JP2013504885A - 情報伝送のための集積回路 - Google Patents

Abstract

本発明は、情報伝送のための集積回路に関するものであり、基板（１）と、該基板（１）に集積された、または該基板（１）上に配置された少なくとも１つのホール素子（２）と、該ホール素子（２）に実質的に同心に、かつ該ホール素子（２）に対して垂直方向に間隔を置いて配置され、該ホール素子（２）から導電分離された第１のコイル（４）と、該ホール素子（２）に実質的に同心に、かつ該ホール素子（２）および前記第１のコイル（４）に対して垂直方向に間隔を置いて配置され、該ホール素子（２）から導電分離された第２のコイル（６）とを有し、第１のコイル（４）と第２のコイル（６）は、当該コイル（４、６）内に同じ方向で電流が流れるように電気的に直列に接続されている。

Description

本発明は、情報伝送のための集積回路に関する。

高電圧を使用する場合、たとえば自動車技術の電子回路の領域では、個々の電子回路を互いに導電分離することが必要である。すなわち種々の回路を異なる直流電圧電位に維持することが必要である。同時に、これら回路間でデータを高速に交換しなければならない。データ速度は典型的には数１００ｋｂｉｔ／ｓから５０〜１００Ｍｂｉｔ／ｓであり、電位差は数１００Ｖから数ｋＶである。

特許文献１から、モノリシック集積回路のマスタステージとアンダーステージとの間で無電位でデータ伝送する装置が公知である。この装置はホール電圧測定装置を有し、このホール電圧測定装置はアンダーステージと空間的に密に結合した（とりわけともに集積された）結合ループの磁界を介して、２芯バス線路のそれぞれの電流がデータ情報として評価される。この２芯バス線路は結合ループに接続されており、低抵抗かつ低インダクタンスに構成されている。

ＤＥ４２０５２４１Ｃ１

本発明は、情報伝送用の集積回路に関するものであり、基板と、該基板に集積されるか、または基板上に配置されたホール素子と、該ホール素子に対して実質的に同心であり、該ホール素子に対して垂直方向に間隔を置いて配置され、該ホール素子から導電分離された少なくとも１つの第１のコイルと、該ホール素子に対して実質的に同心であり、該ホール素子から導電分離されており、該ホール素子および前記第１のコイルに対して垂直方向に間隔を置いて配置された少なくとも１つの第２のコイルとを有し、第１のコイルと第２のコイルは電気的に直列に接続されており、コイル内には電流が同じ方向で流れ、これによりそれらの磁界が構造的に重なるようになっている。

本発明の情報伝送は、以下の基本原理に基づくものである。コイルを流れるデータ情報であるデータ流により形成される磁界が、磁界を形成するコイルとは電気的に絶縁されたホール素子によって測定される。ホール素子の出力信号は、導電的に分離された回路側に伝送すべき情報である。コイルに電流が同じ方向に流れるように直列に接続され、重ねて配置された少なくとも２つのコイルを設けることにより、２つのコイルが近似的に同じであれば磁界が倍増し、これによりホール素子の出力信号の信号偏移も対応して上昇する。情報伝送の品質と信頼性ならびに可能最大伝送速度がこのようにして格段に向上する。さらに本発明の集積回路の構成と結び付いた利点は、構造全体を半導体技術、とりわけシリコン技術の構成部材と集積し、組み合わせることができることである。このことにより、スペースが節約され、安価な製造が可能である。本発明の実施形態によれば、ホール素子と第１のコイルとの間に配置された第１の絶縁層と、第１のコイルと第２のコイルとの間に配置された第２の絶縁層とが設けられている。さらにこの回路は、別の電子回路と１つの共通のチップの上に直接集積することもできる。

本発明の実施形態によれば、電気的に別個に制御される、すなわちデータ流を導かない少なくとも１つの補償コイルを設けることができる。この追加の補償コイルは、ホール素子に対して実質的に同心であり、ホール素子とデータを伝送するコイルに対して垂直方向に間隔を置いて配置されている。

