JP5616399B2 - 磁気センサ及びその感度測定方法 - Google Patents

Description

本発明は、感度測定機能を備えた磁気センサ及びその感度測定方法に関し、より詳細には、複数のホール素子が互いに離間して設けられた半導体基板と、この半導体基板上に設けられた磁性体とを備えた磁気センサにおいて感度測定機能を持たせるための磁気センサ及びその感度測定方法に関するものである。

従来から磁気センサとして、半導体基板に設けられたホール素子と、このホール素子上に設けられた磁気収束機能を有する磁性体（磁気収束板）を備えて、磁気収束させて、その磁界強度をホール素子で検出するようにすることは、よく知られている。

図１は、このタイプの磁気センサを説明するための構成図である。半導体回路１は、半導体基板３と、この半導体基板３に設けられたホール素子４ａ，４ｂからなる。この半導体回路１上には保護層５と接着層６が、順次、設けられ、さらにその上に磁気収束板２が設けられている。

ホール素子と磁気収束機能を有する磁性体（磁気収束板）とを組み合わせた磁気センサに関しては、例えば、特許文献１がある。この特許文献１に記載のものは、磁場の方向を２次元で決定できるようにした磁場方向検出センサに関するものである。平らな形状を有する磁気収束板と、第１のホール効果素子及び第２のホール効果素子とを備え、これらのホール効果素子が磁気収束板の端部領域に配置されている。

また、特許文献２に記載のものは、図１と同様の構成の磁気センサであり、水平方向磁界感度と垂直方向磁界感度をそろえるような技術に関したものである。

また、特許文献３に記載のものは、以下の構成である。磁気センサに磁界を印加するためのコイルを有するプローブカードを、磁気センサとデジタル信号処理部とを有する磁気センサモジュールのいずれかに接触させる。コイルに電流を供給し磁界を発生させながら、プローブカードを介してデジタル信号処理部を検査して、磁気センサを検査する。そして、検査結果に応じた磁気センサの補正値を、プローブカードを介して、磁気センサモジュールの記憶部に補正値を格納する。

さらに、ホール素子の感度補正に関しては、以下の構成がある。図２に示すように、ホール素子の直下に垂直磁界成分を発生するための垂直方向磁界発生用コイルを配置し、この垂直方向磁界発生用コイルにより発生された垂直磁界成分をホール素子で検出し、ホール素子の自己感度を補正する。この具体的な内容については、非特許文献１に記載されている。

上述した特許文献１には以下の事が開示されている。半導体基板に設けられたホール素子と、このホール素子上に設けられた磁気収束機能を有する磁性体（磁気収束板）を備え、この磁性体により磁気収束してその磁界強度をホール素子で検出するような構成である。水平方向と垂直方向の磁界を検出し、互いに直交する２軸もしくは３軸の磁気信号を検出する磁気センサにおいて、水平方向磁界と垂直方向磁界の磁気感度がそれぞれ異なる。そのために、各軸間の感度をそろえる必要があった。

本出願人は、上述した特許文献２において、垂直方向の磁気を検知する素子を多く配置することで水平方向と垂直方向の磁気感度をそろえる技術を提案している。しかしながら、この方法においては、個々の磁気センサにおける素子感度ばらつきや磁性体の位置ずれにともなう感度ばらつきは補正できなかった。

上述した特許文献３では、以下の事が開示されている。磁気センサに磁界を印加するためのコイルを有するプローブカードを、磁気センサとデジタル信号処理部とを有する磁気センサモジュールのいずれかに接触させて、コイルに電流を供給し磁界を発生しながら、プローブカードを介してデジタル信号処理部を検査し、磁気センサの感度を検査し、また、感度補正をする。

この特許文献３においては、回路ブロックが機能通りに動作しているかどうかを調べるために、外部のプローブカードに磁界発生のためのコイルを設置し、また、測定のためにわざわざプローブカードをＩＣのウェファに密着させる、などの作業を行う必要があった。同時に、コイルの発生する磁界を校正するために、あらかじめ校正されたウェファを用意し、そのウェファを一回測定してコイルの補正を行う、などの煩雑な作業を行う必要があり、テストコストがかかるという問題があった。

このような状況の中で、外部コイルによることなく、内部コイルを磁気センサに組み込むことで、上述したような問題点を解決することが検討された。内部コイルを磁気センサに搭載することにより、１）製造時及び出荷時に機能動作を検証することができる、２）出力感度のプロセス依存性のばらつきや回路ブロックの感度ズレに対して、各軸毎に感度補正をすることができる、３）テストボード上に、適度な範囲に一様な磁界領域を発生させる、磁場テストコイル（外部コイル）の設置が不要となる。よって、多数個の磁気センサを一括してテストすることが可能になり、テストコストが削減される、という効果がある。

