JP3835486B2 - ホール装置のオフセット電圧を減少させる方法 - Google Patents

Description

発明の分野
本発明は集積マイクロセンサ、特に、磁界を測定するセンサ(ホール装置；Hall devices)の分野にある。
発明の背景
ホール装置は、通常、プレートの形状を有するが、必ずしもプレートの形状とは限らない。このプレートは、その周辺に少なくとも４つの電気接点を備えた導電材料からなる。バイアス電流Ｉは、電流接点と呼ばれる２つの対向する接点を介して装置に供給される。２つの他の接点は、プレートの境界の２つの等電位点に置かれている。これらの接点は電圧接点あるいは検出接点と呼ばれる。表面に垂直な磁界が装置に加えられるならば、ある電圧がホール効果により検出接点間に生じる。この電圧はホール電圧と呼ばれる。ホール装置の例は、基本機能に対して接点対ＡＣおよびＢＤのみが使用される図１に示されている。
ホール装置の主要な問題はそのオフセット電圧である。このオフセット電圧は、磁界がない場合、ホール装置の検出接点での静止電圧あるいは非常に低い周波数出力電圧である。集積ホール装置のオフセット電圧の原因は、製造工程の欠陥および材料の不均一である。最新技術によるオフセット減少方法は、スイッチ回転電流方法である。この方法は、例えば、４５°だけ回転に対して対称的である８つあるいはそれ以上の接点を有するホールプレートを使用する。電流の方向は接点の転流によって別々に回転させるようにされる。連続ホール電圧を平均化することはオフセットを減ずる。
本発明の目的は、スイッチ回転電流方法[１]を簡単にし、一般化し、さらにオフセット電圧を減少させることにある。
発明の概要
本発明の方法は、ホール装置のオフセット電圧を動的補償するのに役立つ。ホール装置は、円形導電領域を有するプレートのような構造および導電領域の円周上に向かい合った接点対で配置された少なくとも４つの接点のどちらか一方を有し、接点対は等しい空間角度で互いから離隔されるかあるいは接点対は等角写像によってこのような円形配置から得ることができるいかなる形状も有することができる。この接点対は、例えば、いわゆる垂直ホール装置であってもよい。接点対は例えば９０°だけ曲げられる。各対には周期的な交流が供給され、それによって供給電流の移相は、接点対の空間移相に対応し、例えば９０°である。供給電流の重ね合わせは、ホール装置に連続回転電流ベクトルを生じる。対応する端子間の電圧を同時に測定することによって、ホール電圧および周期オフセット電圧からなる信号は分離することができる。オフセット電圧は少なくとも１つの期間にわたる信号を平均化することによって除去される。既存の方法に比べて得られる長所は下記の通りである。
‐最新技術の別々に回転する電流方式の場合、異なる電流方向の数はホール装置の端子の数に制限される。連続回転電流方法は装置端子よりも多くの電流設定の使用を可能にする。したがって、離散サンプリングの結果としてのエイリアシング効果は著しく減少することができる。全時間連続回転の場合、これらのエイリアシングは完全に避けることができる。
‐設計制約のため、ホール装置を材料の不均質性に対して敏感にする４つ以上の端子を有するホール装置はサイズが増加する。連続回転電流方法は最少サイズホールプレートに応用可能であり、したがって、材料の不均質性から生じる最低可能オフセットが得られる。
【図面の簡単な説明】
図１は、ＣＭＯＳ技術の８接点のホールプレートの顕微鏡写真である。
図２は、２つのバイアス電流Ｉ_AC(Ｂ，ψ)、Ｉ_BD(Ｂ，ψ)および得られる連続回転電流ベクトルＩ₀の図を示している。
