理によって、ホール素子の出力をシリコン基板の辺に平行な方向を基準とした出力に変換することを説明するための図で、本発明に係る磁場計測装置を用いた磁場方向計測装置を説明するための図である。
シリコン基板31の面上の中央部には、円板状の磁気収束板100が設置されている。磁気収束板100の円周上には、X’軸用ホール素子111a及び111b、Y’軸用ホール素子113a及び113bが、それぞれ円中心点119に対して点対称の位置に設置されている。すなわち、X’軸用ホール素子111同士及びY’軸用ホール素子113同士を結ぶ2つの線分は、円中心点119で交わる。さらに、円中心点119からX’軸用ホール素子111aまでの距離と円中心点119からX’軸用ホール素子111bまでの距離は等しく、円中心点119からY’軸用ホール素子113aまでの距離と円中心点119からY’軸用ホール素子113bまでの距離は等しい。X’軸用ホール素子111bから111aの向き及びY’軸用ホール素子113bから113aの向きを、それぞれX’軸の正方向及びY’軸の正方向とする。
FIG. 11 is a diagram for explaining that the output of the Hall element is converted into an output based on the direction parallel to the side of the silicon substrate by the arithmetic processing, and the direction of the magnetic field using the magnetic field measuring apparatus according to the present invention. It is a figure for demonstrating a measuring device.
A disc-shaped magnetic converging
次に、回転角度の検出方法を説明する。図11のように磁場(図11の矢印点線)が印加された際、各ホール素子111a、111b、113a、113bからの出力差動電圧V(X’+)、V(X’−)、V(Y’+)、V(Y’−)は、次式(6)のような正弦波電圧及び余弦波電圧である。
V(X’+)= A×cosθ1
V(X’−)=−A×cosθ1
V(Y’+)= A×sinθ1
V(Y’−)=−A×sinθ1 ・・・(6)
Next, a method for detecting the rotation angle will be described. When a magnetic field (dotted arrow in FIG. 11) is applied as shown in FIG. 11, output differential voltages V (X ′ +), V (X′−), V from the
V (X ′ +) = A × cos θ1
V (X ′ −) = − A × cos θ1
V (Y ′ +) = A × sin θ1
V (Y ′ −) = − A × sin θ1 (6)
ここで、Aは比例定数、θ1は図11におけるX’軸方向と磁場(図11の矢印点線)の方向との時計回りのなす角度(磁場印加角度)である。 これらの出力電圧を次式(7)のように差分をとることにより、X’軸方向、Y’軸方向の出力電圧Vx’、Vy’を導出する。
Vx’=V1(X’+)−V2(X’−)=2A×cosθ1
Vy’=V1(Y’+)−V2(Y’−)=2A×sinθ1 ・・・(7)
Here, A is a proportional constant, and θ1 is an angle (magnetic field application angle) formed clockwise between the X′-axis direction in FIG. 11 and the direction of the magnetic field (arrow dotted line in FIG. 11). The output voltages Vx ′ and Vy ′ in the X′-axis direction and Y′-axis direction are derived by taking the difference between these output voltages as in the following equation (7).
Vx ′ = V1 (X ′ +) − V2 (X ′ −) = 2A × cos θ1
Vy ′ = V1 (Y ′ +) − V2 (Y ′ −) = 2A × sin θ1 (7)
ここで作り出される出力電圧Vx’、Vy’を用いて相対角度を算出する。
信号処理としては、次式(8)のように除算し、アークタンジェントをとることにより磁場印加角度θ1を算出できる。
tanθ1=Vy’/Vx’
θ1=arctan(Vy’/Vx’) ・・・(8)
本発明に係る磁場計測装置を用いた磁場方向計測装置は算出した磁場印加角度θ1をSi基板の長手方向(結晶方位<110>に等価な方向)を基準とした角度に変換する。即ち、Si基板の長手方向をX軸方向、X軸方向とX’軸方向とのなす角度をθ2とした時に、本発明に係る磁場方向計測装置は磁場印加角度をθ1+θ2であると算出し、Si基板の長手方向を基準とした角度に変換して算出する。磁場印加角度の変換方法は特に限定はないが演算処理(ソフト変換)で行うことが好ましい。
The relative angle is calculated using the output voltages Vx ′ and Vy ′ created here.
