JP2015015390A - Offset voltage correction method of hall device and hall sensor employing the same - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、ホール素子のオフセット電圧の打ち消し補正方法とこの方法を用いたホールセンサに関するものである。 The present invention relates to a method for canceling offset voltage of a Hall element and a Hall sensor using this method.
従来、ホールセンサは、直流磁場や磁場の方向も計測でき、IC化技術(集積化技術)により、超小型のホール素子を搭載したホールセンサや種々の増幅回路や補正回路などもIC化技術で一体化してモールドしたものも市販されている。ここで、ホール素子とは、電流端子とホール電圧端子とを有した半導体基板のことの意味であり、一般には、半導体基板に1対の電流端子用のオーム性接触の電極と1対のホール電圧端子用のオーム性接触の電極が形成されており、これらの電極はホール素子の外周に沿って形成してあり、1対の電流端子用電極からホール素子内に流入した電流方向に対して、直交した方向の同一直線上に1対のホール電圧端子用電極が形成されている。 Conventionally, Hall sensors can measure DC magnetic field and direction of magnetic field, and IC technology (integrated technology) enables Hall sensors equipped with ultra-small Hall elements and various amplification circuits and correction circuits to be IC technology. An integrated and molded product is also commercially available. Here, the Hall element means a semiconductor substrate having a current terminal and a Hall voltage terminal. Generally, the semiconductor substrate has an ohmic contact electrode for a pair of current terminals and a pair of holes. Ohmic contact electrodes for voltage terminals are formed, these electrodes are formed along the outer periphery of the Hall element, and with respect to the direction of current flowing into the Hall element from a pair of current terminal electrodes A pair of Hall voltage terminal electrodes are formed on the same straight line in the orthogonal direction.
しかしながら、1対のホール電圧端子用電極が、ホール素子内に流入した電流方向に対して、直交した方向の同一直線上から少しずれている場合や、そうでなくとも電流の流れに偏りがあり、電流の流れに対称性が失われている時など、本来、磁場がゼロの下では、1対のホール電圧端子間電圧がゼロであるはずなのに、ホール電圧Vh以外の電圧であるオフセット電圧(不平衡電圧)Voが発生する。電流の偏りは、ホール素子に温度変化などによる機械的な応力が掛かった時や、ホール素子である半導体基板に不均一な不純物濃度分布が存在している時などに発生する。また、ホール素子は、半導体基板で製作されているから、その抵抗値に大きな温度依存性を有し、特に、ホール素子の1対の電流端子に所定の一定電流(駆動電流)Iを流して駆動する場合は、1対の電流端子間の電圧降下が、その時の温度に基づく温度依存性が大きい抵抗値により変化し、これに伴いオフセット電圧Voもあたかも温度依存性があるように見える。式数1には、ホール素子のホール電圧端子間のホール電圧Vhとオフセット電圧Voとの総合の出力電圧Vtを示す。被測定磁場である外部磁場Bが極めて小さい時には、これに伴うホール電圧Vhも小さくなる。式数1で示すように、(外部)磁場(磁束密度)Bの下でのホール電圧Vhも、このオフセット電圧Voも、共にホール素子に流す電流Iに比例するので、ホール電圧Vhよりもオフセット電圧Voの方が大きい場合もあり、大きな誤差になるから、従来、このオフセット電圧Voを打ち消す方法が種々提案されてきた。式数1で、ホール係数Rh=−1/enで、ホール素子は電子密度(キャリア密度)nのn型半導体基板を用い、電子の電荷素量をeとし、ホール素子の半導体基板の厚み(磁場B方向)をdとしている。また、ΔRは、オフセット電圧Voをその時の流している電流Iで除した値で、等価的なオフセット抵抗である。一定電流(駆動電流)I値と同一のキャリア密度n、同一のホール素子の厚みdと同一の磁場Bの下では、ホール電圧Vhは、一定であるが、オフセット電圧Voは、等価的なオフセット抵抗ΔRの影響のために、移動度μが大きいキャリアを持つ半導体の方が、この等価抵抗ΔRが小さくなるので、オフセット電圧Voも小さくなり、測定精度が向上できる。従って、一般にキャリアが正孔よりは、電子の方が、移動度μが大きいために、n型の半導体をホール素子として用いる。そして、従来、n型Si(シリコン)よりは、n型のGaAs(ヒ化ガリウム)やInSb(インジウムアンチモン)結晶の方が電子の移動度が大きいためにホール素子として用いられてきた。
However, when the pair of Hall voltage terminal electrodes are slightly deviated from the same straight line in the orthogonal direction with respect to the direction of current flowing into the Hall element, the current flow is biased otherwise. When the magnetic field is zero, such as when the symmetry of the current flow is lost, the voltage between the pair of Hall voltage terminals should be zero, but the offset voltage (which is a voltage other than the Hall voltage Vh) Unbalanced voltage) Vo is generated. The current bias occurs when a mechanical stress is applied to the Hall element due to a temperature change or when a non-uniform impurity concentration distribution exists in the semiconductor substrate that is the Hall element. In addition, since the Hall element is made of a semiconductor substrate, its resistance value has a large temperature dependency. In particular, a predetermined constant current (drive current) I is passed through a pair of current terminals of the Hall element. In the case of driving, the voltage drop between the pair of current terminals changes depending on the resistance value having a large temperature dependency based on the temperature at that time, and accordingly, the offset voltage Vo seems to be temperature dependent.
従来、オフセット電圧Voを打ち消す方法として、スピンニングカレント法と呼ばれる、所謂、ホール素子の電流端子とホール電圧端子とを、スイッチで切り替えてそれぞれの電流とホール電圧Vhとを計測して、オフセット電圧Voを差し引いて除去する方法(例えば、特許文献1、特許文献2、特許文献3参照)や、同形状のホール素子を2個直列接続し、ホール素子感受部は互いに直交する向きに近接して配置することで、応力により生じるオフセット電圧を除去する方法(例えば、特許文献4参照)、更には、ホール素子に定電流を流し、出力電圧を差動増幅器により増幅することによってセンサ出力電圧を得る電流センサで、温度変化に伴って変化するホール素子の内部抵抗Riの電圧降下を補償用差動増幅器へ入力して、これに所定の補償用ゲインβで算出して出力し、差動増幅器の電圧出力から補償用差動増幅器の電圧出力を減算してセンサ出力電圧を得るように構成することにより、周囲温度変化によって発生するオフセット電圧を低減させる方法(特許文献5参照)などが提案されていた。
Conventionally, as a method of canceling the offset voltage Vo, a so-called spinning current method, which is a so-called Hall element current terminal and Hall voltage terminal, is switched by a switch and each current and Hall voltage Vh are measured to obtain an offset voltage. A method of subtracting Vo and removing it (see, for example,
しかしながら、スピンニングカレント法では、ホール素子の形状の対称性やホール素子の半導体基板内の抵抗分布に基づくオフセット電圧の発生や、応力による抵抗変化に基づくオフセット電圧の発生、更に、電極のオーム性コンタクトからのずれに基づくオフセット電圧の発生のキャンセルが極めて困難である。また、同形状のホール素子を2個直列接続によるキャンセルでも、特にホール素子の形状の対称性やホール素子の半導体基板内の抵抗分布に基づくオフセット電圧の発生に対しては、補正が困難である。また、ホール素子の内部抵抗Riの電圧降下を補償用差動増幅器へ入力させて、所定の補償用ゲインβで算出して出力させる方式でオフセット電圧をキャンセルさせる方式は、温度変化に基づくオフセット電圧の成分は、キャンセルしやすいが、ゼロ磁場での補正をしていないので、ホール素子の形状の対称性やホール素子の半導体基板内の抵抗分布に基づくオフセット電圧の発生のキャンセルは、困難であり、更に制御回路も複雑になり、複雑な工程のキャンセル法となってしまうという問題があった。 However, in the spinning current method, the offset voltage is generated based on the symmetry of the Hall element shape and the resistance distribution in the semiconductor substrate of the Hall element, the offset voltage is generated based on the resistance change due to the stress, and the ohmic property of the electrode. It is extremely difficult to cancel the generation of the offset voltage based on the deviation from the contact. In addition, even when two Hall elements having the same shape are cancelled in series, it is difficult to correct particularly for the generation of an offset voltage based on the symmetry of the shape of the Hall element and the resistance distribution in the semiconductor substrate of the Hall element. . In addition, a method of canceling the offset voltage by inputting the voltage drop of the internal resistance Ri of the Hall element to the compensation differential amplifier and calculating and outputting with a predetermined compensation gain β is an offset voltage based on a temperature change. This component is easy to cancel, but since it is not corrected with zero magnetic field, it is difficult to cancel the generation of the offset voltage based on the symmetry of the Hall element shape and the resistance distribution in the semiconductor substrate of the Hall element. In addition, the control circuit is also complicated, and there is a problem that it becomes a complicated process cancellation method.