補償コイルを使用することにより、ホール素子をゼロ通過の領域で、すなわちバランス良く駆動することができ、ホール素子内の電荷分離による遅延が最小になる。このようにして、達成可能な情報伝送のデータ速度を著しく上昇させることができる。

本発明の別の実施形態によれば集積回路は、基板に集積されるか、または基板上に配置された少なくとも１つの第２のホール素子と、該第２のホール素子に対して実質的に同心であり、該第２のホール素子に対して垂直方向に間隔を置いて配置され、該第２のホール素子から導電分離された第３のコイルと、該第２のホース素子に対して実質的に同心であり、該第２のホース素子と第３のコイルに対して垂直方向に間隔を置いて配置された第４のコイルとを有し、コイルは、第３のコイルと第４のコイルに電流が同じ方向に流れるように直列に接続され、この電流は第１のコイルと第２のコイルに流れる電流とは反対の向きである。

互いに重ねて配置された２つのコイルにそれぞれ同じ方向の電流が流れ、並置された２つのコイルにはそれぞれ反対方向に電流が流れるように接続された２つのコイルペアを並置することにより、ホール素子の出力信号の差分評価が可能になり、このようにして外部の均一な磁界に対するノイズ耐性が格段に改善される。

本発明の別の実施形態によれば、コイルの少なくとも１つ、とりわけホール素子の次のコイルが円形リング状に構成されており、このコイルとその下のホール素子との垂直方向の重なり領域が生じないようになっている。コイルを円形リング状に構成し、これによってコイルと対応のホール素子との重なりを低減または排除することにより間隔が大きくなり、ひいてはコイルとホール素子との間の電界強度が低減される。このようにして絶縁破壊耐性が高くなり、このことはコイルとホール素子の間の電位差が大きい場合に有利である。

次のような情報伝送のための集積回路も考えられる。すなわち基板と、基板に集積されるか、または基板上に配置された少なくとも１つの第１のホール素子および第２のホール素子と、第１のホール素子に対して実質的に同心であり、第１のホール素子に対して垂直方向に間隔を置いて配置され、該第１のホール素子から導電分離された第１のコイルと、第２のホール素子に対して実質的に同心に配置され、該第２のホール素子から導電分離され、かつ該第２のホール素子に対して垂直方向に間隔を置いて配置された第２のコイルとを有し、ここで第１のコイルと第２のコイルは、コイル内に反対の方向で電流が流れるように電気的に直列に接続されている。このようにして、２つのホール素子の出力信号を差分評価することができ、外部の均一な磁界に対するノイズ耐性が上昇する。

ここでは、ホール素子とコイルとの間に配置される絶縁層を設けることができ、この絶縁層は他の集積回路に対して完全に絶縁される。

コイルを円形リング状に構成することにより、とりわけそれぞれ割り当てられたホール素子と重なり領域が生じないように構成することにより、このように構成された集積回路では高い絶縁破壊耐性が達成される。このことはコイルとホール素子との電位差が大きい場合に有利である。コイルを円形リング状に構成し、これによってコイルとそれぞれ対応するホール素子との重なりを低減または排除することにより間隔が大きくなり、ひいてはコイルとそれぞれのホール素子との間の電界強度が低減される。

各ホール素子に対して少なくとも１つの補償コイルが追加で設けられていれば、この種の構成でもホール素子内の電荷分離のための時間が最小になり、これにより達成可能なデータ速度が格段に上昇する。

