JP2015141121A - magnetic sensor - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、ホール効果を用いて磁界の強度を検出するホール素子を有する磁気センサに関する。 The present invention relates to a magnetic sensor having a Hall element that detects the intensity of a magnetic field using the Hall effect.
従来、ホール効果を用いて磁界の強度を検出するホール素子を有する磁気センサ(例えば、特許文献1に記載の磁気センサ)が知られている。ホール効果とは、電流の流れているものに対し、電流が流れる方向に垂直な磁界が印加されると、電流が流れる方向と磁界が印加された方向の両方に直交する方向に電位差が生じる現象である。 Conventionally, a magnetic sensor having a Hall element that detects the intensity of a magnetic field using the Hall effect (for example, a magnetic sensor described in Patent Document 1) is known. The Hall effect is a phenomenon in which when a magnetic field perpendicular to the direction of current flow is applied to a current flow, a potential difference occurs in the direction perpendicular to both the direction of current flow and the direction of magnetic field application. It is.
特許文献1に記載の磁気センサは、ホール素子と、ホール素子が検出した磁界を電気信号に変換するなどの信号処理を行う信号処理回路とを有する構成とされており、ホール効果を利用して、磁石が発生する磁界や電流が発生する磁界を電気信号に変換して出力する。こうして、この磁気センサでは、電流が流れる方向と電位差が生じる方向の両方に直交する方向にかけられる磁界を検出する。
The magnetic sensor described in
また、特許文献1に記載の磁気センサでは、ホール素子が半導体基板の一面上に設けられており、このホール素子は、いわゆる横型ホール素子、すなわち半導体基板の一面に対して垂直な磁界を検出するホール素子として構成されている。また、この磁気センサでは、ホール素子としてグラフェンが用いられている。
In the magnetic sensor described in
しかしながら、特許文献1に記載の磁気センサのように横型ホール素子を用いた磁気センサでは、電流が流れる方向と電位差が生じる方向の両方に直交する方向以外の方向に印加された磁界を誤検出してしまう場合がある。すなわち、例えば、電流が流れる方向や電位差が生じる方向に印加された磁界を検出してしまう場合がある。特に、特許文献1に記載の磁気センサでは、ホール素子がグラフェンで構成されており、グラフェンは磁界検出感度が高いため、このような誤検出が特に生じ易い。
However, a magnetic sensor using a lateral Hall element such as the magnetic sensor described in
本発明は上記点に鑑みて、ホール素子を有する磁気センサにおいて、電流が流れる方向と電位差が生じる方向の両方に直交する方向以外の方向に印加された磁界を誤検出し難い構成を提供することを目的とする。 In view of the above points, the present invention provides a configuration in which a magnetic sensor having a Hall element is less likely to erroneously detect a magnetic field applied in a direction other than the direction perpendicular to both the direction of current flow and the direction of potential difference. With the goal.
上記目的を達成するため、請求項1に記載の発明では、平面(2a)を有する第1半導体基板(2)と、第1半導体基板の平面に向けられた一面(3a)を有する第2半導体基板(3)と、第1半導体基板の平面に設けられ、ホール効果を用いて第1半導体基板の平面に垂直な磁界を検出するホール素子(4)と、第1半導体基板の平面と第2半導体基板の一面との間に設けられ、第1半導体基板と第2半導体基板とを接合する接合部(5)と、を有し、第1半導体基板または第2半導体基板の少なくとも一方において、ホール素子が検出した磁界を電気信号に変換するための信号処理回路が設けられた磁気センサであって、以下の特徴を有する。 To achieve the above object, according to the first aspect of the present invention, a first semiconductor substrate (2) having a flat surface (2a) and a second semiconductor having one surface (3a) directed to the flat surface of the first semiconductor substrate. A substrate (3), a Hall element (4) provided on the plane of the first semiconductor substrate and detecting a magnetic field perpendicular to the plane of the first semiconductor substrate using the Hall effect, the plane of the first semiconductor substrate, and the second A bonding portion (5) provided between one surface of the semiconductor substrate and bonding the first semiconductor substrate and the second semiconductor substrate; and a hole in at least one of the first semiconductor substrate and the second semiconductor substrate. A magnetic sensor provided with a signal processing circuit for converting a magnetic field detected by an element into an electrical signal, has the following characteristics.