本発明は、上述の従来のホール素子のオフセット電圧Voを打ち消す方法の問題点を解消し、極めて単純な構造で、しかも簡単にオフセット電圧Voを打ち消すことができる方法を提案すると共に、この原理に基づく簡単にオフセット電圧Voを打ち消すことができるホールセンサを提供することを目的としている。本来、オフセット電圧Voを完全に打ち消すことができれば、式数1に示すように、同一の駆動電流I、同一のキャリア密度n、同一の形状のホール素子で同一の外部磁場Bの下では、半導体の種類に依らないホール電圧Vhが得られるはずであるから、移動度μの小さいが、集積回路などが容易で、製造コストも安いシリコン(Si)単結晶基板をホール素子として用いることができることになる。
The present invention eliminates the problems of the above-described method of canceling the offset voltage Vo of the conventional Hall element, proposes a method that can cancel the offset voltage Vo with a very simple structure and easily, and to this principle. An object of the present invention is to provide a Hall sensor that can easily cancel the offset voltage Vo. Originally, if the offset voltage Vo can be completely canceled, as shown in
上記の目的を達成するために、本発明の請求項1に係わるオフセット電圧補正方法は、ホール素子のオフセット電圧補正方法において、1対の電流端子に所定の電流を流して、その時のホール素子内の2点間もしくは前記1対の電流端子間での電圧降下の少なくとも一部を、可変抵抗を備えた抵抗を使用し、該可変抵抗を調節して出力電圧Vdとして取り出し、該出力電圧Vdを利用して、外部磁場ゼロの条件下で、ホール電圧端子に発生するオフセット電圧Voを打ち消すように補正設定したことを特徴とするものである。
In order to achieve the above object, an offset voltage correction method according to
ここで、可変抵抗を備えた抵抗は、全体が可変抵抗であっても良いが、一般には、固定抵抗分と可変抵抗分に分割させている。これらは、温度係数の極めて小さな抵抗を用いる方が良いが、その温度係数が大きくとも、電圧降下を分担させるのに使用するので、可変抵抗分とその他の固定抵抗分とが同一の温度係数を有するものであれば、差支えはない。また、可変抵抗を備えた抵抗に流れる電流は、ホール素子に所定の一定電流(駆動電流と呼ぶ)を流す目的から、ホール素子に流す電流(駆動電流)に比べて1桁以上小さくなるように抵抗値を大きくして置いた方が良い。なお、前記の1対の電流端子に流す所定の電流は、一般には、直流電流であり、直流の定電流源を通して調整され、例えば、1mA(ミリアンペア)程度の一定の直流電流である。 Here, the entire resistor may be a variable resistor, but is generally divided into a fixed resistor and a variable resistor. It is better to use resistors with a very low temperature coefficient, but even if the temperature coefficient is large, they are used to share the voltage drop, so the variable resistance component and the other fixed resistance components have the same temperature coefficient. If it has, there is no problem. Further, the current flowing through the resistor having the variable resistor is set to be smaller by one digit or more than the current (driving current) flowing through the Hall element in order to flow a predetermined constant current (called driving current) through the Hall element. It is better to leave the resistance value higher. The predetermined current flowing through the pair of current terminals is generally a direct current and is adjusted through a direct current source, and is a constant direct current of about 1 mA (milliampere), for example.
そもそも、オフセット電圧Voは、外部磁場(磁束密度)Bがゼロであるときに(少なくとも、ホール素子をBがゼロの環境下に設置する)、1対の電流端子に所定の電流を流したときの1対のホール電圧端子間の電位差であり、これは、1対の電流端子の基準の端子から見たときの1対のホール電圧端子(ホール電圧端子と等電位であるホール電圧端子用電極でも同様である)のそれぞれのホール電圧端子の所定の電流に基づく電圧降下の差である。その原因として、主に次の3つが考えられている。1)1対のホール電圧端子用電極の予定位置からのずれ(対称性のずれ)、2)ホール素子の半導体基板の不純物濃度分布の不均一性、3)モールド樹脂等とホール素子との熱膨張係数の違いによる応力ひずみによるホール素子内抵抗分布の変化、が要因となっている。1)1対のホール電圧端子用電極の予定位置からのずれ(対称性のずれ)は、ホール素子の半導体基板が矩形であり、均一な不純物濃度分布で有れば、1対の電流端子用電極間を結ぶ直線に対して、直交する方向の直線上に1対のホール電圧端子用電極が存在すべきであるが、製造工程上で、マスク合わせのずれなどに起因して、発生するものである。従って、所定の電流として、同一の電流を1対の電流端子に流すと、磁場(磁束密度)Bがゼロであっても、1対のホール電圧端子間に電圧降下の差であるオフセット電圧(不平衡電圧)Voが発生する。このオフセット電圧Voは、電流端子間に流す電流Iに正比例する。また、2)ホール素子の半導体基板の不純物濃度分布の不均一性によるオフセット電圧Voは、上述の対称性のずれがなくとも、発生するもので、ホール素子の半導体基板内の抵抗分布が異なることになるので、1対のホール電圧端子用電極を通る電流値が異なることになり、電圧降下の違いが発生するものである。また、3)モールド樹脂等とホール素子との熱膨張係数等によるホール素子との熱膨張係数の違いによる応力ひずみによるホール素子内抵抗分布の変化によるオフセット電圧Voも、結局は、ホール素子内抵抗の違いに基づく電圧降下の違いによるものである。 In the first place, the offset voltage Vo is when the external magnetic field (magnetic flux density) B is zero (at least when the Hall element is installed in an environment where B is zero), and when a predetermined current is passed through a pair of current terminals. This is a potential difference between a pair of hall voltage terminals, which is a pair of hall voltage terminals (a hall voltage terminal electrode having the same potential as the hall voltage terminal) when viewed from the reference terminal of the pair of current terminals. However, the same is true), and a difference in voltage drop based on a predetermined current at each Hall voltage terminal. There are three main reasons for this. 1) Deviation from a predetermined position of a pair of Hall voltage terminal electrodes (symmetry deviation), 2) Non-uniformity of impurity concentration distribution of the semiconductor substrate of the Hall element, and 3) Heat between the mold resin and the Hall element. This is caused by a change in resistance distribution in the Hall element due to stress strain due to a difference in expansion coefficient. 1) The deviation of the pair of Hall voltage terminal electrodes from the expected position (symmetry deviation) is that the Hall element semiconductor substrate is rectangular and has a uniform impurity concentration distribution. There should be a pair of Hall voltage terminal electrodes on a straight line in a direction perpendicular to the straight line connecting the electrodes, but this occurs due to misalignment of the mask in the manufacturing process. It is. Therefore, when the same current is passed through a pair of current terminals as a predetermined current, even if the magnetic field (magnetic flux density) B is zero, an offset voltage (a difference in voltage drop between the pair of Hall voltage terminals) Unbalanced voltage) Vo is generated. This offset voltage Vo is directly proportional to the current I flowing between the current terminals. 2) The offset voltage Vo due to the non-uniformity of the impurity concentration distribution in the semiconductor substrate of the Hall element is generated even without the above-described symmetry shift, and the resistance distribution in the semiconductor substrate of the Hall element is different. Therefore, the current values passing through the pair of Hall voltage terminal electrodes are different, and a difference in voltage drop occurs. 3) The offset voltage Vo due to the change in the resistance distribution in the Hall element due to the stress strain due to the difference in the thermal expansion coefficient between the mold resin and the Hall element due to the thermal expansion coefficient, etc. This is due to the difference in voltage drop based on the difference.
本発明のオフセット電圧補正方法の原理は、次のようである。先ず、上述の3つのオフセット電圧の発生の原因は、1対の電流端子の基準の端子から見たときの1対のホール電圧端子のそれぞれのホール電圧端子(または、ホール電圧端子用電極)までの抵抗値が異なることに基づく電圧降下の差であると結論付けることができる。そして、これらの抵抗値は、半導体基板であるホール素子内の半導体抵抗であるからその抵抗温度係数が大きい。しかし、この抵抗は、縮退するほど高濃度不純物であると金属的な抵抗温度係数である正の温度係数(温度上昇と共に抵抗値が大きくなる)であり、低濃度では、負の温度係数(温度上昇と共に抵抗値が小さくなる)である。従って、電流端子に所定の一定電流を流した状態では、正の抵抗温度係数では、環境温度の温度上昇と共に、ホール素子内の半導体抵抗が大きくなるので、これに連れて電圧降下の差であるオフセット電圧Voも大きくなる。また、負の抵抗温度係数では、環境温度の温度上昇と共に、ホール素子内の半導体抵抗が小さくなるので、これに連れて電圧降下の差であるオフセット電圧Voも小さくなる。このように、オフセット電圧Voだけを見ると、オフセット電圧Voの絶対値の温度依存性はホール素子の試料毎に異なっているように見えてしまいます。しかしながら、ホール素子内の半導体抵抗の分布自体は、同一の温度依存性を有するので、元の値に対しての比率は、温度依存性をほとんど持たなくなってしまうものである。すなわち、ホール素子自体を小さな形状にして、周囲温度が変化してもホール素子内での温度分布がなく、ほぼ一様な温度であると見做すことができるようにすれば、1対の電流端子間の抵抗R23に対して、1対の電流端子の基準の端子3から見たときの1対のホール電圧端子のそれぞれのホール電圧端子4とホール電圧端子5のそれぞれの対応する抵抗R43と抵抗R53とは、それらの比率であるR43/ R23とR53/ R23は、ほとんど周囲温度依存性はないものである。もちろん、1対の電流端子間の抵抗R23でなくとも、ホール素子が一定の均一温度になっているならば、ホール素子である半導体基板のどこの2点間の抵抗でも同様に、同一の温度係数で変化するから、比率にすることによって互いに温度依存性を打ち消すことが可能になる。本発明は、これらの効果を利用して、1対の電流端子間の抵抗R23でなくとも、ホール素子が一定の均一温度になっているならば、ホール素子である半導体基板の2点間の抵抗を利用し、これを抵抗温度係数がほぼゼロである抵抗で分割して、この中に可変抵抗を備えて、外部磁場Bがゼロの状態で分担電圧を調節ようにしてオフセット電圧を打ち消すように補正を行うようにしたものである。
The principle of the offset voltage correction method of the present invention is as follows. First, the cause of the occurrence of the above three offset voltages is to each Hall voltage terminal (or Hall voltage terminal electrode) of the pair of Hall voltage terminals as viewed from the reference terminal of the pair of current terminals. It can be concluded that this is a voltage drop difference based on the difference in resistance value. Since these resistance values are semiconductor resistances in the Hall element that is a semiconductor substrate, the resistance temperature coefficient thereof is large. However, this resistance has a positive temperature coefficient (resistance value increases as the temperature rises), which is a metallic resistance temperature coefficient when the impurity concentration is high enough to degenerate, and a negative temperature coefficient (temperature) at a low concentration. The resistance value decreases with increasing). Therefore, in a state where a predetermined constant current is passed through the current terminal, the positive resistance temperature coefficient increases the semiconductor resistance in the Hall element as the ambient temperature rises. The offset voltage Vo also increases. Further, with a negative resistance temperature coefficient, as the ambient temperature rises, the semiconductor resistance in the Hall element decreases, and accordingly, the offset voltage Vo, which is the difference in voltage drop, also decreases. Thus, when only the offset voltage Vo is viewed, the temperature dependence of the absolute value of the offset voltage Vo appears to be different for each Hall element sample. However, since the semiconductor resistance distribution itself in the Hall element has the same temperature dependency, the ratio to the original value hardly has the temperature dependency. That is, if the Hall element itself is made into a small shape so that even if the ambient temperature changes, there is no temperature distribution in the Hall element, and it can be assumed that the temperature is almost uniform. A resistance R43 between each of the
上述の1)と2)の原因によるオフセット電圧Voの補正は、ホール素子を一度製作してしまうと抵抗分布等の比率は定まってしまうので、ホール素子を製作した時に行っても良いが、3)に基づくオフセット電圧Voの補正は、例えば、モールド樹脂にパッケージ化したときに発生するものであり、このようなパッケージ化が行われた後に、実際に、電流センサなどに組み込まれて使用される時の動作環境の電流端子への供給電流、環境温度の中での外部磁場B=0(ゼロ磁場)で行うのが良い。そして、モールド樹脂とホール素子との熱膨張係数を、可能な限り、合わせておくようにすることも大切である。更に、ホール素子とモールド樹脂との間は、ホール素子に大きな応力が掛かりにくくするために、隙間や柔軟な物質での充填などにより多少の自由度を許すような構造にすることも良い。上述のことを考慮すると、ホール素子と可変抵抗を備えた抵抗とを組み込み、モールドが必要ならばモールド樹脂でパッケージ化した後に、所定の温度、所定の駆動電流(電流端子に流す電流)の下で、更に、磁場Bがゼロの状態で、前記可変抵抗から出力電圧Vdを取り出し、前記可変抵抗によりオフセット電圧Voを打ち消すように調節すると良い。 The correction of the offset voltage Vo due to the causes 1) and 2) described above may be performed when the Hall element is manufactured because the ratio of the resistance distribution and the like is determined once the Hall element is manufactured. The correction of the offset voltage Vo based on () occurs, for example, when packaged in a mold resin, and after such packaging has been performed, it is actually incorporated into a current sensor or the like. It is good to carry out with the external magnetic field B = 0 (zero magnetic field) in the current supplied to the current terminal of the operating environment and the ambient temperature. It is also important to match the thermal expansion coefficients of the mold resin and the Hall element as much as possible. Furthermore, in order to make it difficult for a large stress to be applied to the Hall element between the Hall element and the mold resin, it may be structured to allow some degree of freedom by filling with a gap or a flexible material. In consideration of the above, after incorporating a Hall element and a resistor having a variable resistor and packaging with a mold resin if necessary, a predetermined temperature and a predetermined driving current (current flowing through a current terminal) are reduced. Further, it is preferable that the output voltage Vd is taken out from the variable resistor in a state where the magnetic field B is zero, and the offset voltage Vo is adjusted to be canceled by the variable resistor.