本発明の特徴および利点は、添付図面に関連する以下の説明から明らかである。

本発明の集積回路の第１の実施形態の概略的断面図である。 本発明の集積回路の第１の実施形態の概略的平面図である。 本発明の集積回路の第２の実施形態の概略的断面図である。 本発明の集積回路の第３の実施形態の概略的断面図である。 本発明の集積回路の第３の実施形態の概略的平面図である。 本発明の集積回路の第４の実施形態の概略的断面図である。 本発明の集積回路の第５の実施形態の概略的断面図である。 本発明の集積回路の第５の実施形態の概略的平面図である。 センサ信号を差分評価するための集積回路の概略的断面図である。 補償コイルを備えた、センサ信号を差分評価するための集積回路の概略的断面図である。 絶縁破壊耐性が高められた、センサ信号を差分評価するための集積回路の概略的断面図である。

基板１、たとえばドープされたシリコン基板にはホール素子２が集積されている。基板１の表面には第１の絶縁層３、たとえば酸化シリコンが配置されている。絶縁層３の上には、第１の偏平コイル４を含む金属層がある。第１の偏平コイル４の垂直方向上方には第２の絶縁層５があり、この上に第２の偏平コイル６が配置されている。第１のコイル４と第２のコイル６は、しばしばビアホールと称される貫通接点７を介して、データ電流Ｉ_{Ｄａｔｅｎ}の印加の際に両コイルに電流が同じ方向に流れるように互いに直列に接続されている。ここでデータ電流は、伝送すべき情報を表す。

第１のコイル４と第２のコイル６はホール素子２に対して少なくとも実質的に同心に配置されており、コイルを流れる電流によって形成される磁界がホール素子２を通過する。ここでホール素子２は基板１に集積するか、または基板１の上に配置することができる。コイルを流れる電流が変化すると、ホール素子２において生じる磁界も変化する。ホール素子の出力信号として用いられるホール電圧は、作用する磁界に比例して変化し、したがって印加されるデータ電流にも比例して変化する。ホール素子の出力信号、すなわちホール電圧の信号エッジを評価することにより、データ情報を復元することができる。ホール素子２をコイル４と６から電気絶縁することにより、導電分離した情報伝送が実現される。

図１から１０における大きさの関係は縮尺通りに表されたものではないことを述べておく。

図２に概略的に示された平面図は、図１に示された本発明の第１の実施形態に実質的に相当する。付加的に電流源２０と電圧測定装置２１が図示されており、電流源はホール素子２に電流Ｉ_Ｈａｌｌを供給し、電圧測定装置は出力信号をホール素子２における電圧降下の形で測定する。平面図には、図１とは異なり分かりやすくするため、やや小さな直径を有する第２のコイル６だけが図示されており、したがって正方形に図示されたホール素子２の角はコイル６によって覆われていない。このホール素子２には電流源２０と電圧測定装置２１の端子が接続されている。第１のコイル４は図示の実施形態では第２のコイル６の下方に合同で存在し、したがって図示されていない。しかしコイル４と６の寸法と形状は任意に選択可能であり、それぞれの要求に個別に適合することができる。たとえば図示のコイルのらせん形状とは択一的に、たとえばコイルの導体路が正方形の辺に沿って配置されるような別の幾何形状を選択することもできる。同様に個々の巻線の直径と間隔および巻き数も任意に変更することができる。第１のコイル４と第２のコイル６が互いに異なる形状を有することもできる。

図２では第２のコイル６へのデータ電流Ｉ_{Ｄａｔｅｎ}の供給が線路構造２２の形で示されている。同様に図示された線路構造２３はデータ電流の帰還のための線路であり、図示の第２のコイル６ではなく、その下にあって図示されていない第１のコイル４と接続されている。２つのコイル４と６は、平面図には図示されていない貫通接点７を介して互いに電気接続されている。図示の実施形態とは択一的に、データ電流Ｉ_{Ｄａｔｅｎ}をまず下の第１のコイル４に供給し、貫通接点７を介して第２のコイル６に導くことももちろん可能である。重要なのは２つのコイル４と６が、両コイルを流れる電流が同じ方向であるように直列に接続されていることである。