すなわち、第1半導体基板の平面と第2半導体基板の一面との間には、第1半導体基板の平面に対する垂線の方向から見てホール素子の周囲を囲み、軟磁性体を含む構成とされた磁気シールド部(6)が設けられており、ホール素子は、第1半導体基板と、第2半導体基板と、接合部および磁気シールド部の少なくとも一方と、によって封止された構成とする。 That is, the space between the plane of the first semiconductor substrate and one surface of the second semiconductor substrate surrounds the periphery of the Hall element when viewed from the direction of the perpendicular to the plane of the first semiconductor substrate, and includes a soft magnetic material. The magnetic shield part (6) is provided, and the Hall element is sealed by the first semiconductor substrate, the second semiconductor substrate, and at least one of the bonding part and the magnetic shield part.
このため、ホール素子に対して印加される磁界のうち、第1半導体基板の平面に垂直な磁界には影響が無いが、第1半導体基板の平面を含む直線方向に印加される磁界が小さくなる。すなわち、ホール素子として検出すべき磁界である電流が流れる方向と電位差が生じる方向の両方に直交する方向に印加される磁界(第1半導体基板の平面に垂直な磁界)以外の磁界の影響が小さくなる。これにより、誤検出が生じ難くなるという効果が得られる。 Therefore, the magnetic field applied to the Hall element is not affected by the magnetic field perpendicular to the plane of the first semiconductor substrate, but the magnetic field applied in the linear direction including the plane of the first semiconductor substrate is reduced. . That is, the influence of a magnetic field other than a magnetic field (a magnetic field perpendicular to the plane of the first semiconductor substrate) applied in a direction orthogonal to both the direction in which a current that is a magnetic field to be detected as a Hall element and the direction in which a potential difference occurs is small. Become. Thereby, the effect that it becomes difficult to produce a misdetection is acquired.
なお、この欄および特許請求の範囲で記載した各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。 In addition, the code | symbol in the bracket | parenthesis of each means described in this column and the claim shows the correspondence with the specific means as described in embodiment mentioned later.
以下、本発明の実施形態について図に基づいて説明する。なお、以下の各実施形態相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、同一符号を付して説明を行う。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In the following embodiments, parts that are the same or equivalent to each other will be described with the same reference numerals.
(第1実施形態)
本発明の第1実施形態に係る磁気センサ1について図1〜図4を参照して説明する。なお、図2は、図1に示す磁気センサ1におけるセンサチップ部分(第1半導体基板2、ホール素子4などで構成された部分)を、図1とは上下逆向きにして示したものである。
(First embodiment)
A
図1、図2に示すように、磁気センサ1は、第1半導体基板2と、第2半導体基板3と、第1半導体基板2の平面2aに設けられたホール素子4と、第1、2半導体基板2、3とを接合する接合部5とを有する。図2、図3に示すように、磁気センサ1は、第1半導体基板2の平面2aと第2半導体基板3の一面3aとの間において、第1半導体基板2の平面2aに対する垂線の方向から見てホール素子4の周囲を囲む構成とされた磁気シールド部6が設けられている。
As shown in FIGS. 1 and 2, the