図３は、Ｉ₀による電圧降下Ｖ_R、その直交部分Ｖ_HO(Ｂ，ψ)、および射影Ｖ_AC(Ｂ，ψ)およびＶ_BD(Ｂ，ψ)を示している。
図４は、方向ψ＝０の場合の電流の流れ、バイアス電流Ｉ_AC(０)＝０およびＩ_BD(０)＝Ｉ₀の結果を示している。
図５は、ψ＝π／８の場合の電流の流れ、電流Ｉ_AC(π／８)＝０.３８３Ｉ₀およびＩ_BD(π／８)＝０,９２３Ｉ₀の結果を示している。
図６は、Ｉ_AC(π／４)＝０.７０７Ｉ₀およびＩ_BD(π／４)＝０,７０７Ｉ₀の重ね合わせであるψ＝π／４、電流の流れを示している。
図７は、スイッチ回転電流(●)および連続回転電流(□)で測定されたＶ_HO対ベクトルＩ₀の方向ψの図を示している。
図８は、作動状況を対称に保つ基板電圧Ｖ_subを制御する回路を有する測定設定を示している。
図９は、(○)制御回路がある場合および(□)制御回路がない場合の感度Ｓａ(Ｉ_AC)を示している。フルスケール非線形性(±０.６ｍＡ)は＜０.２％に減少される。
図１０は、対称バイアス条件による残りのオフセットＶ₀の変化を示している((○)制御回路がある場合および(□)制御回路がない場合)。
図１１は、４端子のホールプレートで８つの電流設定を測定する回路のブロック図を示している。
好ましい実施例の説明
磁気センサとして使用される４端子のホール装置のオフセット電圧の動的補償の新しい方法が示されている。０°および９０°位相角の調波電流を印加することによって、非周期的ホール電圧は空間的で周期的なオフセット電圧から分離できる。残りの約地磁界のオフセットが得られる。
提示された方法は、チップ平面に垂直に敏感であるＣＭＯＳホール装置のために行われる。チップ顕微鏡写真は図１に示され、それによって基本機能に対して接点対ＡＣおよびＢＤが使用される。本例ではｐ基板で製造された直径が１５０μｍのｎウェルは能動領域を構成する。しかしながら、この方法は、このようないわゆる横ホール装置に限定されない。等角写像によって得ることができる任意のホール装置配置は、例えば、垂直ホール装置に適している。４端子ホール装置の場合、周期バイアス電流が接点対ＡＣおよび対ＢＤに印加され、その結果、下記の式が得られる。
Ｉ_AC(ψ)＝Ｉ₀・Ｋ(ψ) (１)
Ｉ_BD(ψ)＝Ｉ₀・Ｌ(ψ) (２)
それによって、Ｉ₀はピーク電流であり、Ｋ(ψ)およびＬ(ψ)は周期関数である。これにより端子電圧が生じる。
Ｖ_AC(Ｂ，ψ)＝Ｖ_RＫ(ψ)＋Ｖ_HO(Ｂ，ψ)Ｌ(ψ) (３)
およびＶ_BD(Ｂ，ψ)＝Ｖ_RＬ(ψ)＋Ｖ_HO(Ｂ，ψ)Ｋ(ψ) (４)
上記の式は、電流ベクトルと同相の抵抗部Ｖ_R、および電流に対して９０°移相されるホールおよびオフセット電圧Ｖ_HO(Ｂ，ψ)＝Ｖ_H(Ｂ)＋Ｖ₀(ψ)の重ね合わせからなる。周期オフセットを有するホール電圧は、下記のように対応する端子間の電圧の重み付けられた和を測定することによって抵抗部から分離される。
Ｖ_HO(Ｂ，ψ)＝Ｖ_AＣ(Ｂ，ψ)λ(ψ)
-Ｖ_BＤ(Ｂ，ψ)κ(ψ) (５)
その結果、周期重み関数λ(ψ)およびκ(ψ)は下記の関係を満たす。
λ(ψ)・Ｌ(ψ)-κ(ψ)・Ｋ(ψ)=１およびλ(ψ)・Ｌ(ψ)-κ(ψ)・Ｋ(ψ) (６)
特に、-κ(ψ)=Ｋ(ψ)=ｓｉｎψおよびλ(ψ)=Ｌ(ψ)=ｃｏｓψであるならば、接点対ＡＣおよびＢＤに印加された電流は下記のように９０°だけ移相された正弦曲線である。
Ｉ_AC(ψ)＝｜Ｉ₀｜・ｓｉｎψ (７)
Ｉ_BD(ψ)＝｜Ｉ₀｜・ｃｏｓψ (８)
重ね合わせにより、ホールプローブ(図２)に連続回転電流ベクトルＩ₀が生じる。得られる電圧Ｖ_RおよびＶ_HOは図３に示される。対応する端子間の電圧から、