本発明の請求項2に係わるオフセット電圧補正方法は、ホール素子の片側に1個のホール電圧端子用電極(40)を形成し、これから一方のホール電圧端子(4)を取り出し、反対側には、2個のホール電圧端子用電極(50a、50b)を形成しておき、該2個のホール電圧端子用電極(50a、50b)からこれらに対応する他方の2個のホール電圧端子(5a、5b)を取り出し、該2個のホール電圧端子(5a、5b)間に、前記可変抵抗を備えた抵抗を接続してあり、該可変抵抗から出力電圧Vdが取り出せるようにした場合である。
In the offset voltage correction method according to
前述のように、ホール素子の半導体基板が矩形であり、均一な不純物濃度分布で有れば、1対の電流端子用電極間を結ぶ直線に対して、直交する方向の直線上に1対のホール電圧端子用電極を設けて、対称性の良い電極配置にすることが望まれるが、この対称性がずれたり、ずれていなくとも、駆動電流の電流分布が対称性でないためにオフセット電圧Voが発生していることがある。いずれにしても、上述のように、ホール素子の半導体基板内の任意の2点間の抵抗に対する他の異なる2点間(1点を共有していても良い)の抵抗との抵抗比(抵抗比率)は、温度依存性をほとんど有しないので、この作用と効果を利用してオフセット電圧Voを打ち消し補正するものである。 As described above, if the semiconductor substrate of the Hall element is rectangular and has a uniform impurity concentration distribution, a pair of straight lines in a direction perpendicular to a straight line connecting a pair of current terminal electrodes is formed. It is desirable to provide an electrode for the Hall voltage terminal and to have an electrode arrangement with good symmetry, but even if this symmetry is shifted or not shifted, the offset voltage Vo is not symmetrical because the current distribution of the drive current is not symmetrical. It may have occurred. In any case, as described above, the resistance ratio (resistance) between two different points (may share one point) with respect to the resistance between any two points in the semiconductor substrate of the Hall element Since the ratio) has almost no temperature dependence, the offset voltage Vo is canceled and corrected using this action and effect.
ここでは、1対の電流端子用電極間を結ぶ直線に対して、直交する方向の直線上で、ホール素子の半導体基板の片側に1個のホール電圧端子用電極(40)を形成し、更に、直交する方向の直性を挟んで、2個のホール電圧端子用電極(50a、50b)をホール素子の半導体基板の反対側に形成して、これらの2個のホール電圧端子用電極(50a、50b)から直接でも良いが、一般には、それらの端子であるホール電圧端子(5a、5b)の間に可変抵抗を備えた抵抗を接続しておき、所定の(駆動)電流の下、磁場Bがゼロの状態で、前記可変抵抗からの出力電圧Vdでオフセット電圧Voを打ち消すようにするものである。この可変抵抗からの出力電圧Vdは、ホール電圧端子(5a、5b)間電位を、可変抵抗を備えた抵抗で分割して可変抵抗から取り出した電位であり、共通の電流端子3との間の電位として動作させることができる。この出力電圧Vdを、例えば、一方のホール電圧端子用電極(40)に対応するホール電圧端子4と共通の電流端子3との間の電位差V43と等しくなるように可変抵抗の値を調整すれば、電位差V43と出力電圧Vdとが等しいので、例えば、これらを差動増幅して打ち消し、そのオフセット電圧Voをゼロにすることができる。このとき、可変抵抗を備えた抵抗側に流れる電流が、前記駆動電流によりホール素子に流れる電流に比べて無視できるほど小さくなるように、可変抵抗を備えた抵抗の抵抗値を、ホール電圧端子用電極(50a、50b)間での抵抗値に比べて少なくとも一桁以上大きくなるように設定すると良い。
Here, one Hall voltage terminal electrode (40) is formed on one side of the semiconductor substrate of the Hall element on a straight line in a direction orthogonal to the straight line connecting the pair of current terminal electrodes, The two Hall voltage terminal electrodes (50a, 50b) are formed on the opposite side of the Hall element semiconductor substrate, and the two Hall voltage terminal electrodes (50a) 50b), but in general, a resistor having a variable resistor is connected between the Hall voltage terminals (5a, 5b) which are the terminals, and a magnetic field is applied under a predetermined (drive) current. In the state where B is zero, the offset voltage Vo is canceled by the output voltage Vd from the variable resistor. The output voltage Vd from the variable resistor is a potential obtained by dividing the potential between the Hall voltage terminals (5a, 5b) by a resistor having a variable resistor and taking out from the variable resistor. It can be operated as a potential. If the value of the variable resistor is adjusted so that this output voltage Vd becomes equal to the potential difference V43 between the
本発明の請求項3に係わるオフセット電圧補正方法は、1対の電流端子と1対のホール電圧端子を備えたホール素子であって、該1対の電流端子間に並列に、前記可変抵抗を備えた抵抗を挿入して、前記電流端子の所定の電流の下で、該可変抵抗からの電圧降下による出力電圧Vdを取り出し、該出力電圧Vdをホール電圧端子間の電圧に係る出力電圧に加算もしくは減算させて、オフセット電圧Voを打ち消すようにした場合である。
An offset voltage correction method according to
前記請求項2では、ホール素子の半導体基板内に形成した2個のホール電圧端子用電極(50a、50b)に対応するホール電圧端子(5a、5b)間電位を、可変抵抗を備えた抵抗で分割して可変抵抗から取り出したVdを利用したものであったが、ここでは、これらの2個のホール電圧端子用電極(50a、50b)を、謂わば、その極限として電流端子用電極(20、30)とし、それらに対応する電流端子2と電流端子3間に可変抵抗を備えた抵抗を接続した形とも考えることができる。そして、その基準電位を共通の電流端子3(ここは、アース電位としても良い)として、可変抵抗での電圧降下である分担電圧をの出力電圧Vdとして取り出し、この値を、例えば、オフセット電圧Voに等しくなるように、可変抵抗を調節して、オフセット電圧Voから差し引く(符号が逆の場合は、加算する)ようにして、オフセット電圧Voを打ち消すものである。ホール素子の設計変更なしに、既存のホール素子の4つの端子を用いて、オフセット電圧Voを打ち消し補正できるという利点がある。なお、オフセット電圧Voと可変抵抗での電圧降下である分担電圧の出力電圧Vdとが常に同一符号であると差動増幅器を用いて簡単にオフセット電圧Voを打ち消すことができる。従って、上述のように、1対の電流端子用電極間を結ぶ直線に対して、直交する方向の直線上に1対のホール電圧端子用電極が存在すべきであるが、1対のホール電圧端子用電極の微妙な位置ずれにより、オフセット電圧Voが、正の符号の電圧になったり、負の符号の電圧になったりして、加算処理か、減算処理かで回路が異なる。これを防止するために、確実に正の符号のオフセット電圧Voが発生するように、一方のホール電圧端子用電極を、上記の直交する方向の直線上から敢えてずらして形成しておくことも良い。
According to the second aspect of the present invention, the potential between the Hall voltage terminals (5a, 5b) corresponding to the two Hall voltage terminal electrodes (50a, 50b) formed in the semiconductor substrate of the Hall element is represented by a resistor having a variable resistor. The Vd divided and taken out from the variable resistor was used, but here, these two Hall voltage terminal electrodes (50a, 50b) are called current terminal electrodes (20 30), and a resistor having a variable resistor connected between the
なお、オフセット電圧Voと可変抵抗での電圧降下である分担電圧の出力電圧Vdとが常に同一符号であると差動増幅器を用いて簡単にオフセット電圧Voを打ち消すことができる。従って、上述のように、1対の電流端子用電極間を結ぶ直線に対して、直交する方向の直線上に1対のホール電圧端子用電極が存在すべきであるが、1対のホール電圧端子用電極の微妙な位置ずれにより、オフセット電圧Voが、正の符号の電圧になったり、負の符号の電圧になったりして、加算処理か、減算処理かで回路が異なる。これを防止するために、確実に正の符号のオフセット電圧Voを発生させ、このオフセット電圧Voを正の符号で発生する可変抵抗からの出力電圧Vdで差動動作(減算処理回路)により打ち消すように、一方のホール電圧端子用電極を、上記の直交する方向の直線上から敢えてずらして形成しておくと良い。 If the offset voltage Vo and the output voltage Vd of the shared voltage, which is a voltage drop across the variable resistor, always have the same sign, the offset voltage Vo can be easily canceled using a differential amplifier. Therefore, as described above, a pair of Hall voltage terminal electrodes should exist on a straight line in a direction orthogonal to a straight line connecting the pair of current terminal electrodes. The offset voltage Vo becomes a positive sign voltage or a negative sign voltage due to a slight positional shift of the terminal electrode, and the circuit differs depending on the addition process or the subtraction process. In order to prevent this, an offset voltage Vo having a positive sign is surely generated, and this offset voltage Vo is canceled by a differential operation (subtraction processing circuit) with an output voltage Vd from a variable resistor generated with a positive sign. In addition, one Hall voltage terminal electrode may be formed by deviating from the above-described straight line in the orthogonal direction.