磁気センサ1は、ホール効果を利用して、磁石が発生する磁界や電流が発生する磁界を電気信号に変換して出力する。これにより、磁気センサ1は、電流が流れる方向(図1中の矢印Bxを参照)と電位差が生じる方向(図1中の矢印Byを参照)の両方に直交する方向(図1中の矢印Bzを参照)に印加される磁界を検出する。この磁気センサ1は、例えば、電流センサとして適用される。
The
第1半導体基板2は、Si(シリコン)などの半導体で構成された薄板状の半導体基板である。図2、図3に示すように、本実施形態に係る磁気センサ1では、第1半導体基板2が平面2aを有する構成とされており、この平面2aにおいてホール素子4が設けられている。なお、図4に示すように、本実施形態に係る磁気センサ1では、第1半導体基板2の表面にシリコン酸化膜7が形成されており、このシリコン酸化膜7の表面として平面2aが形成された構成とされている。
The
ホール素子4は、横型ホール素子、すなわち第1半導体基板2の平面2aに対して垂直な磁界(図1、図4中の矢印Bzを参照)を検出するホール素子である。ホール素子4としては、公知のホール素子であれば、特に構成が限定されるものではないが、本実施形態に係る磁気センサ1では、磁界検出感度の高い素子であるグラフェンを採用している。
The
図3に示すように、ここでは、ホール素子4は、第1半導体基板2の平面2aに形成された四角形の半導体領域21aの4隅において、互いに直交するように4つの電極4a、4b、4c、4dが設けられた構成とされている。半導体領域21aは、半導体領域21aに配置された図示しない電極(配線)を介してこれらの電極4a〜4dと電気的に接続される。なお、本実施形態に係る磁気センサ1では、第1半導体基板2の平面2aにおいて、第1半導体基板2の基板電位を検出するための電位検出用電極21bが設けられている。
As shown in FIG. 3, here, the
ここで、例えば、電極4bから電極4dへ一定の電流が流されると、第1半導体基板2の平面2aに平行な成分を主に含む電流が流されることとなる。このとき、その電流に対して平面2aに垂直な磁界(図4中の矢印Bzを参照)が印加されると、上述したホール効果により、電極4aと電極4cとの間にその磁界に応じたホール電圧が発生する。そして、その発生したホール電圧信号を検出することで、第1半導体基板2の平面2aに垂直な磁界が求められることとなる。なお、このホール素子4においては、電極4aおよび電極4cに電流を流して電極4bおよび電極4dにてホール電圧信号を検出することもできる。こうした電極の入れ替えを利用することにより、ホール素子4に発生するオフセット電圧(不平衡電圧)を相殺することができる。
Here, for example, when a constant current flows from the
第2半導体基板3は、第1半導体基板2と同様、Si(シリコン)などの半導体で構成された薄板状の半導体基板である。図1、図2に示すように、第2半導体基板3は、第1半導体基板2の平面2aに向けられた一面3aを有し、第1半導体基板2の平面2aと第2半導体基板3の一面3aの間に設けられた後述する接合部5を介して、第2半導体基板3と接合されている。第2半導体基板3には、ホール素子4が検出した磁界を電気信号に変換するための図示しない信号処理回路が設けられている。なお、この信号処理回路は、第1半導体基板2に設けられていてもよい。
Similar to the
図1、図2に示すように、接合部5は、第1半導体基板2の平面2aと第2半導体基板3の一面3aとの間に設けられ、第1半導体基板2と第2半導体基板3とを接合する部材である。接合部5は、材質が特に限定されるものではなく、例えばSiを含む材料や軟磁性材料で構成され得る。なお、接合部5は、スパッタ、蒸着、CVDなどの成膜方法により形成される。
As shown in FIGS. 1 and 2, the
図2、図3に示すように、本実施形態に係る磁気センサ1では、接合部5が、第1半導体基板2の平面2aに対する垂線の方向から見て、ホール素子4を連続的に囲んで形成されている。すなわち、接合部5は、ホール素子4の周囲を一周全周に亘って囲んで形成されている(以下、「一周全周に亘って」の意として「連続的に」という)。また、図3に示すように、接合部5は、第1半導体基板2の平面2aの外縁に沿って形成されている。そして、本実施形態に係る磁気センサ1では、グラフェンからなるホール素子4が、第1半導体基板2、第2半導体基板3、および接合部5によって封止(例えば、真空封止、不活性ガス封止)されている。ここでいう封止とは、ホール素子4が外気に触れないように外部に対して隔離された状態となっていることを意味する。このようにホール素子4が封止されていることにより、本実施形態に係る磁気センサ1では、ホール素子4の特に経時的特性変化が小さくなり、高精度に検出を行うことができる。また、本実施形態に係る磁気センサ1において、第1半導体基板2や第2半導体基板3の周囲にモールド樹脂を設けたモールド封止構造とされてもよい。
As shown in FIGS. 2 and 3, in the
ここで、本実施形態に係る磁気センサ1では、上述したように、第1半導体基板2の平面2aと第2半導体基板3の一面3aとの間において、磁気シールド部6が設けられている。図2、図3に示すように、磁気シールド部6は、第1半導体基板2の平面2aに対する垂線の方向から見て、ホール素子4の周囲を連続的に囲んで形成されている。図3に示すように、磁気シールド部6は、第1半導体基板2の平面2aに対する垂線の方向から見て、接合部5で囲まれた領域に形成されており、ここでは一例として、四角形の外形に沿って連続的に形成された構成とされている。磁気シールド部6は、透磁性が高い材料(軟磁性材料)を含む材料であれば、特に材料が限定されるものではないが、ここではNiFe(ニッケル鉄)、パーマロイ、フェライトなどの軟磁性体で構成されている。磁気シールド部6は、膜としてスパッタ、蒸着、CVD法などで成膜し、その後フォトリソグラフィ、エッチングまたはリフトオフなどの方法により形成される。