Ｖ_AＣ(Ｂ，ψ)＝Ｖ_Rｓｉｎψ＋Ｖ_HO(Ｂ，ψ)ｃｏｓψ (９)
Ｖ_BＤ(Ｂ，ψ)＝Ｖ_Rｃｏｓψ＋Ｖ_HO(Ｂ，ψ)ｓｉｎψ (１０)
Ｖ_HO(Ｂ，ψ)の値は、
Ｖ_HO(Ｂ，ψ)＝Ｖ_AC(Ｂ，ψ)ｃｏｓψ-Ｖ_BD(Ｂ，ψ)ｓｉｎψ (１１)
１つの期間にわたってＶ_HO(Ｂ，ψ)を平均化することにより、オフセットＶ₀(ψ)を無視できるψとは無関係なその成分に減じる。
図４〜図６において、電流の流れの有限要素シミュレーションは方向ψの異なる値に対して示される。このシーケンスは、連続回転電流方法がスイッチ方法の一般化であることを示している。
信号Ｖ_HO(Ｂ，ψ)は連続的に使用でき、[１]に記載された離散サンプリング方法よりもより詳細なオフセット動作(図７)の研究を可能にする。しかしながら、残りのオフセット電圧Ｖ₀＝Ｖ_HO(０,ψ)を評価するために、ｎε｛１...Ｎ｝の場合、ψ＝２πｎ／Ｎのような限られた期間当たりの測定数はかなりのオフセット減少に十分である。増加する測定点の数に関して、エイリアシング効果はサンプリング定理に従って減少されるので、Ｖ₀は減少する。絶対感度Ｓａを使用して、相等するオフセットＢ₀＝Ｖ₀／Ｓａは０.１ガウス(１０μＴ)よりも小さくなるように計算される。
測定のために使用される配置は図８に示される。制御回路は、ホール装置の中心と基板との電圧差を一定値に保持する。感度Ｓａ(Ｉ_AC)およびＳａ(Ｉ_BD)(図９)は線形関数になる。したがって、Ｖ_H(Ｂ)＝Ｓａ・｜Ｂ｜のより高次の調波が全然発生されない。さらに、ホール装置は対称的にバイアスされ、より低い残りのオフセットＶ₀(図１０)を生じる。
本発明の方法はダイナミックオフセット削減に対する改良された概念を構成する。本エラー発生源（基板電圧を制御する限定精度、バイアス電流を測定する限定精度および得られる電圧）はオンチップ回路により改良される。
図１１は、小さいホールプレートの設計を可能にし、さらに著しくオフセットを減少する(図７を参照)４つの接点だけを有するホールプレートで８つの電流設定値のホール電圧を測定できる回路の実施例を示している。この回路は、ホールプレートの端子の各々に対してスイッチすることができる２つの整合電流源および２つの調整整合電流シンク(左側)からなる。積分増幅器(図の右側)は、ホール電圧を取り出すのに適切な差電圧の数値を求める。適当なスイッチ設定値のシーケンスによって、印加される電流は、下記のとおりである。
Ｉ_AC＝{０,I,２I,I,０,-I,-２I,-I}およびＩ_BD＝
{２I,I,０,-１,-２I,-I,０,I} (１２)
４つの接点の電圧は下記のシーケンスで数値が求められる。
Ｖ_HO＝mean{Ｖ_A-Ｖ_C,(Ｖ_D-Ｖ_C)+(Ｖ_A-Ｖ_B),Ｖ_D-Ｖ_B,(Ｖ_D-Ｖ_A)+(Ｖ_C-Ｖ_B),
Ｖ_C-Ｖ_A,(Ｖ_B-Ｖ_A)+(Ｖ_C-Ｖ_D),Ｖ_B-Ｖ_D,(Ｖ_B-Ｖ_C)+(Ｖ_A-Ｖ_D)} (１３)
これは、簡単なスイッチ、増幅器およびローパスフィルタによって実行することができる。ホールプレートのバイアス電圧の制御に関しては、整合対の一方が全て４つのホールプレート接点の共通モード電圧によって調整されるのに対して、他方の対は電流基準として使用される。
参照文献
[１]A.A.Bellekom and P.J.A.Munter,“Offset Reduction in Spinning Current Hall Plates,”Sensor and Materials ５，２５３，１９９４

Claims (10)