本発明の請求項4に係わるホールセンサは、ホール素子のオフセット電圧Voを補正するようにしたホールセンサにおいて、ホール素子の片側に1個のホール電圧端子用電極(40)を形成し、これから一方のホール電圧端子(4)を取り出し、ホール素子の反対側には、2個のホール電圧端子用電極(50a、50b)を形成しておき、該2個のホール電圧端子用電極(50a、50b)からこれらに対応する他方の2個のホール電圧端子(5a、5b)を取り出し、該2個のホール電圧端子(5a、5b)間に、前記可変抵抗を備えた抵抗を接続してあり、該可変抵抗から出力電圧Vdが取り出せるようにしたことを特徴とするものである。 According to a fourth aspect of the present invention, there is provided a Hall sensor that corrects the offset voltage Vo of the Hall element, wherein one Hall voltage terminal electrode (40) is formed on one side of the Hall element, The Hall voltage terminal (4) is taken out, two Hall voltage terminal electrodes (50a, 50b) are formed on the opposite side of the Hall element, and the two Hall voltage terminal electrodes (50a, 50b) are formed. ), The other two Hall voltage terminals (5a, 5b) corresponding to these are taken out, and a resistor having the variable resistance is connected between the two Hall voltage terminals (5a, 5b), The output voltage Vd can be taken out from the variable resistor.
ここでは、前記請求項2におけるオフセット電圧補正方法を、物の発明として、ホール素子を有するホールセンサを提供するものである。2個のホール電圧端子用電極(50a、50b)は、上述のように、1対の電流端子用電極間を結ぶ直線に対して、直交する方向の直線上で、ホール素子の半導体基板の片側に1個のホール電圧端子用電極(40)を形成し、更に、前記直交する方向の直性を挟んで、2個のホール電圧端子用電極(50a、50b)をホール素子の半導体基板の反対側に形成した方が良く、これらの電極は、一般のホール素子のように、ホール素子の半導体基板の外周部に形成する方が良い。また、2個のホール電圧端子用電極(50a、50b)間の半導体基板内抵抗値よりも1桁以上大きな抵抗の可変抵抗を備えた抵抗の抵抗値にした方が、可変抵抗を備えた抵抗への流入電流が小さくて済み、望ましいが、余り大きな抵抗になるとノイズの発生源になるから、2個のホール電圧端子用電極(50a、50b)間の半導体基板内抵抗値が小さい方が好ましい。従って、2個のホール電圧端子用電極(50a、50b)間の距離を可能な限り小さくさせて形成した方が良い。もちろん、このホールセンサの可変抵抗から出力電圧Vdを利用し、オフセット電圧Voを打ち消すようにするものである。
In this case, the offset voltage correction method according to
本発明の請求項5に係わるホールセンサは、前記可変抵抗を調整して、その時の出力電圧Vdを利用して、ホール素子のオフセット電圧Voを打ち消すように設定できるようにした場合である。
The Hall sensor according to
例えば、所定の電流(駆動電流)、通常使用する環境温度の下で、更に、磁場B(磁束密度)がゼロの環境下にホール素子を設置し、前記可変抵抗を調整して、その時の出力電圧Vdと、もう一方のホール電圧端子4の電位とをOPアンプなどの差動増幅で差動動作させて、その出力電圧がゼロになるようにすれば、ホール素子のオフセット電圧Voを打ち消すように設定することができる。すなわち、磁場Bがゼロの環境下で、一方のホール電圧端子4の電位と出力電圧Vdとを等しくすることになる。なお、出力電圧Vdは、共通の電流端子3(一般に、この共通の電流端子3をアース電位とさせる)と可変抵抗の可動部端子の電位との差、すなわち、アース電位から可変抵抗の可動部端子までの電圧降下に対応する出力電圧である。
For example, a Hall element is installed under a predetermined current (drive current) and normal ambient temperature, and a magnetic field B (magnetic flux density) is zero, and the variable resistance is adjusted to output at that time. If the voltage Vd and the potential of the other
本発明の請求項6に係わるホールセンサは、ホール素子のオフセット電圧Voを補正するようにしたホールセンサにおいて、1対の電流端子間に並列に、可変抵抗を備えた抵抗を挿入してあり、前記1対の電流端子に流す所定の電流の下で、外部磁場ゼロ時における前記可変抵抗での電圧降下である出力電圧Vdを利用して、その時の1対のホール電圧端子間のオフセット電圧Voを打ち消すように前記可変抵抗を調整したことを特徴とするものである。
The Hall sensor according to
ここでは、前記請求項3におけるオフセット電圧補正方法を、物の発明として、ホール素子を有するホールセンサを提供するものである。ここでも、出力電圧Vdは、共通の電流端子3(一般に、この共通の電流端子3をアース電位とさせる)と可変抵抗の可動部端子の電位との差、すなわち、可変抵抗のアース電位から可動部端子までの電圧降下に対応する出力電圧である。なお、ここでは、ホール素子には、1対の電流端子用電極と1対のホール電圧端子用電極とそれぞれに対応する端子を備えているもので、1対のホール電圧端子間の電圧は、磁場Bがゼロの環境下では、オフセット電圧Voに対応する。例えば、外部磁場Bがゼロ時(ゼロの環境下)における前記可変抵抗からの出力電圧Vdを、このオフセット電圧Voに等しくさせるように可変抵抗を調整し、これをオフセット電圧Voから差し引くようにさせてオフセット電圧Voを打ち消すようにさせることができる。もちろん、いずれか一方、もしくは両方とも増幅した後に、差し引くようにして、オフセット電圧Voを打ち消すようにしても良い。
In this case, the offset voltage correction method according to
本発明の請求項7に係わるホールセンサは、前記出力電圧Vdを、1対のホール電圧端子間の電圧に基づく出力電圧に加算もしくは減算してオフセット電圧Voを打ち消すようにする演算回路を備えた場合である。 The Hall sensor according to claim 7 of the present invention includes an arithmetic circuit that cancels the offset voltage Vo by adding or subtracting the output voltage Vd to or from an output voltage based on a voltage between a pair of Hall voltage terminals. Is the case.
ここでは、前述のように、例えば、出力電圧Vdとオフセット電圧Voとを等しくさせて、符号が同一の場合は、OPアンプなどによる減算処理回路による減算をさせ、符号が逆の場合は、加算処理回路による加算をさせて、オフセット電圧Voを打ち消すようにする演算回路を備えたホールセンサを提供する場合である。オフセット電圧Voは、一般に、1対のホール電圧端子間の電圧をOPアンプなどで差動増幅させる。オフセット電圧VoをそのままOPアンプの出力値にさせるには、OPアンプの増幅率を1になるようにすればよい。ここでは、OPアンプの増幅率が1でない場合でも、出力電圧Vdを増幅されたオフセット電圧Voに等しくさせて、例えば、減算によりオフセット電圧Voを打ち消すようにすることもできる。 Here, as described above, for example, the output voltage Vd and the offset voltage Vo are made equal, and when the signs are the same, the subtraction processing circuit such as an OP amplifier performs subtraction, and when the signs are opposite, the addition is performed. This is a case where a Hall sensor is provided that includes an arithmetic circuit that performs addition by a processing circuit to cancel the offset voltage Vo. In general, the offset voltage Vo differentially amplifies the voltage between a pair of Hall voltage terminals by an OP amplifier or the like. In order to set the offset voltage Vo to the output value of the OP amplifier as it is, the amplification factor of the OP amplifier may be set to 1. Here, even when the amplification factor of the OP amplifier is not 1, the output voltage Vd can be made equal to the amplified offset voltage Vo, and the offset voltage Vo can be canceled by subtraction, for example.
本発明の請求項8に係わるホールセンサは、前記可変抵抗を備えた抵抗、もしくは、前記可変抵抗を備えた抵抗のうちの固定抵抗分を前記ホール素子と一体化させて形成した場合である。 A Hall sensor according to an eighth aspect of the present invention is a case in which a resistor having the variable resistor or a fixed resistance component of the resistor having the variable resistor is formed integrally with the Hall element.
可変抵抗を備えた抵抗は、すべて可変抵抗だけで構成しても良いが、正確なオフセット電圧Voの打ち消しには、やはり、固定抵抗と可変抵抗との組合せが好適である。可変抵抗からの出力電圧Vdの調整は、上述したように、モールド樹脂とホール素子の半導体基板との熱膨張係数の違いなどによる応力によりオフセット電圧Voが発生する可能性を考慮すると、モールド樹脂によるパッケージ化が済んでからオフセット電圧Voを打ち消すようにした方が良い。従って、ここでは、可変抵抗を備えた抵抗、すなわち、可変抵抗と固定抵抗を組合せた抵抗をプリント基板などに一体化させたり、可変抵抗をホール素子との一体化からはずして、せめて固定抵抗分だけでも前記ホール素子と一体化させるようにした場合である。 All the resistors having the variable resistors may be composed of only the variable resistors, but a combination of a fixed resistor and a variable resistor is suitable for canceling the accurate offset voltage Vo. As described above, the adjustment of the output voltage Vd from the variable resistor is based on the mold resin, considering the possibility that the offset voltage Vo is generated due to the stress due to the difference in thermal expansion coefficient between the mold resin and the semiconductor substrate of the Hall element. It is better to cancel the offset voltage Vo after packaging. Therefore, here, a resistor having a variable resistance, that is, a combination of a variable resistor and a fixed resistor is integrated with a printed circuit board or the like, or the variable resistor is removed from the integration with the Hall element, so that at least the fixed resistor It is a case where it is made to integrate only with the said Hall element.