Here, in the
本実施形態に係る磁気センサ1では、上記した磁気シールド部6が設けられており、軟磁性材料を含む材料で構成された磁気シールド部6によってホール素子4が囲まれた構成とされているため、囲まれた領域の外部の磁界が内部の磁界に与える影響は小さくなる。すなわち、平面2aに対する垂線の方向から見て、磁気シールド部6がホール素子4の周囲を囲んで平面2aに形成されていることにより、ホール素子4に対して印加される磁界のうち、平面2aに垂直な磁界(Bz)には影響が無いが、平面2aを含む直線方向(Bx、By)に印加される磁界は小さくなる。すなわち、ホール素子4として検出すべき磁界である、電流が流れる方向と電位差が生じる方向の両方に直交する方向に印加される磁界(平面2aに垂直な磁界)以外の磁界の影響が小さくなる。このため、本実施形態に係る磁気センサ1では、誤検出が生じ難くなるという効果が得られる。なお、本実施形態に係る磁気センサ1では、磁気シールド部6が連続的に形成されているため、この効果が特に大きくなる。
In the
なお、本実施形態に係る磁気センサ1では、ホール素子4が、上述したように、第1、2半導体基板2、3、および接合部5によって封止されているが、第1、2半導体基板2、3、および磁気シールド部6によって封止された構成とされてもよい。
In the
以上説明したように、本実施形態に係る磁気センサ1では、第1半導体基板2の平面2aと第2半導体基板3の一面3aとの間において、平面2aに対する垂線の方向から見てホール素子4の周囲を囲む構成とされた磁気シールド部6を設けている。
As described above, in the
このため、本実施形態に係る磁気センサ1では、ホール素子4に対して印加される磁界のうち、平面2aに垂直な磁界には影響が無いが、平面2aを含む直線方向に印加される磁界が小さくなる。すなわち、ホール素子4として検出すべき磁界である、電流が流れる方向と電位差が生じる方向の両方に直交する方向に印加される磁界(平面2aに垂直な磁界)以外の磁界の影響が小さくなる。これにより、本実施形態に係る磁気センサ1では、誤検出が生じ難くなるという効果が得られる。
For this reason, in the
特に、本実施形態に係る磁気センサ1では、磁気シールド部6を連続的に形成された構成としている。このため、本実施形態に係る磁気センサ1では、上述した誤検出が生じ難くなる効果が特に大きくなる。
In particular, in the
(第2実施形態)
本発明の第2実施形態について図5を参照して説明する。本実施形態は、第1実施形態において、磁気シールド部6を、ホール素子4と信号処理回路とを電気的に接続する配線として構成したものである。その他については第1実施形態と同様であるため、第1実施形態と異なる部分についてのみ説明する。
(Second Embodiment)
A second embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. In this embodiment, in the first embodiment, the
図5に示すように、本実施形態に係る磁気センサ1では、磁気シールド部6を、第1半導体基板2の平面2aに対する垂線の方向から見て、ホール素子4の周囲を囲む四角形の外形に沿って断続的に形成した構成としている。ここでは、一例として、この四角形を2つとし、一方の四角形(以下、外側四角形という)が他方の四角形(以下、内側四角形という)の周囲を囲んだ構成としている。そして、本実施形態に係る磁気センサ1では、これら2つの四角形(外側四角形、内側四角形)を囲んで接合部5を設けている。
As shown in FIG. 5, in the
図5に示すように、外側四角形の外形に沿って形成された磁気シールド部6を、2つの部位(図5中の符号6a、6bを参照)によって構成している。また、内側四角形の外形に沿って形成された磁気シールド部6を、4つの部位(図5中の符号6c、6d、6e、6fを参照)によって構成している。これら6つの部位6a〜6fのうち4つ(6a〜6d)は、それぞれ、ホール素子4の電極4a、4b、4c、4dのいずれかに電気的に接続されると共に、第2半導体基板3に形成された信号処理回路に電気的に接続される。また、6つの部位6a〜6fのうち残りの2つ(6e、6f)は、第1半導体基板2の基板電位を検出するための電位検出用電極21bとして用いられる。このように、本実施形態に係る磁気センサ1では、磁気シールド部6を、ホール素子4と信号処理回路とを電気的に接続する配線として利用する構成としている。
As shown in FIG. 5, the
なお、本実施形態では、上述したように磁気シールド部6を配線として利用する構成とするため、磁気シールド部6を、コンタクト抵抗が低い材料であるNi(ニッケル)系材料で構成することが特に好ましい。
In the present embodiment, since the
上記で説明したように、本実施形態に係る磁気センサ1では、磁気シールド部6を、ホール素子4と信号処理回路とを電気的に接続する配線として構成している。このため、本実施形態に係る磁気センサ1では、部品点数が少なく、製造が容易となる。
As described above, in the
(他の実施形態)
本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載した範囲内において適宜変更が可能である。
(Other embodiments)
The present invention is not limited to the embodiment described above, and can be appropriately changed within the scope described in the claims.