図３に示した本発明の集積回路の第２の実施形態によれば、データを伝送するコイル４と６に加えて補償コイル３０が設けられている。この補償コイルはホール素子２に対して実質的に同心であり、ホール素子２およびコイル４と６に対して垂直方向に間隔を置いて配置されており、コイル４と６とは電気的に分離して制御することができる。ここでホール素子２から測定されたホール電圧は図示しない制御器の入力量として用いられる。この制御器は補償コイル３０を流れる補償電流Ｉ_Ｋｏｍｐを、データを伝送するコイル４と６において電流によって形成された磁界が、補償コイル３０に電流によって形成された磁界により補償されるように調整する。したがって補償電流Ｉ_Ｋｏｍｐは測定量として用いられ、この測定量から信号エッジの評価により伝送すべきデータ情報を復元することができる。補償コイルの具体的構成は任意に変更することができ、データを伝送するコイル４と６の構成には依存しない。ホール素子をゼロ通過の領域で、すなわち平衡状態で駆動することにより、（体積半導体である）ホール素子において必要な電荷分離のための時間遅延を格段に低減することができ、情報伝送の際に達成可能なデータ速度が格段に上昇する。ここで制御器の回路は有利には、ホール素子２およびコイル４と６ならびに補償コイル３０とともに共通のチップに集積することができる。

本発明の集積回路の第３の実施形態によれば、基板に第２のホール素子２’が集積されているか、または基板の上に配置されている（図４）。この第２のホール素子２’に実質的に同心に、第１の絶縁層３の上には第３のコイル４’が、第２の絶縁層５の上には第４のコイル６’が配置されている。ここで第３のコイル４’と第４のコイル６’は貫通接点７’を介して、２つのコイルを電流が同じ方向に流れるように直列に接続されている。コイル４、４’、６、６’はさらに、コイル４と４’および６と６’とでは電流が反対方向に流れるように直列に接続されている。

第３の実施形態による集積回路の概略的平面図が図５に示されている。ここではホール素子２と２’に対する電流供給部２０と２０’が設けられている。図示の実施形態によれば、第４のコイル６’にデータ電流Ｉ_{Ｄａｔｅｎ}が供給され、第２のコイル６から再び取り出される。コイル４と４’はそれぞれコイル６と６’の下方で近似的に合同であり、したがって図示されていない。この実施形態でも、コイルの具体的構成は任意に変更できる。たとえば配線は、データ電流が任意の他のコイルに供給され、任意の他のコイルから再び取り出されるように変更することができる。本発明の機能にとって重要なのは、上下に重なる２つのコイル４と６、および４’と６’がそれぞれ同じ方向に電流を導き、これに対して互いに並置されたコイル４と４’、および６と６’は反対方向に電流を導くことである。

コイル４と４’、および６と６’で電流の方向が逆であることにより生じる反対方向の磁界によって、評価回路５０では出力信号の差、すなわち第１のホール素子２のホール電圧Ｕ_{Ｈａｌｌ１}と第２のホール素子２’のホール電圧Ｕ_{Ｈａｌｌ２}との差を形成することができ、これをさらなる評価およびデータ信号の復元の基礎とすることができる。この差分評価により、外部の均一磁界に対して高いノイズ耐性が達成される。なぜなら外部の均一磁界は２つのホール素子２と２’に作用し、したがって差形成の際に少なくとも十分に除去されるからである。