例えば、ホール素子の半導体基板の上の絶縁薄膜の上に、抵抗率が大きくて、抵抗温度係数の小さい金属であるニクロムをスパッタリング形成して、これをフォトリソグラフィによりパターン化して、所望の抵抗値になるようにしておき、これをホール素子の半導体基板に一体化した固定抵抗として使用するようにすることもできる。このとき、この固定抵抗の途中から端子を取り出し、外部に取り付ける可変抵抗用の端子として利用することができる。もちろん、固定抵抗を、例えば、パッケージ化するモールド樹脂の中に埋め込み、一体化させることもできる。また、プリント基板にホール素子と共に、固定抵抗と可変抵抗を一体化させたホールセンサを製作することもできる。また、可変抵抗部を、プリント基板等に形成した薄膜抵抗としておき、レーザトリミング等で所望の抵抗値に調整するようにしても良い。 For example, Nichrome, which is a metal having a high resistivity and a small temperature coefficient of resistance, is formed by sputtering on an insulating thin film on a semiconductor substrate of a Hall element, and this is patterned by photolithography to obtain a desired resistance value. This can be used as a fixed resistor integrated with the semiconductor substrate of the Hall element. At this time, a terminal can be taken out from the middle of the fixed resistor and used as a terminal for a variable resistor attached to the outside. Of course, the fixed resistor can also be integrated by being embedded in, for example, a mold resin to be packaged. It is also possible to manufacture a hall sensor in which a fixed resistor and a variable resistor are integrated together with a hall element on a printed board. Further, the variable resistance portion may be a thin film resistor formed on a printed circuit board or the like, and may be adjusted to a desired resistance value by laser trimming or the like.
本発明の請求項9に係わるホールセンサは、SOI基板のSOI層もしくはSOI層上に形成した半導体層に、少なくともホール素子の磁気感応部を形成した場合である。 The Hall sensor according to a ninth aspect of the present invention is a case where at least the magnetically sensitive portion of the Hall element is formed in the SOI layer of the SOI substrate or the semiconductor layer formed on the SOI layer.
SOI基板とは、シリコン単結晶半導体基板(下地基板)の上に、電気絶縁層(以降、単に、絶縁層と呼ぶ)であるSiの酸化膜であるSiO2膜(BOX層と呼ぶ)を介して、薄いシリコン単結晶半導体層(SOI層と呼ぶ)を張り付けた半導体基板である。このSOI層は、0.1マイクロメートル(μm)から50μm程度の厚さまであり、市販されている。最近の集積回路(IC)は、このSOI層に形成されることが多く、また、MEMS技術でも、上記BOX層をエッチングストッパとして利用するなどして、BOX層も含むSOI層のダイアフラム構造、架橋構造やカンチレバ構造などを、それの下部に空洞を持たせて形成するなどの応用が盛んになっている。本発明でもホール素子は、式数1でも分かるように、その厚みが薄い方が有利であり、更に、磁気収束用の磁性体を取り付けるにもやはり薄い方が有利なので、SOI層にホール素子を形成すること、更に、Si以外の半導体である電子移動度μが大きいインジウムアンチモン(InSb)結晶薄膜の半導体層を保持させる点からも有利であり、SOI基板に集積回路も作れることと併せて利点が多い。なお、ホール素子の磁気感応部とは、1対の電流端子用電極と1対のホール電圧端子用電極(またはこれに対応する電極)で囲まれる外部磁場Bに感応する半導体領域のことを言う。
An SOI substrate is an Si 2 oxide film (referred to as a BOX layer) that is an Si oxide film, which is an electrical insulating layer (hereinafter simply referred to as an insulating layer), on a silicon single crystal semiconductor substrate (underlying substrate). A semiconductor substrate to which a thin silicon single crystal semiconductor layer (referred to as an SOI layer) is attached. This SOI layer has a thickness of about 0.1 μm (μm) to about 50 μm and is commercially available. Recent integrated circuits (ICs) are often formed on this SOI layer. Also in the MEMS technology, the above BOX layer is used as an etching stopper, etc., so that the diaphragm structure of the SOI layer including the BOX layer, cross-linking Applications such as forming a structure or a cantilever structure with a cavity below it are becoming popular. In the present invention, as can be seen from the
本発明の請求項10に係わるホールセンサは、SOI基板に、ホール素子を駆動し、該ホール素子に係る信号を増幅、演算等をする集積回路の少なくともその一部を、ホール素子と一体化させて形成した場合である。 According to a tenth aspect of the present invention, there is provided a Hall sensor in which an Hall element is driven on an SOI substrate, and at least a part of an integrated circuit for amplifying and calculating a signal related to the Hall element is integrated with the Hall element. Is formed.
上述のように、SOI基板は、集積回路を形成するには、好都合な半導体基板である。従って、コンパクトな磁気センサであるホールセンサを提供するには、基本的な集積回路を別に設けなくとも済むように、SOI基板に少なくとも必要な集積回路のその一部を一体形成させた場合である。 As mentioned above, SOI substrates are convenient semiconductor substrates for forming integrated circuits. Therefore, in order to provide a Hall sensor which is a compact magnetic sensor, at least a part of the necessary integrated circuit is integrally formed on the SOI substrate so that a basic integrated circuit is not required. .
本発明の請求項11に係わるホールセンサは、磁界収束用磁性体を備えた場合である。 A Hall sensor according to an eleventh aspect of the present invention includes a magnetic body for converging magnetic fields.
例えば、半導体薄膜基板から成るホール素子の表側と裏側、又は少なくともその一方の側に、磁界収束用磁性体としての高透磁率の軟磁性体であるフェライトのチップを接着剤で張り付けるなどして、被測定磁場(外部磁場)Bの磁束をホール素子に集束させて強めさせてホールセンサの高感度化を狙う目的で使用する場合である。これらの磁界収束用磁性体は、モールド樹脂の中に埋め込んで形成しても良い。 For example, by adhering a ferrite chip, which is a soft magnetic material having a high magnetic permeability, as a magnetic material for converging magnetic fields, to the front side and back side of the Hall element made of a semiconductor thin film substrate, or at least one side thereof. This is a case where the magnetic field to be measured (external magnetic field) B is used for the purpose of increasing the sensitivity of the Hall sensor by focusing and strengthening the magnetic flux on the Hall element. These magnetic bodies for converging magnetic fields may be formed by being embedded in a mold resin.
本発明の請求項12に係わるホールセンサは、SOI基板の下地基板のうち、少なくとも前記磁気感応部の下部にあたる領域に空洞を形成して、該空洞の中に磁界収束用磁性体を備えるようにした場合である。 In a Hall sensor according to a twelfth aspect of the present invention, a cavity is formed at least in a region corresponding to a lower portion of the magnetically sensitive portion of a base substrate of an SOI substrate, and a magnetic body for converging a magnetic field is provided in the cavity. This is the case.
上記したように、SOI基板、特に、その下地基板にMEMS技術により容易に空洞を形成することができる。この空洞に磁界収束用磁性体を挿入固定することにより、薄いSOI層に形成されたホール素子の磁気感応部に極めて近接して磁界収束用磁性体を設置できるので、高感度化されたホールセンサが提供される。もちろん、ホール素子の上部にも磁界収束用磁性体を近接して設けることにより、下部の空洞に挿入した磁界収束用磁性体とその上部の磁界収束用磁性体との間隔が、ほぼ薄いSOI層のホール素子の磁気感応部に接近して設けられるので、これらの磁気抵抗が減少して、より強い磁場Bが磁気感応部を貫く。従って、高感度でコンパクトなホールセンサが提供できる。 As described above, the cavity can be easily formed in the SOI substrate, particularly, the base substrate by the MEMS technique. By inserting and fixing the magnetic body for magnetic field convergence in this cavity, the magnetic body for magnetic field convergence can be installed very close to the magnetic sensitive part of the Hall element formed in the thin SOI layer. Is provided. Of course, by providing a magnetic field converging magnetic body close to the upper part of the Hall element, the SOI layer in which the distance between the magnetic field converging magnetic body inserted into the lower cavity and the magnetic field converging magnetic body thereabove is almost thin Since these magnetic resistances are reduced, a stronger magnetic field B penetrates the magnetic sensitive part. Therefore, a highly sensitive and compact Hall sensor can be provided.
本発明のホール素子のオフセット電圧補正方法は、ホール素子内の2点間もしくは前記1対の電流端子間での電圧降下の少なくとも一部の電圧降下を利用し、この電圧降下分を可変抵抗で分圧しているので、この分担電圧に対応する出力電圧Vdは、所定の一定電流での駆動電流の下では、環境温度が変化に対してオフセット電圧Voと正比例関係で変化する。従って、出力電圧Vdとオフセット電圧Voとは、温度に対して比例関係にあり、差動増幅回路等で容易にオフセット電圧Voを打ち消すことができるという利点がある。 The Hall element offset voltage correction method of the present invention utilizes at least a part of the voltage drop between two points in the Hall element or between the pair of current terminals, and this voltage drop is controlled by a variable resistor. Since the voltage is divided, the output voltage Vd corresponding to the shared voltage changes in a directly proportional relationship with the offset voltage Vo with respect to the change in the environmental temperature under a driving current at a predetermined constant current. Therefore, the output voltage Vd and the offset voltage Vo are proportional to the temperature, and there is an advantage that the offset voltage Vo can be easily canceled by a differential amplifier circuit or the like.
本発明のホール素子のオフセット電圧補正方法は、ホール素子を外部磁場(磁束密度)Bがゼロの環境であるオフセット電圧Voのみ発生する環境で補正するので、精密にオフセット電圧Voを打ち消すことができるという利点がある。 In the Hall element offset voltage correction method of the present invention, the Hall element is corrected in an environment in which only the offset voltage Vo, which is an environment in which the external magnetic field (magnetic flux density) B is zero, is generated, so that the offset voltage Vo can be canceled out precisely. There is an advantage.
本発明のホール素子のオフセット電圧補正方法は、ホール素子のホール電圧端子用電極を片側に2個設けて、これらの間に可変抵抗を備えた抵抗を接続して、可変抵抗からの出力電圧Vdでオフセット電圧Voを打ち消すことができるので、単純な回路でオフセット電圧Voの補正が達成できるという利点がある。 In the Hall element offset voltage correction method of the present invention, two Hall voltage terminal electrodes of a Hall element are provided on one side, and a resistor having a variable resistor is connected between them to output voltage Vd from the variable resistor. Since the offset voltage Vo can be canceled by the above, there is an advantage that the correction of the offset voltage Vo can be achieved with a simple circuit.