また、例えば、非特許文献１には、以下の開示がある。同一シリコン基板のホール素子の直下に垂直磁界成分を発生するための垂直方向磁界発生用コイルを配置し、この垂直方向磁界発生用コイルにより発生された垂直磁界成分をホール素子で検出することにより、感度を測定して補正を行う。

しかしながら、この構成では、垂直方向磁界しか発生させることが出来ない。よって、互いに直交した２軸または３軸の磁気成分に感度をもつ磁気センサ構成においては、すべての軸の感度を、内部コイルを用いて測定することはできなかった。

上述したように特許文献１乃至３及び非特許文献１に記載のものは、以下のものであった。ホール素子あるいは磁気センサの感度補正を種々の形態で実現している。何れの文献も、互いに直交する２軸又は３軸の磁界を検出することの出来る磁気センサに関する内容である。それらには、外部コイルを用いることなくて、磁気センサの各軸方向の感度を測定するための具体的な構成、つまり、磁性体とホール素子との間に感度測定用の内部コイルを配置するような構成については、何ら開示されていない。

本発明は、このような状況に鑑みてなされたものである。その目的とするところは、複数のホール素子が互いに離間して設けられた半導体基板と、この半導体基板上に設けられた磁性体とを備えた、２軸又は３軸の磁気センサにおいて、外部の感度測定用磁界発生源を用いることなく磁気センサの各軸方向の感度を測定する機能を有する磁気センサ及びその感度測定方法を提供する。

特開２００２−７１３８１号公報 特開２００４−２５７９９５号公報 特開２００７−２４５１８号公報 「Ａｕｔｏｃａｌｉｂｒａｔｉｏｎ ｏｆ ｓｉｌｉｃｏｎ Ｈａｌｌ ｄｅｖｉｃｅｓ」（Ｐ． Ｌ． Ｓｉｍｏｎ ｅｔ ａｌ． Ｓｅｎｓｏｒｓ ａｎｄ Ａｃｔｕａｔｏｒｓ Ａ ５２（１９９６） ２０３−２０７

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、本発明の磁気センサは、複数の感磁部が互いに離間して設けられた半導体基板と、該半導体基板上に設けられた磁性体とを備え、前記感磁部が前記磁性体の端部領域に設けられた磁気センサにおいて、前記複数の感磁部間の領域内で、かつ前記感磁部と前記磁性体との間に、前記感磁部の感磁方向に垂直な方向に水平磁界成分を発生させる感度測定のための水平磁界発生手段を有し、前記感磁部が、該水平磁界発生手段により発生した前記水平磁界成分を検出することを特徴とする。

また、本発明の本発明の磁気センサにおける感度測定方法は、水平磁界成分を発生するステップと、前記水平磁界成分を前記感磁部で検出するステップと、前記感磁部からの磁束密度に基づいて、感度を演算するステップと、前記垂直磁界成分を発生するステップと、前記垂直磁界成分を前記感磁部で検出するステップと、前記感磁部からの磁束密度に基づいて、感度を演算するステップとを有することを特徴とする。

また、前記感度を演算するステップが、前記磁気センサからの磁界強度情報を軸成分分解部で各軸毎の成分に分解するステップと、前記軸成分分解部からの磁界強度情報の各軸成分を感度判定部で所定の基準値と比較して感度を判定するステップと、前記感度判定部からの感度情報に基づいて感度補正部で感度補正を行うステップとを有することを特徴とする。

また、前記感度判定部からの感度情報に基づいてセンサ診断部で前記磁気センサの感度良否を自己診断するステップを有することを特徴とする。

本発明の磁気センサによれば、以下の構成になる。つまり、複数のホール素子が互いに離間して設けられた半導体基板と、この半導体基板上に設けられた磁性体とを備えている。複数のホール素子間の領域内で、かつホール素子と磁性体との間に、感磁部の感磁方向に垂直な方向に水平磁界成分を発生する水平方向磁界発生用手段を設けている。この水平方向磁界発生用手段により発生した水平磁界成分を磁性体の端部領域に設けられたホール素子で検出する。それとともに、複数のホール素子の各々の近傍に、感磁部の感磁方向に平行な垂直磁界成分を発生する垂直方向磁界発生用手段を設けている。この垂直方向磁界発生用手段により発生した垂直磁界成分をホール素子で検出するようにした。よって、磁気センサの垂直方向磁界に対する感度と水平方向磁界に対する感度を測定することができる。

さらに、磁気センサの互いに直交する３軸方向の感度に対して、ホール素子形成時や磁性体形成時のプロセス依存性のばらつきや、集積回路が持つ感度ばらつきから生ずる、感度ズレ量を補正する機能を有することができる。