図６には、図４と５に示した実施形態の改善形態が示されており、付加的な補償コイル６０と６０’が設けられている。これらの補償コイル６０、６０’は、基板１と絶縁層３の間にある付加的な絶縁層６１の上に配置されている。ここで補償コイル６０と６０’は、コイル４、４’、６、６’から電気的に分離して制御することができる。ここでホール素子２および２’から測定されたホール電圧は図示しない制御器の入力量として用いられる。この制御器は補償コイル６０と６０’を流れる補償電流を、データを伝送するコイル４と６ならびに４’と６’において電流によって形成された磁界が、補償コイル６０および６０’に電流によって形成された磁界により補償されるように調整する。したがって補償電流Ｉ_{Ｋｏｍｐ１}とＩ_{Ｋｏｍｐ２}は測定量として用いられ、これらの測定量から差分評価により伝送すべきデータ情報を復元することができる。ホール素子をゼロ通過を中心にする領域で、すなわち平衡状態で駆動することにより、ホール素子において必要な電荷分離のための時間遅延を格段に低減することができ、これにより情報伝送の際に達成可能なデータ速度が格段に上昇する。

本発明の別の実施形態によれば、第１のコイル４と第２のコイル６が円形リング状に構成されている。図７に図示した実施形態では、コイル４または６がホール素子２と重ならないように構成されている。このようにしてコイル４と６の巻線とホール素子２との間隔が最大となり、ひいては個々のコンポーネント間の電界強度を低減することができる。このようにしてコイル４および６とホール素子２との絶縁破壊耐性が格段に大きくなる。コイルの１つだけ、好ましくはホール素子２に近い方の第１のコイル４だけを円形リング状に構成することも考えられる。コイルとホール素子２との部分的重なりが生じる少なくとも１つのコイルを円形リング状に構成することも可能である。

図７の実施形態の概略的平面図が図８に示されている。簡単にするため、コイル４と６の電気接続に用いる貫通接点７は図示されていない。コイル４と６を除けば、図６と７の実施形態は図１と２の実施形態と相違しない。したがってこれらについての構成は、図６と７の実施形態にも当てはまる。

前記の実施形態のすべてにおいて、明示的には述べられず図示されていなくても、１つまたは複数の補償コイルを使用すれば、これによりデータ速度を上昇させることができる。

図９から１１は、情報伝送のための集積回路の別の例を示す。

図９に図示した例は、基板１に集積された、または基板１００上に配置されたホール素子２００と２００’を有する。基板１００の表面には絶縁層３００、たとえば酸化シリコンが配置されている。絶縁層３００の上には、２つの偏平コイル４００と４００’を含む金属層がある。ここで偏平コイル４００と４００’はそれぞれホール素子２００および２００’に対して実質的に同心に配置されている。この構成により、図５に示したようにホール素子２００と２００’の出力電圧の差分評価が可能になる。そのためには、この２つのコイルに電流が反対方向に流れ、これが反対方向の磁界を形成し、この磁界が対応するホール素子をそれぞれ貫通するようにコイル４００と４００’を直列に接続することが必要である。

図１０には、図８に示した実施形態の改善形態が示されており、付加的な補償コイル５００と５００’が設けられている。これらの補償コイルは、基板１００と絶縁層３００の間にある付加的な絶縁層６００の上に配置されている。ここで補償コイル５００と５００’は、コイル４００、４００’から電気的に分離して制御することができる。ここでホール素子２００および２００’から測定されたホール電圧は図示しない制御器の入力量として用いられる。この制御器は補償コイル５００と５００’を流れる補償電流を、データを伝送するコイル４００と４００’において電流によって形成された磁界が、補償コイル５００および５００’に電流によって形成された磁界によりそれぞれ補償されるように調整する。したがって補償電流Ｉ_{Ｋｏｍｐ１}とＩ_{Ｋｏｍｐ２}は測定量として用いられ、これらの測定量から差分評価により伝送すべきデータ情報を復元することができる。ホール素子をゼロ通過を中心にする領域で、すなわち平衡状態で駆動することにより、ホール素子において必要な電荷分離のための時間遅延を格段に低減することができ、これにより情報伝送の際に達成可能なデータ速度が格段に上昇する。