1. 円形導電領域（circular conductive area）と、前記導電領域の円周上の対向する接点対(Ａ／Ｂ,Ｃ／Ｄ)で配置された少なくとも４つの接点(Ａ,Ｂ,Ｃ,Ｄ)とを有するホール装置のオフセットを減少させる方法であって；前記接点対が等しい空間角（spatial angles）によって互いから離隔されるか、あるいは導電領域と前記円形領域から等角写像（conformal mapping）で得られる接点対とを有するものであり；該方法が、
   電流(Ｉ₀)を前記導電領域に印加し、それによって該電流の方向が前記領域内で回転されるステップと、
   前記電流(Ｉ₀)に垂直な前記導電領域の両端間（across the conductive area）の電圧差を測定するステップと、
   少なくとも１つの回転期間(rotation period)中に測定された電圧差を平均化するステップとを含み、
   前記回転電流が、各接点対に交流を印加することによって発生され、それによって全接点対に印加された電流の周波数が等しく、且つ接点対に印加された電流間の移相（phase shift）が、同じ接点対間の空間角に対応することを特徴とする方法。
2. 前記ホール装置の前記導電領域の中心と前記ホール装置が組み立てられる（constructed）基板との間の電圧が一定に保持されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 前記電圧差が、電流の流れの平面内の方向に対する電流に対する角度２πｎ／Ｎ（これにより、ｎおよびＮは整数であり、ｎは０...Ｎである）でサンプルされ、かつ前記ホール電圧が前記接点の重み付けられた測定電圧の和から計算されることを特徴とする請求項１あるいは２に記載の方法。
4. 前記ホール装置が、９０°の空間角度だけ互いから離隔された２つの接点対(Ａ／ＣおよびＢ／Ｄ)を含むことを特徴とする請求項１〜３のうち一項に記載の方法。
5. 前記接点対に印加された電流(Ｉ_AC,Ｉ_BD)が、π／４の位相角だけ互いから離隔された等しいステップで増減され、それによって形式(０,I,２I,I,０,-I,-２I,-I)の交流が発生されることを特徴とする請求項３および４に記載の方法。
6. 前記４つの接点の電圧(Ｖ_A,Ｖ_B,Ｖ_C,Ｖ_D)が電流ステップ間でサンプルされ、かつ前記電圧差が、Ｉ_AC＝０およびＩ_BD＝２Ｉの場合、(Ｖ_D-Ｖ_C)+(Ｖ_A-Ｖ_B),Ｖ_D-Ｖ_B,(Ｖ_D-Ｖ_A)+(Ｖ_C-Ｖ_B),Ｖ_C-Ｖ_A,(Ｖ_B-Ｖ_A)+(Ｖ_C-Ｖ_D),Ｖ_B-Ｖ_D,(Ｖ_B-Ｖ_C)+(Ｖ_A-Ｖ_D)が続くシーケンスＶ_A-Ｖ_Cで計算されることを特徴とする請求項５に記載の方法。
7. 請求項１〜６のうち一項に記載の方法によって作動されるホール装置であって；該ホール装置が、シリコン基板上に組み立てられる集積装置であり、かつ前記接点対に電流を供給し、前記電圧をサンプルし、平均化するための回路（circuitry）が同じ基板上で実現される（implemented）ことを特徴とするホール装置。
8. ９０°だけ互いから離隔される４つの接点(Ａ,Ｂ,Ｃ,Ｄ)を有することを特徴とする請求項７に記載のホール装置。
9. 前記回路が整合電流シンク対および整合電流源対を含み、該シンクおよび電流源が前記ホールプレートの４つの接点(Ａ,Ｂ,Ｃ,Ｄ)に対して、独立してスイッチ可能であることを特徴とする請求項８に記載のホール装置。
10. 前記導電領域が、前記基板の平面内にある（lies）か、あるいは前記基板の平面に垂直であることを特徴とする請求項７〜９のうち一項に記載のホール装置。

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