As the signal processing, the magnetic field application angle θ1 can be calculated by dividing the following equation (8) and taking the arc tangent.
tan θ1 = Vy ′ / Vx ′
θ1 = arctan (Vy ′ / Vx ′) (8)
The magnetic field direction measuring apparatus using the magnetic field measuring apparatus according to the present invention converts the calculated magnetic field application angle θ1 into an angle based on the longitudinal direction of the Si substrate (direction equivalent to the crystal orientation <110>). That is, when the longitudinal direction of the Si substrate is the X-axis direction and the angle between the X-axis direction and the X′-axis direction is θ2, the magnetic field direction measuring apparatus according to the present invention calculates the magnetic field application angle as θ1 + θ2. It is calculated by converting into an angle based on the longitudinal direction of the Si substrate. The conversion method of the magnetic field application angle is not particularly limited, but is preferably performed by arithmetic processing (soft conversion).
演算処理(ソフト変換)前で角度θ1であったものをソフト変換により変換後の角度θ1+θ2となるようにしておけば、つまり、磁場印加角度の基準をソフトでSi基板の長手方向(結晶方位<110>に等価な方向)に変換するようにしておけば、ユーザは使いやすくなる。なお、本実施例では、Si基板の長手方向をX軸方向としたが、短手方向をX軸方向としてもよい。 If the angle θ1 before the calculation process (soft conversion) is changed to the angle θ1 + θ2 after the conversion by the soft conversion, that is, the reference direction of the magnetic field application angle is soft and the longitudinal direction of the Si substrate (crystal orientation < 110 (direction equivalent to 110>), the user can use it easily. In the present embodiment, the longitudinal direction of the Si substrate is the X-axis direction, but the lateral direction may be the X-axis direction.
図12は、本発明に係る磁場計測装置の実施例2を説明するための構成図で、図13は、図12における接線方向についての説明のための図である。図中符号41はシリコン(Si)基板、42は磁気収束板を示している。なお、ホール素子の構成は、図7と同様である。上述した実施例1との相違は、本実施例2における磁気収束板が長方形である点である。
FIG. 12 is a block diagram for explaining Example 2 of the magnetic field measurement apparatus according to the present invention, and FIG. 13 is a diagram for explaining the tangential direction in FIG. In the figure,
本発明の実施例2に係る磁場計測装置は、略矩形形状のシリコン基板41と、このシリコン基板41の面上に形成され、互いに対向する位置に設けられた2つの端子からなる第1の端子対21及び第2の端子対22を有し、かつ、第1の端子対の軸21a及び第2の端子対の軸22aがお互いに直交する少なくとも1つのホール素子20と、シリコン基板41の面上に設けられた略長方形の磁気収束板42とを備えている。
The magnetic field measurement apparatus according to the second embodiment of the present invention is a first terminal including a substantially
また、シリコン基板41の長手方向及び短手方向の結晶方位が<110>に等価な方向であり、シリコン基板41及び磁気収束板42を平面視したときに、ホール素子20の第1の端子対の軸21aが、ホール素子20の中心Mを円中心とする磁気収束板42の外縁に接する最小半径円Qと磁気収束板42の外縁との接点Pの磁気収束板42の外縁上における接線方向Nに略平行であり、かつ、第1の端子対の軸21aが、シリコン基板41の長手方向又は短手方向と45度の角度をなすように、ホール素子20がシリコン基板41の面上に形成されている。
Further, the crystal orientations in the longitudinal direction and the short direction of the
なお、磁気収束板42の形状は正方形であってもかまわない。つまり、このことは、ホール素子の端子をSi基板の長手方向及び短手方向に平行なXY軸方向に対して45度の角度となるように配置すればよく、ホール素子の端子をSi基板の結晶方位<110>に対して45度の角度を持って配置すればよいことになる。
このような構成により、ホール素子と基板及び磁気収束板との位置関係を考慮することで、ピエゾ抵抗素子のホイートストンブリッジ回路でモデル化されるホール素子のピエゾ抵抗の長手方向のピエゾ抵抗係数と、ピエゾ抵抗の短手方向のピエゾ抵抗係数の相違によって発生するオフセット電圧及びホール素子が磁気収束板から受ける応力の相違によって発生するオフセット電圧を低減するようにした磁場計測装置を実現することができる。
The shape of the magnetic
With such a configuration, by taking into account the positional relationship between the Hall element and the substrate and the magnetic focusing plate, the piezoresistance coefficient in the longitudinal direction of the piezoresistance of the Hall element modeled by the Wheatstone bridge circuit of the piezoresistance element, It is possible to realize a magnetic field measuring apparatus that can reduce the offset voltage generated by the difference in the piezoresistance coefficient in the short direction of the piezoresistor and the offset voltage generated by the difference in the stress applied to the Hall element from the magnetic convergence plate.