図１１は、図８に図示した集積回路の別の改善形態を示す。ここでコイル４００と４００’は円形リング状に構成されており、したがってコイル４００と４００’はホール素子２００および２００’に重ならない。このようにしてコイル４００および４００’の巻線とホール素子２００および２００’との間隔が最大となり、ひいてはコイルとそれぞれ対応するホール素子との間のそれぞれの電界強度を低減することができる。このようにしてコイル４００および４００’とホール素子２００および２００’との間の絶縁破壊耐性が格段に大きくなり、このことはコイルとホール素子との間の電位差が大きい場合に有利である。コイルとそれぞれ対応するホール素子２００または２００’とで部分的重なりが生じるコイル４００と４００’を円形リング状に構成することも考えられる。

Claims (7)

1. ・基板（１）と、
   ・該基板（１）に集積された、または該基板（１）上に配置された少なくとも１つのホール素子（２）と、
   ・該ホール素子（２）に実質的に同心に、かつ該ホール素子（２）に対して垂直方向に間隔を置いて配置され、該ホール素子（２）から導電分離された第１のコイル（４）と、
   ・該ホール素子（２）に実質的に同心に、かつ該ホール素子（２）および前記第１のコイル（４）に対して垂直方向に間隔を置いて配置され、該ホール素子（２）から導電分離された第２のコイル（６）とを有し、
   第１のコイル（４）と第２のコイル（６）は、当該コイル（４、６）内に同じ方向で電流が流れるように電気的に直列に接続されている集積回路において、
   ・前記基板（１）に集積された、または該基板（１）上に配置された少なくとも１つの第２のホール素子（２’）と、
   ・該第２のホール素子（２’）に実質的に同心に、かつ該第２のホール素子（２’）に対して垂直方向に間隔を置いて配置され、該第２のホール素子（２’）から導電分離された第３のコイル（４’）と、
   ・該第２のホール素子（２’）に実質的に同心に、かつ該第２のホール素子（２’）と第３のコイル（４’）に対して垂直方向に間隔を置いて配置された第４のコイル（６’）とを有し、
   前記コイル（４、４’、６、６’）は、第３のコイル（４’）と第４のコイル（６’）に電流が同じ方向に流れるように直列に接続され、当該電流の方向は第１のコイル（４）と第２のコイル（６）に流れる電流の方向とは反対であることを特徴とする情報伝送のための集積回路
2. ・前記ホール素子（２）と前記第１のコイル（４）との間に配置された第１の絶縁層（３）と、
   ・前記第１のコイル（４）と前記第２のコイル（６）との間に配置された第２の絶縁層（５）とを有する請求項１に記載の集積回路。
3. 前記ホール素子（２）に実質的に同心に、かつ該ホール素子（２）および前記コイル（４、６）に対して垂直方向に間隔を置いて配置された補償コイル（３０）を有し、
   該補償コイル（３０）は、前記第１のコイル（４）および前記第２のコイル（６）とは別個に制御可能である、請求項１または２に記載の集積回路。
4. 少なくとも２つの補償コイル（６０、６０’）を有し、
   該少なくとも２つの補償コイル（６０、６０’）は対応するホール素子（２、２’）に実質的に同心に、かつ該ホール素子（２、２’）および前記コイル（４、４’、６、６’）に対して垂直方向に間隔を置いて配置されており、
   該補償コイル（６０、６０’）は、前記コイル（４、４’、６、６’）とは別個に制御可能である請求項３に記載の集積回路。
5. 前記コイル（４、４’、６、６’）および／または前記補償コイル（３０、６０、６０’）は偏平コイルである、請求項１から４のいずれか１項に記載の集積回路。
6. 少なくとも１つの前記コイル（４、４’、６、６’）は円形リング状に構成されている、請求項１から５のいずれか１項に記載の集積回路。
7. 少なくとも１つの前記コイル（４、４’、６、６’）は、前記ホール素子（２、２’）との重なり領域が生じないように構成されている、請求項１から６のいずれか１項に記載の集積回路。

Images