本発明のホール素子のオフセット電圧補正方法は、ホール素子の電流端子間に可変抵抗を備えた抵抗を接続して、可変抵抗からの出力電圧Vdでオフセット電圧Voを打ち消すことができるので、単純な回路でオフセット電圧Voの補正が達成できると共に、特別にホール素子を設計しなくとも市販のホール素子にも適用できるという利点がある。 In the Hall element offset voltage correction method of the present invention, a resistor having a variable resistor is connected between the current terminals of the Hall element, and the offset voltage Vo can be canceled by the output voltage Vd from the variable resistor. The circuit can correct the offset voltage Vo and can be applied to a commercially available Hall element without specially designing the Hall element.
本発明のホールセンサでは、可変抵抗を備えた抵抗は、OPアンプ回路と異なり、受動素子であるので、ホール素子との一体化が容易であり、超小型のホールセンサが作成できるという利点がある。 In the Hall sensor of the present invention, the resistor having the variable resistor is a passive element unlike the OP amplifier circuit, and therefore, it is easy to integrate with the Hall element, and there is an advantage that an ultra-small Hall sensor can be created. .
本発明のホールセンサでは、SOI基板を用いて、SOI層にホール素子の磁気感応部を形成することにより、ハンドリングの難しい薄いホール素子の磁気感応部は、SOI基板のホール素子のチップとして扱うので、チップのハンドリングがしやすいという利点がある。 In the Hall sensor of the present invention, by using the SOI substrate and forming the magnetically sensitive portion of the Hall element in the SOI layer, the magnetically sensitive portion of the thin Hall element that is difficult to handle is handled as a Hall element chip of the SOI substrate. There is an advantage that the chip is easy to handle.
本発明のホールセンサでは、SOI層にホール素子の磁気感応部を形成することにより、極めて薄いホール素子の磁気感応部が達成できるので、高感度化することができおると言う利点がある。 In the Hall sensor of the present invention, by forming the magnetically sensitive portion of the Hall element in the SOI layer, an extremely thin Hall element magnetically sensitive portion can be achieved, so that there is an advantage that the sensitivity can be increased.
本発明のホールセンサでは、SOI基板を用いて、信号処理回路などの集積回路が容易に作成できるという利点がある。 The Hall sensor of the present invention has an advantage that an integrated circuit such as a signal processing circuit can be easily formed using an SOI substrate.
本発明のホールセンサでは、SOI層の上部に、Si以外の半導体薄膜、例えば、インジウムアンチモン結晶薄膜、にホール素子の磁気感応部として形成することが容易であるから、精度と感度の高いホールセンサも提供できるという利点がある。 In the Hall sensor of the present invention, a Hall sensor having high accuracy and sensitivity can be easily formed as a magnetically sensitive portion of a Hall element on a semiconductor thin film other than Si, for example, an indium antimony crystal thin film, on the SOI layer. There is an advantage that can also be provided.
以下、本発明のオフセット電圧補正方法とこれを用いたホールセンサに関して、半導体基板から成るオフセット電圧Voを補正可能にしたホール素子を用いた構成概略図面等を参照して、実施例に基づき詳細に説明する。ホール素子では、半導体のキャリアである電子又は正孔の電界による移動時の磁場Bによるローレンツ力により発生するホール電圧Vhを計測するが、式数1に示すように、同一の駆動電流I、同一の形状のホール素子(ホール素子の厚みdに関与)、同一のキャリア密度nで、同一の外部磁場Bの下では、ホール電圧Vhは、半導体の種類にも無関係であるが、オフセット電圧Voが半導体の等価的な抵抗ΔRに比例して大きくなる。オフセット電圧Voが小さい方が、相対的に、精度が向上するので、誤差が少なくて済む。このために、ΔRを小さくなるような半導体材料がホール素子に使用されてきている。これを決定するのが、電子や正孔のキャリア移動度μであり、移動度μとΔRとは逆数関係にあるので、可能な限り移動度μが大きい半導体が選ばれてきた。キャリア移動度μは、一般に電子の方が正孔より大きいので、n型半導体の使用されてきた。従って、下記の本実施例でも、n型の半導体を使用したホール素子の実施例をあげている。また、シリコン(Si)結晶の電子よりもインジウムアンチモン(InSb)結晶の電子の方が、1桁以上移動度μが大きいので、従来、オフセット電圧Voを小さくさせて、相対的に高精度のホールセンサとしてInSb半導体薄膜が使用されてきた。従って、本発明の手法により、簡単にオフセット電圧Voが打ち消すことができれば、キャリア移動度μが小さいSi半導体も、むしろ、集積化や製造工程などの他の要件から、ホール素子として大いに利用されるべきものである。 The offset voltage correction method of the present invention and a hall sensor using the offset voltage correction method according to the present invention will be described in detail based on embodiments with reference to a schematic configuration diagram using a hall element capable of correcting an offset voltage Vo made of a semiconductor substrate. explain. In the Hall element, the Hall voltage Vh generated by the Lorentz force due to the magnetic field B during the movement by the electric field of electrons or holes that are carriers of the semiconductor is measured. The Hall voltage Vh is related to the thickness d of the Hall element, the same carrier density n, and the same external magnetic field B. The Hall voltage Vh is irrelevant to the type of semiconductor, but the offset voltage Vo is It increases in proportion to the equivalent resistance ΔR of the semiconductor. The smaller the offset voltage Vo, the higher the accuracy, and the smaller the error. For this reason, semiconductor materials that reduce ΔR have been used for Hall elements. This is determined by the carrier mobility μ of electrons and holes, and since the mobility μ and ΔR are inversely related, a semiconductor having the highest mobility μ has been selected. The carrier mobility μ is generally an n-type semiconductor because electrons are generally larger than holes. Therefore, also in the present embodiment below, an embodiment of a Hall element using an n-type semiconductor is given. In addition, since electrons of indium antimony (InSb) crystals have a mobility μ that is one digit or more larger than electrons of silicon (Si) crystals, conventionally, the offset voltage Vo is reduced to provide relatively high-precision holes. InSb semiconductor thin films have been used as sensors. Therefore, if the offset voltage Vo can be easily canceled by the method of the present invention, a Si semiconductor having a small carrier mobility μ is rather utilized as a Hall element because of other requirements such as integration and manufacturing process. It should be.
図1は、従来のホール素子1とそのオフセット電圧Voを含むホール電圧端子間電圧である総合出力電圧Vt(=Vh+Vo) を出力するホールセンサの一実施例の構成概略図である。図1に示すように、矩形のホール素子1の半導体基板の対向する外周の辺には、1対の電流端子用電極20、30があり、それぞれに対応する電流端子2,3を介して、所定の一定電流I、例えば、1mA、をホール素子1に流すように、定電流源600から制御されて供給されている。そして、1対の電流端子用電極20、30を結ぶ直線(Y-Y)に対して、本来、直交する直線(X-X)上に、1対のホール電圧端子用電極40、50を配置するはずであるが、実際には、直線(X-X)から少しずれたところに、1対のホール電圧端子用電極40、50のうち、ホール電圧端子用電極50が、配置されている。これは、電極のパターン形成時のマスク合わせなどにより電極が相対的に設計の予定からずれてしまったために生じるものである。
FIG. 1 is a schematic configuration diagram of an embodiment of a conventional hall sensor that outputs a total output voltage Vt (= Vh + Vo) that is a voltage between hall voltage terminals including a