図14は、本発明に係る磁場計測装置の実施例3を説明するための構成図で、図15は、図14における接線方向についての説明のための図である。図中符号51はシリコン(Si)基板、52は磁気収束板を示している。なお、ホール素子の構成は、図7と同様である。上述した実施例1との相違は、本実施例3における磁気収束板が多角形形状である点である。
FIG. 14 is a configuration diagram for explaining a third embodiment of the magnetic field measurement apparatus according to the present invention, and FIG. 15 is a diagram for explaining the tangential direction in FIG. 14. In the figure,
本発明の実施例3に係る磁場計測装置は、略矩形形状のシリコン基板51と、このシリコン基板51の面上に形成され、互いに対向する位置に設けられた2つの端子からなる第1の端子対21及び第2の端子対22を有し、かつ、第1の端子対の軸21a及び第2の端子対の軸22aがお互いに直交する少なくとも1つのホール素子20と、シリコン基板51の面上に設けられた略多角形形状の磁気収束板52とを備えている。
The magnetic field measurement apparatus according to the third embodiment of the present invention is a first terminal including a substantially
また、シリコン基板51の長手方向及び短手方向の結晶方位が<110>に等価な方向であり、シリコン基板51及び磁気収束板52を平面視したときに、ホール素子20の第1の端子対の軸21aが、ホール素子20の中心Mを円中心とする磁気収束板52の外縁に接する最小半径円Qと磁気収束板52の外縁との接点Pの磁気収束板52の外縁上における接線方向Nに略平行であり、かつ、第1の端子対の軸21aが、シリコン基板51の長手方向又は短手方向と45度の角度をなすように、ホール素子20がシリコン基板51の面上に形成されている。
The crystal orientations of the
つまり、このことは、ホール素子の端子をSi基板の長手方向及び短手方向に平行なXY軸方向に対して45度の角度となるように配置すればよく、ホール素子の端子をSi基板の結晶方位<110>に対して45度の角度を持って配置すればよいことになる。
このような構成により、ホール素子と基板及び磁気収束板との位置関係を考慮することで、ピエゾ抵抗素子のホイートストンブリッジ回路でモデル化されるホール素子のピエゾ抵抗の長手方向のピエゾ抵抗係数と、ピエゾ抵抗の短手方向のピエゾ抵抗係数の相違によって発生するオフセット電圧及びホール素子が磁気収束板から受ける応力の相違によって発生するオフセット電圧を低減するようにした磁場計測装置を実現することができる。
In other words, this means that the Hall element terminals may be arranged at an angle of 45 degrees with respect to the XY axis direction parallel to the longitudinal direction and the short direction of the Si substrate. What is necessary is just to arrange | position with an angle of 45 degree | times with respect to crystal orientation <110>.