例えば、第1、2実施形態では、第1半導体基板2の平面2aに対する垂線の方向から見て、接合部5を、第1半導体基板2の平面2aの外縁に沿って形成し、磁気シールド部6を、接合部5で囲まれた領域に形成していた。しかしながら、図6、図7に示すように、磁気シールド部6を、第1半導体基板2の平面2aの外縁に沿って形成し、接合部5を、磁気シールド部6で囲まれた領域に形成してもよい。
For example, in the first and second embodiments, the
また、第1、2実施形態では、磁気シールド部6とは別部材である接合部5を設けていたが、磁気シールド部6と接合部5とを同一としてもよい。すなわち、接合部5によって磁気シールド部6を構成してもよく、例えば、図8に示すように、第1実施形態において、第1半導体基板2および第2半導体基板3が磁気シールド部6を介して接合された構成としてもよい。すなわち、ここでは、ホール素子4を、第1半導体基板2、第2半導体基板3、および磁気シールド部6によって封止している。なお、ここでは、磁気シールド部6を、第1半導体基板2の平面2aの外縁に沿って形成している。
Further, in the first and second embodiments, the
2 第1半導体基板
2a 第1半導体基板の平面
3 第2半導体基板
3a 第2半導体基板の一面
4 ホール素子
5 接合部
6 磁気シールド部
7 シリコン酸化膜
2
Claims (4)
前記第1半導体基板の平面に向けられた一面(3a)を有する第2半導体基板(3)と、
前記第1半導体基板の平面に設けられ、ホール効果を用いて前記第1半導体基板の平面に垂直な磁界を検出するホール素子(4)と、
前記第1半導体基板の平面と前記第2半導体基板の一面との間に設けられ、前記第1半導体基板と前記第2半導体基板とを接合する接合部(5)と、を有し、
前記第1半導体基板および前記第2半導体基板の少なくとも一方において、前記ホール素子が検出した磁界を電気信号に変換するための信号処理回路が設けられた磁気センサであって、
前記第1半導体基板の平面と前記第2半導体基板の一面との間には、前記第1半導体基板の平面に対する垂線の方向から見て前記ホール素子の周囲を囲み、軟磁性体を含む構成とされた磁気シールド部(6)が設けられており、
前記ホール素子は、前記第1半導体基板と、前記第2半導体基板と、前記接合部および前記磁気シールド部の少なくとも一方と、によって封止された構成とされていることを特徴とする磁気センサ。 A first semiconductor substrate (2) having a plane (2a);
A second semiconductor substrate (3) having one surface (3a) directed to the plane of the first semiconductor substrate;
A Hall element (4) provided on a plane of the first semiconductor substrate and detecting a magnetic field perpendicular to the plane of the first semiconductor substrate by using a Hall effect;
A bonding portion (5) provided between the plane of the first semiconductor substrate and one surface of the second semiconductor substrate and bonding the first semiconductor substrate and the second semiconductor substrate;
A magnetic sensor provided with a signal processing circuit for converting a magnetic field detected by the Hall element into an electrical signal in at least one of the first semiconductor substrate and the second semiconductor substrate,
A structure between the plane of the first semiconductor substrate and one surface of the second semiconductor substrate surrounds the periphery of the Hall element when viewed from a direction perpendicular to the plane of the first semiconductor substrate, and includes a soft magnetic material. Magnetic shield part (6) is provided,
The Hall element is configured to be sealed by the first semiconductor substrate, the second semiconductor substrate, and at least one of the bonding portion and the magnetic shield portion.
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