また、本来、ホール電圧端子用電極の寸法は、理想的には1点であるべきであるが、実際には、ある電極面積を有し、電流の分布の違いから、相対的にホール電圧端子用電極50の本来の直線上の1点である位置からずれてしまうことも含まれるものである。また、ホール素子1の半導体基板10の不純物濃度に不均一性が存在して、電流の分布が一様でなく、等価的にホール電圧端子用電極50の位置がずれてしまうこともある。更に、厳密にホール素子1の半導体基板10の不純物濃度に均一であり、物理的な1対のホール電圧端子用電極40、50の位置も直交する直線(X-X)上に配置されていたとしても、熱歪などの応力によりホール素子1の半導体基板10内の抵抗分布が変化して、等価的にホール電圧端子用電極50の位置がずれてしまうこともある。このような等価的なホール電圧端子用電極50の位置のずれも含めて、図1に示すように、ホール素子1に垂直に外部磁場(磁束密度)Bを加えた状態で、所定の一定電流Iをホール素子1に流すと、ホール電圧端子4,5間には、ホール電圧Vhの他に、ホール電圧端子用電極50の位置のずれによる、電流端子用電極30から見たホール電圧端子用電極40とホール電圧端子用電極50との電圧降下の差であるオフセット電圧Voが発生する。そして、ホール電圧端子4,5間には、ホール電圧端子間電圧Vtが観測されて、その内訳が、符号も含めて、Vt=Vh+Voとなるような電圧である。この原理による理論的な式は、上記の式数1である。このように、(外部)磁場B=0 (磁場Bがゼロの意味)では、ホール電圧Vh=0なので、電圧降下によるオフセット電圧Voだけがホール電圧端子間電圧Vtに残る。
In addition, the size of the Hall voltage terminal electrode should ideally be one point, but in reality, it has a certain electrode area and is relatively different from the Hall voltage terminal due to the difference in current distribution. It is also included that the
上述のオフセット電圧Voは、磁場Bが小さい時の微小磁場計測では、特に問題になり、如何に、この成分を打ち消すかが従来からの課題であり、上述のように多くの打ち消し法(補正法)が提案されてきた。図2には、本発明のオフセット電圧補正方法の一実施例の構成概略図を示す。図5に示すような直交する直線(X-X)を挟んで、ホール電圧端子用電極40、50のうちのホール電圧端子用電極50をホール電圧端子用電極50aとホール電圧端子用電極50bとの二つに分けて、ホール素子1のn型の矩形半導体基板10の外周の1辺で、電流端子用電極20側と電流端子用電極30側とに設けて配置したホール素子1を使用した場合である。そして、図6に示す本発明のホールセンサのように、図5に示すホール電圧端子用電極50aとホール電圧端子用電極50bからそれぞれホール電圧端子4とホール電圧端子5を引き出し、これらの間に可変抵抗Rvを備えた抵抗100を接続して、可変抵抗Rvから出力端子70を引き出し、図2に示すように、所定の(駆動)電流Iをホール素子1に流し、これに垂直に磁場B(被測定外部磁場)を印加してある状態で、アース電位となっている電流端子3を基準にして、出力端子70における電圧降下である可変抵抗Rvから出力電圧Vdとホール電圧端子4での電圧降下V43とをOPアンプ(A1)501の差動入力端子に接続して、そのOPアンプ出力端子81から差動出力を取り出せるようにしている。OPアンプ(A1)501の差動入力端子には、出力電圧Vdとホール電圧端子4での電圧降下V43との差の出力電圧Vt=Vh+Voが入力されることになる。
The above-described offset voltage Vo is particularly problematic in the measurement of a minute magnetic field when the magnetic field B is small, and how to cancel this component has been a conventional problem. As described above, there are many cancellation methods (correction methods). ) Has been proposed. FIG. 2 shows a schematic configuration diagram of an embodiment of the offset voltage correction method of the present invention. Among the Hall
本実施例による本発明のオフセット電圧補正方法は、次のようである。先ず、厚い高透磁率の軟磁性体で囲んであるチャンバなどを用意し、その中の領域は外部磁場Bがゼロと見做される領域であるようにした空間とさせておく(どうしても、外部磁場Bがゼロと見做せない時には、コイル等で磁場の打ち消しをさせるなどして、少なくともホール素子1の磁気感応部が入る空間だけは、B=0と見做せるようにする)。ここに、本発明のホールセンサのホール素子1を挿入セットして、前述の図2に示すように回路設定して、定電流源600によりホール素子1に所定の一定電流I=1mA(ミリアンペア)を電流端子2から電流端子3(アース)を通して流す。このときホール電圧Vhはゼロであり、OPアンプ(A1)501への差動入力電圧Vtは、オフセット電圧Voのみを含んでいるはずであるから、前記可変抵抗Rvを調整して、その出力Vdを変化させ、OPアンプ(A1)出力端子81の出力電圧がゼロになるようにさせることでオフセット電圧Voを打ち消すことができる。なお、ホールセンサがモールド樹脂等のパッケージであると、多少、環境温度の影響があるから、可能な限り、実際に使用する環境温度の下でオフセット電圧補正を行った方が良い。
The offset voltage correction method of the present invention according to this embodiment is as follows. First, a chamber surrounded by a thick high magnetic permeability soft magnetic material is prepared, and the region in the chamber is a space in which the external magnetic field B is considered to be zero. When the magnetic field B cannot be regarded as zero, the magnetic field is canceled by a coil or the like so that at least the space where the magnetically sensitive part of the
図3には、本発明のオフセット電圧補正方法の他の一実施例の構成概略図を示している。本実施例では、可変抵抗Rvを備えた抵抗100を、図7に示すように、ホール素子1の電流端子2と電流端子3との間に接続し、可変抵抗Rvから出力端子70を引き出した場合である。そして、所定の一定電流I(例えば、直流1mA)をホール素子1に流し、実施例1で述べたような磁場Bがゼロになるようにした環境下で、この出力端子70の出力電圧Vdと、1対のホール電圧端子4,5のうちの一方のホール電圧端子5の出力電圧V53との減算処理または、出力電圧Vdと出力電圧V53との符号が逆の場合は、加算処理を、加算・減算回路550を介して行うようにしている。そして、可変抵抗Rvを調整することによりオフセット電圧Voを打ち消すが、そのやり方は、出力電圧Vdをホール素子1のオフセット電圧Voに値が等しくなるようにする。図3に示すOPアンプ(A1)501の差動入力端子間に、オフセット電圧Voが差し引かれて残った加算・減算回路550の出力電圧と、ホール電圧端子4の出力電圧V43との差電圧であるVtが入力するようになる。このとき、磁場B=0であるからホール電圧Vh=0であり、加算・減算回路550の出力電圧もオフセット電圧Voが差し引かれているので、本来、ホール電圧端子4の電圧V43となっているはずであるから、OPアンプ(A1)501の出力端子81には、ゼロ電圧が出力されるはずである。実際には、OPアンプ(A1)501自体のオフセット電圧もあるので、これを含めてOPアンプ(A1)501の出力端子81には、その出力電圧がゼロになるように、可変抵抗Rvを調整すると良い。
FIG. 3 shows a schematic configuration diagram of another embodiment of the offset voltage correction method of the present invention. In this embodiment, a
図8には、可変抵抗Rvを備えた抵抗100として、ホール素子1の半導体基板表面に、絶縁膜形成して、その上に、抵抗温度係数の極めて小さい抵抗材料であるマンガニンやニクロムなどをスパッタリング堆積などで薄膜状にして、フォトリソグラフィでパターン化して所望の抵抗になるようにさせて、可変抵抗Rvを備えた抵抗100のうちの固定抵抗Ra分をホール素子1と一体形成してある場合を示している。ここでは、可変抵抗Rvは、固定抵抗Raの途中から可変抵抗用出力端子160を介して接続するようにしている。もちろん、この可変抵抗Rvもホールセンサとして、ホール素子1とプリント基板等に一体化させて備えるようにしても良い。
In FIG. 8, as a
図3に用いているホール素子1は、図7や図8に示すように、ホール電圧端子用電極50を、1対の電流端子用電極20,30間を結ぶ直線に対して直交する直線X-X上から敢えて、少しだけずらして、加算・減算回路550では、減算回路として作動するように、すなわち、OPアンプの差動入力として使用できるように形成するようにしてある。このようにすると、確実に、ホール電圧端子5の電位は、可変抵抗Rvの出力端子70の電位と同一符号となり、減算回路が適用できるので、加算・減算回路550として、単純にOPアンプでの差動増幅が可能になり、好適である。
As shown in FIG. 7 and FIG. 8, the
図4には、本発明のオフセット電圧補正方法の他の一実施例の構成概略図を示している。本実施例は、前記実施例2の図3に示した回路とほぼ同様である。これらの違いは、前記実施例2の図3では、可変抵抗Rvからの出力電圧Vdとホール電圧端子5の出力電圧V53とを、加算・減算回路550に入力して、例えば、減算処理をしてオフセット電圧Voを打ち消し、他方のホール電圧端子4の出力電圧V43と加算・減算回路550の出力とをOPアンプ(A1)501で比較するようにしたが、本実施例では、図1に示す従来のホールセンサのように、1対のホール電圧端子4、5間の差動動作をOPアンプ(A1)501で行い、ここで発生しているオフセット電圧Voを、可変抵抗Rvからの出力電圧Vdで打ち消すように、OPアンプ(A1)501の出力端子81に発生する出力電圧と出力電圧Vdとを、OPアンプ(A2)502で差動増幅させて、その出力端子82に発生する出力電圧が、可変抵抗Rvの調整により、磁場Bがゼロ(B=0)の環境下で、所定の一定駆動電流の下で、ゼロになるようにするものである。なお、ここでは、OPアンプ(A1)501の増幅率を1として(インピーダンス変換のみの機能)、オフセット電圧Voと出力電圧Vdとが等しくなるようにした場合である。もちろん、これらを共に増幅しておいて、オフセット電圧Voを打ち消すようにすることも容易である。
FIG. 4 shows a schematic configuration diagram of another embodiment of the offset voltage correction method of the present invention. This embodiment is almost the same as the circuit shown in FIG. In FIG. 3 of the second embodiment, the difference is that the output voltage Vd from the variable resistor Rv and the output voltage V53 at the
図9には、本発明のホールセンサの他の一実施例でSOI基板11にホール素子と集積回路(IC)900を形成した場合の構成概略図を示す。ここの実施例では、半導体基板10であるSOI基板11を利用し、そのSOI層12にホール素子1と集積回路(IC)900 とを一体に形成させた場合である。図10には、図9に示す本発明のホールセンサに磁界収束用磁性体701,702を備えた構造の断面概略図を示しているが、高感度のホールセンサにするために、ホール素子1の磁気感応部(電流端子用電極20,30とホール電圧端子用電極40,50a, 50bに囲まれた半導体領域)に被測定磁場である外部磁場(磁束密度)Bを高めるために、従来から高透磁率で軟磁性体のフェライトチップなどの磁界収束用磁性体701,702を備えるようにしている。前記式数1で示してあるように、磁場Bが通る方向のホール素子1の半導体層の厚みdに、同一の駆動電流Iと磁場Bの下では、ホール電圧Vhは、逆比例するので、厚みdが薄い方が高感度化に有利である。また、磁界収束用磁性体701,702もホール素子1を挟んで、下部の磁界収束用磁性体701と上部の磁界収束用磁性体702とに、分割せざるを得ない。これらの磁気抵抗を小さくさせるためにも、下部の磁界収束用磁性体701と上部の磁界収束用磁性体702との距離(間隔)が小さい方が磁束密度Bも大きくなるので良く、従って、このような点からも厚みdが薄い方が高感度化に有利となる。SOI基板11は、下地基板15の存在のために、一般に、500μm(マイクロメートル)程度であるが、SOI層12の厚みは、10μm程度であるから、SOI層12をホール素子1とすれば、厚みdは、SOI層12の厚みである10μm程度となり、極めて薄く形成できる。