With such a configuration, by taking into account the positional relationship between the Hall element and the substrate and the magnetic focusing plate, the piezoresistance coefficient in the longitudinal direction of the piezoresistance of the Hall element modeled by the Wheatstone bridge circuit of the piezoresistance element, It is possible to realize a magnetic field measuring apparatus that can reduce the offset voltage generated by the difference in the piezoresistance coefficient in the short direction of the piezoresistor and the offset voltage generated by the difference in the stress applied to the Hall element from the magnetic convergence plate.
1,10 ホール素子
2 スイッチ回路
3 電圧増幅器
4 キャパシタ
5 スイッチ
21 第1の端子対
21a 第1の端子対の軸
22 第2の端子対
22a 第2の端子対の軸
31,41,51 シリコン(Si)基板
32,42,52 磁気収束板
100 磁気収束板
111(111a,111b) X軸用ホール素子
113(113a,113b) Y軸用ホール素子
119 円中心点
A ホール素子の励起電流が端子から感磁部に流れ入る点
B ホール素子の励起電流が感磁部から端子に流れ入る点
M ホール素子の中心
N 接線方向
P 最小半径円と磁気収束板の外縁との接点
Q ホール素子の中心を円中心とする磁気収束板の外縁に接する最小半径円
1, 10
Claims (6)
前記シリコン基板の長手方向及び短手方向の結晶方位が<110>に等価な方向であり、
前記シリコン基板及び前記磁気収束板を平面視したときに、前記ホール素子の前記第1の端子対の軸が、前記ホール素子の中心を円中心とする前記磁気収束板の外縁に接する最小半径円と前記磁気収束板の外縁との接点の前記磁気収束板の前記外縁上における接線方向に平行であり、かつ、
前記第1の端子対の軸が、前記シリコン基板の長手方向又は短手方向と45度の角度をなすように、前記ホール素子が前記シリコン基板の面上に形成されていることを特徴とする磁場計測装置。 A first silicon substrate having a rectangular shape, and a first terminal pair and a second terminal pair which are formed on a surface of the silicon substrate and are provided at positions facing each other; In the magnetic field measurement apparatus comprising: at least one Hall element in which the axis of the terminal pair and the axis of the second terminal pair are orthogonal to each other; and a magnetic convergence plate provided on the surface of the silicon substrate,
The longitudinal and short crystal orientations of the silicon substrate are directions equivalent to <110>,
When the silicon substrate and the magnetic flux concentrating plate are viewed in plan, the axis of the first terminal pair of the Hall element is a minimum radius circle that is in contact with the outer edge of the magnetic flux concentrating plate with the center of the Hall element as a circle center. Parallel to a tangential direction on the outer edge of the magnetic focusing plate, and a contact point between the magnetic focusing plate and the outer edge of the magnetic focusing plate, and
The Hall element is formed on the surface of the silicon substrate such that an axis of the first terminal pair forms an angle of 45 degrees with a longitudinal direction or a short direction of the silicon substrate. Magnetic field measuring device.
Voffset=r0・(πL−πT)・(σx−σy)・I/2
の関係にあることに着目し(なお、Iはホール素子に流れる電流、r0は応力がかからないときのピエゾ抵抗値、πLは長手方向のピエゾ抵抗係数、πTは短手方向のピエゾ抵抗係数、σx及びσyは、一方がピエゾ抵抗の長手方向にかかる応力であり、他方はピエゾ抵抗の短手方向にかかる応力である。)、
前記ホール素子が、前記ピエゾ抵抗のピエゾ抵抗係数の相違によって発生するオフセット電圧を低減するために、前記端子対間のピエゾ抵抗の長手方向のピエゾ抵抗係数と短手方向のピエゾ抵抗係数の差が小さくなるように、配置されているとともに、前記磁気収束板から受ける応力の相違によって発生するオフセット電圧を低減するために、ピエゾ抵抗の長手方向にかかる応力とピエゾ抵抗の短手方向にかかる応力の差が小さくなるように、前記磁気収束板の縁に平行に配置されていることを特徴とする請求項1に記載の磁場計測装置。 The offset voltage generated in the Hall element is
Voffset = r0 · (π L −π T ) · (σx−σy) · I / 2
Noting that there the relationship (Note, I is the current flowing through the Hall element, r0 piezo resistance when no stress is applied, the piezo resistance coefficient of [pi L is longitudinal, [pi T piezo resistance coefficient of the lateral direction , Σx and σy are stresses applied in the longitudinal direction of the piezoresistor, and the other is stress applied in the lateral direction of the piezoresistor).
In order to reduce the offset voltage generated by the Hall element due to the difference in piezoresistance coefficient of the piezoresistor, the difference between the piezoresistance coefficient in the longitudinal direction and the piezoresistance coefficient in the short direction of the piezoresistance between the terminal pairs is In order to reduce the offset voltage caused by the difference in stress received from the magnetic converging plate, the stress applied to the longitudinal direction of the piezoresistor and the stress applied to the transversal direction of the piezoresistor are reduced. The magnetic field measuring apparatus according to claim 1, wherein the magnetic field measuring apparatus is arranged in parallel to an edge of the magnetic flux concentrating plate so that the difference is reduced.
前記ホール素子が、互いに対向する位置に設けられた2つの端子からなる一方の端子対と他方の端子対とを有し、
前記ホール素子に発生するオフセット電圧が、
Voffset=r0・(πL−πT)・(σx−σy)・I/2
の関係にあることに着目し(なお、Iはホール素子に流れる電流、r0は応力がかからないときのピエゾ抵抗値、πLは長手方向のピエゾ抵抗係数、πTは短手方向のピエゾ抵抗係数、σx及びσyは、一方がピエゾ抵抗の長手方向にかかる応力であり、他方はピエゾ抵抗の短手方向にかかる応力である。)、
前記ホール素子が、前記ピエゾ抵抗のピエゾ抵抗係数の相違によって発生するオフセット電圧を低減するために、前記端子対間のピエゾ抵抗の長手方向のピエゾ抵抗係数と短手方向のピエゾ抵抗係数の差が小さくなるように、配置されているとともに、前記磁気収束板から受ける応力の相違によって発生するオフセット電圧を低減するために、ピエゾ抵抗の長手方向にかかる応力とピエゾ抵抗の短手方向にかかる応力の差が小さくなるように、前記磁気収束板の縁に平行に配置されていることを特徴とする磁場計測装置。 Magnetic field measurement comprising a substrate having a predetermined crystal orientation, a Hall element provided on the substrate, and a magnetic converging plate provided on the Hall element so that the Hall element is disposed at an end. In the device
The Hall element has one terminal pair composed of two terminals provided at positions facing each other and the other terminal pair,
The offset voltage generated in the Hall element is
Voffset = r0 · (π L −π T ) · (σx−σy) · I / 2
Noting that there the relationship (Note, I is the current flowing through the Hall element, r0 piezo resistance when no stress is applied, the piezo resistance coefficient of [pi L is longitudinal, [pi T piezo resistance coefficient of the lateral direction , Σx and σy are stresses applied in the longitudinal direction of the piezoresistor, and the other is stress applied in the lateral direction of the piezoresistor).
In order to reduce the offset voltage generated by the Hall element due to the difference in piezoresistance coefficient of the piezoresistor, the difference between the piezoresistance coefficient in the longitudinal direction and the piezoresistance coefficient in the short direction of the piezoresistance between the terminal pairs is In order to reduce the offset voltage caused by the difference in stress received from the magnetic converging plate, the stress applied to the longitudinal direction of the piezoresistor and the stress applied to the transversal direction of the piezoresistor are reduced. A magnetic field measuring apparatus, wherein the magnetic field measuring apparatus is arranged in parallel to an edge of the magnetic converging plate so as to reduce the difference.
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JPH0945974A (en) * | 1995-07-28 | 1997-02-14 | Mitsumi Electric Co Ltd | Hall ic |
JP2002071381A (en) * | 2000-08-21 | 2002-03-08 | Sentron Ag | Sensor for detection of direction of magnetic field |
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