FIG. 9 shows a schematic diagram of a configuration in which a Hall element and an integrated circuit (IC) 900 are formed on an
SOI層12には、移動度μが大きいn型で、例えば、1Ω・cm程度の抵抗率のSi(シリコン)単結晶層を用い、下地基板15を異方性エッチングにより空洞55をMEMS技術により形成して、その上のBOX層52を含むSOI層12から成るダイアフラム150をホール素子1として利用している。本実施例のホール素子1は、前記実施例1の図2で示した場合と同様に、駆動電流Iの方向に直交する直線X-X上に一方のホール電圧端子用電極40を設け、他方のホール電圧端子用電極50をホール電圧端子用電極50aとホール電圧端子用電極50bとに分割して形成している場合の例である。そして、これらのホール電圧端子用電極50aとホール電圧端子用電極50b間には、可変抵抗Rvを備えた抵抗100が外部に形成されるようにしている。その動作は、実施例1の図2の場合と同様であるので、ここではその説明を省略する。ただ、本実施例では、SOI層12に、集積回路(IC)900を形成した場合である。この集積回路(IC)900は、ホール素子1からのホール電圧Vhやオフセット電圧Voなどの増幅や信号処理回路、所定の一定電流Iの制御回路などを含んでいる場合である。各集積回路(IC)900等や電極6を結ぶ配線110は、単純化して表現しており、必要に応じて、1本ではなく数本の配線のこともある。
The
本実施例のホールセンサでは、図10に示すホール素子1の磁気感応部に可能な限り近接して磁界収束用磁性体701,702が設置できるように、下地基板15に形成した空洞55に磁界収束用磁性体701を挿入して、柔らかい接着剤750で固定するようにしている。特に、SOI層12のダイアフラム150は、破壊されやすいので、少し隙間を空けて固定できるように磁界収束用磁性体701などの寸法を決め、柔らかく応力が吸収されやすい接着剤750で固定すると良い。上部の磁界収束用磁性体702も接着剤でホール素子1の磁気感応部付近に接合している。また、ホール素子1のホール電圧Vhは、外部磁場Bが存在している中でのホール素子1の外周部に発生するので、一様なSOI層12を分断してホール素子1の外周部を形成して、それに沿って電流端子用電極20、30とホール電圧端子用電極50a、50bを形成する関係から溝53を形成して、SOI層12をその部分でエッチング除去している。配線110は、この溝53を乗り越えて配線されることになる。もちろん、ここでは描いていないが、この溝53を電気絶縁物で埋めて、その上に配線110を形成することが断線を生じさせないという観点から推奨されるものである。
In the Hall sensor of this embodiment, a magnetic field is generated in the
図11には、本発明のホールセンサの他の一実施例でSOI基板11にホール素子1と集積回路(IC)900を形成した場合の構成概略平面図を示す。ここの実施例では、上記の実施例4の図9とほぼ同様であるが、違いは、図9では、BOX層52を含むSOI層12のダイアフラム150にホール素子1を形成したが、本実施例の図11では、ホール素子1を、1対の電流端子用電極20,30付近とホール電圧端子40、50a、50b付近を支持部とする架橋構造にした場合である。また、一様なSOI層12を電気的に分断して、SOI層12から成るホール素子1を形成するために、それぞれの1対の電流端子用電極20,30付近とホール電圧端子40、50a、50b付近を取り囲むように、空洞55を除くSOI基板11に溝53を形成している。空洞55の上の架橋構造のホール素子1は、その周辺がスリット54によりSOI層12が除去されて、空洞55が露出した形になっている。もちろん、この空洞55の内部とホール素子1の上部には、前記実施例4の図10で示したような下部の磁界収束用磁性体701と上部の磁界収束用磁性体702を取り付けて用いた方が良い。ホール素子1の動作は、前述と同様なので、その説明は省略する。
FIG. 11 shows a schematic plan view of a configuration in the case where the
図12と図13には、本発明のホールセンサのSOI基板11にホール素子1を形成した場合の他の一実施例で、半導体基板10の構成概略平面図を示す。ここの実施例では、SOI基板11のSOI層12をp型半導体(例えば、抵抗率5Ω・cm)とし、ここにホール素子1として使用するn型半導体層を、n型の不純物拡散による略矩形の不純物拡散領域14で形成した場合である。そして、ホール素子1の下部には、BOX層52を含むSOI層12を含むダイアフラム150になるように、Siの異方性エッチングやDRIE等で空洞55を形成した場合である。図12は、ホール素子1として、1対の電流端子用電極20,30とホール電圧端子用電極40、50a 、50bが上述の図11に示したような形状に形成されている場合の例であり、図13は、ホール素子1として、ホール電圧端子用電極40、50が、電流端子用電極20,30からの電流Iに直交する直線上からずれている場合で、基本的には上述の図3、図4や図7のような形状に形成した場合の例である。可変抵抗Rvを備えた抵抗100もここでは記述していないが、前述の対応する図面の例と同様であるので、ここでは、半導体基板10についてのみ示している。図14には、図12と図13で示したホール素子1を含むSOI基板11である半導体基板10の下地基板15に形成した空洞55の挿入固定した下部の磁界収束用磁性体701と、ホール素子1が形成されているダイアフラム150の上に接合固定した上部の磁界収束用磁性体702を備えたホールセンサの断面概略図である。もちろん、本実施例では、ホール素子1としてダイアフラム150を用いたが、例えば、上述の図11に示すような架橋構造151でも同様に可能である。ホール素子1の動作は、上述の場合と同様なので、ここでは説明を省略する。
12 and 13 are schematic plan views of the configuration of the
図15には、本発明のホールセンサの他の一実施例でSOI基板11を用い、空洞55によるSOI層12のダイアフラム150上にシリコンの熱酸化膜から成る絶縁層51を介して、ホール素子1を形成するn型インジウムアンチモン(InSb)結晶などの半導体層13を形成した場合の構成概略断面図を示す。ホール素子1の厚みdは小さい方が高感度となり、薄い薄膜が最適であるが、ホール素子1の取り扱い(ハンドリング)が困難であるから、ハンドリングがし易い厚いSOI基板11をセンサチップとして用いて、更に、この薄いSOI層12のダイアフラム150上に高移動度μのn型インジウムアンチモン(InSb)結晶を形成するものである。もちろん、ここでは、描いていないが、上述の図14で示したように空洞55の中に下部の磁界収束用磁性体701を挿入固定し、その上のホール素子1上に上部の磁界収束用磁性体702を備えてホールセンサとすると良い。
FIG. 15 shows another embodiment of the Hall sensor of the present invention, in which the
前述したが、一般にホール素子1は、上記の式数1に示すように、同一の駆動電流Iの下で、同一の形状のホールセンサで、同一のキャリア密度n(ほぼ、不純物密度に等しい)で、同一の磁場Bの下では、同一のホール電圧Vhが発生する。しかしながら、オフセット電圧Voは、キャリアの移動度μが大きい方が、ホール素子1の半導体の抵抗が小さくなるので、同一の電流Iを流すのに小さな電源電圧で済むことになる。これに伴い、電圧降下であるオフセット電圧Voも小さくなるので、相対的に誤差が少なくなり高精度にホール電圧Vhが計測できるということになる。ただ、本発明のように、オフセット電圧Voが簡単に、且つほぼ完全に打ち消すことができれば、非常に結晶成長が困難でバラツキの多いn型のインジウムアンチモン(InSb)結晶薄膜などにしなくとも、安定で、単結晶性に優れているシリコン(Si)単結晶を利用し、特に薄いSi単結晶であるSOI層12を用いることにより製造工程が楽で、大量生産性があり、しかも集積回路900を組み込みやすいので、安価なホールセンサが提供できる。
As described above, in general, the
図16には、本発明のホールセンサの他の一実施例で磁界収束用磁性体701,702を備えた場合の構造の断面概略図を示している。外部磁場Bによる磁界は、磁気抵抗の小さい高透磁率材料に集中するので、高透磁率の軟磁性体から成る磁界収束用磁性体701、702の所定形状のチップを、ホール素子1の半導体層や半導体基板(薄膜状の半導体基板も含む)の少なくとも磁気感応部に、両側から挟むように接着剤等で接合した場合で、これらをモールド樹脂760でパッケージ化させた場合を示している。ここでは、プリント基板800に接着剤750で、一方の磁界収束用磁性体701,702を接合し、プリント基板800に設けた電極端子6に、ホール素子1の半導体基板上の電極60に配線11でワイヤボンディングしてある場合を示している。更に、ここでは、ホール素子1の電流端子2,3が見える形にした場合であり、これらの電流端子2,3には、可変抵抗Rvを備えた抵抗100を接続してある場合を示している。もちろん、この可変抵抗Rvを備えた抵抗100のうちの固定抵抗Ra等を、前記図8に示すように、ホール素子1の上に直接形成しておいても良いし、別に設けてモールド樹脂760の中に埋め込ませて、ホール素子1と一体化させておいても良い。磁界収束用磁性体701,702を備えることにより、10倍以上外部磁場Bの磁界をホール素子1に集中させることができるので、その分、微小な磁場B を検出・計測することができる。ここでは、磁界収束用磁性体701,702は、ホール素子1を挟むように、2個設置した場合であるが、そのうちの1個でも良い。
FIG. 16 shows a schematic cross-sectional view of a structure in the case where the magnetic field converging
本発明のホール素子のオフセット電圧補正方法とこれを用いるホールセンサは、本実施例に限定されることはなく、本発明の主旨、作用および効果が同一でありながら、当然、種々の変形がありうる。 The offset voltage correcting method of the Hall element of the present invention and the Hall sensor using the same are not limited to the present embodiment, and naturally there are various modifications while the gist, operation and effect of the present invention are the same. sell.
本発明のホール素子1のオフセット電圧補正方法とこれを用いるホールセンサは、上述のように、ホール素子1の半導体基板10にホール電圧端子用電極を従来より1個増やし、片側に2個の電極を設けてこれらの間に、または、従来のホール素子1の形状は変えなくとも、1対の電流端子間に、受動素子である可変抵抗Rvを備えた抵抗100を接続して、外部磁場Bがゼロの環境下で、この可変抵抗Rvを調整して、オフセット電圧Voを容易に打ち消すようにできるオフセット電圧補正方法である。温度環境の変化に対しても極めて打ち消し精度が高く、特に、高速応答で、微小磁界を計測できるホールセンサが提供できる。また、数マイクロメートル寸法の超小型のホール素子1にも適用できるし、むしろ、超小型のホール素子1の方がホール素子1の半導体基板の温度が均一になりやすく、好適である。また、SOI基板のSOI層にホール素子1を形成することにより、薄いホール素子が形成できるので、高感度になること、更に、集積回路も一体化しやすいことなどで、コンパクトで、高精度、かつ高感度なホールセンサが提供できる。このようなことから、本発明のオフセット電圧補正方法とこれを用いるホールセンサは、微小磁場Bを検出できることから、非接触の電流センサ、地磁気の計測による位置情報、非接触スイッチなど、従来からのホールセンサが使用されている分野での磁気検出に対して、更に高精度、かつ高感度に磁気検出ができるようになる。
In the
1 ホール素子
2、3 電流端子
4、5、5a、5b ホール電圧端子
6 電極端子
10 半導体基板
11 SOI基板
12 SOI層
13 半導体層
14 不純物拡散領域
15 下地基板
20、30 電流端子用電極
40、50、50a、50b ホール電圧端子用電極
51 絶縁層
52 BOX層
53 溝
54 スリット
55 空洞
60 電極
61 オーム性コンタクト
70 出力端子
81、82 OPアンプ出力端子
100 可変抵抗を備えた抵抗
110 配線
150 ダイアフラム
151 架橋構造
160 可変抵抗用出力端子
501、502 OPアンプ
550 加算・減算回路
600 定電流源
701、702 磁界収束用磁性体
750 接着剤
760 モールド樹脂
800 プリント基板
900 集積回路(IC)
Ra、Rb 固定抵抗
Rv 可変抵抗
DESCRIPTION OF
Ra, Rb fixed resistance
Rv variable resistance
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