また、このような磁気センサは、磁気センサの複数の感磁部からの、各軸に関する、磁界強度情報に基づいて、感度を演算する感度演算部を備えたので、感度ズレに対して自己感度補正が可能となり、さらには磁気センサの感度良否判定による自己診断が可能となる。

従来の磁気センサを説明するための構成図である。 従来のホールセンサの感度補正を説明するための構成図である。 本発明に係る磁気センサにおけるホール素子の周辺の磁束分布を示す図である。 本発明の感度測定機能を有する磁気センサの一実施例を示す上面図である。 本発明の感度測定機能を有する磁気センサの一実施例を示す断面図である。 本発明に係る磁気センサの水平方向磁界発生用コイルによる水平磁界成分の発生状態を示す模式図の上面図である。 本発明に係る磁気センサの水平方向磁界発生用コイルによる水平磁界成分の発生状態を示す模式図の断面図である。 本発明に係る磁気センサの垂直方向磁界発生用コイルによる垂直磁界成分の発生状態を示す模式図の上面図である。 本発明に係る磁気センサの垂直方向磁界発生用コイルによる垂直磁界成分の発生状態を示す模式図の断面図である。 本発明に係る磁気センサの感度測定装置の構成図である。 本発明に係る磁気センサの感度測定装置における感度測定方法を説明するためのフローチャートを示す図である。 本発明に係る磁気センサの感度測定装置における感度測定方法を説明するためのフローチャートを示す図である。 磁気収束板の厚みをパラメータとして変化させた場合の、ホール素子と磁気収束板底面間距離（μｍ）に対する感磁面における磁束密度（Ｔ）（絶対値）との関係を示した図であり、感度の自己診断時の平面状渦巻型コイルの例を示している。 ホール素子（Ｈｅ）と磁気収束板（磁性体；Ｍｃ）底面間距離をパラメータとして変化させた場合の、磁気収束板の厚みＴ（μｍ）と感磁面における磁束密度（Ｔ）（絶対値）との関係を示した図であり、感度の自己診断時の平面状渦巻型コイルの例を示している。 図９に対応する相対変化を示した図である。 図１０に対応する相対変化を示した図である。 磁気収束板の厚みをパラメータとして変化させた場合の、ホール素子と磁気収束板底面間距離（μｍ）に対する感磁面における磁束密度（Ｔ）（絶対値）との関係を示した図で、感度の自己診断時のループ状コイルの例を示している。 ホール素子（Ｈｅ）と磁気収束板（磁性体；Ｍｃ）底面間距離をパラメータとして変化させた場合の、磁気収束板の厚みＴ（μｍ）と感磁面における磁束密度（Ｔ）（絶対値）との関係を示した図であり、感度の自己診断時のループ状コイルの例を示している。 図１３に対応して、各パラメータ毎に、基準位置から見たときの相対変化を示した図である。 図１４に対応して、各パラメータ毎に、基準位置から見たときの相対変化を示した図である。

以下、図面を参照して本発明の実施例について説明する。
以下の実施例では、感磁部としてホール素子を例示して説明するが、本発明はホール素子に限らず、磁性体に対して垂直方向の磁界を検出することのできる感磁部ならば何でも応用が可能である（磁気抵抗素子、他）。

図３は、本発明の磁気センサにおけるホール素子の周辺の磁束分布を示す図である。図中実線で示した曲線は、磁性体の磁気収束機能による水平−垂直磁気変換特性を示している。半導体基板１３の端部でそれぞれピーク値を示し、中心に向かってなだらかな傾斜を有している。なお、図中符号１４ａ，１４ｂはホール素子、１５は磁性体を示している。

ここで、ホール素子の配置位置は、磁気センサの用途に応じて最適なところを選ぶ事ができる。例えば、水平方向と垂直方向の磁界の感度比をそろえるような場合では端部よりはやや磁性体中央よりにホール素子を置くのがよい。例えば、水平方向の磁界感度をできるだけ大きめにするような場合ではホールを素子磁性体の端部に配置するのがよい。

なお、感磁部が磁性体の端部から中央よりに配置された場合は、ループ状コイルも、感磁部の直上・直下付近に配置するのが望ましい。

図４Ａ及び図４Ｂは、本発明の感度測定機能を有する磁気センサの一実施例を示す構成図で、図４Ａは上面図、図４Ｂは断面図である。図中符号２１ａ，２１ｂはＸ軸ホール素子、２１ｃ，２１ｄはＹ軸ホール素子、２２は磁性体（磁気収束板；円板）、２３は水平方向磁界発生用コイル、２４ａ乃至２４ｄは垂直方向磁界発生用コイルを示している。

本発明において、磁気センサは、以下の構成である。互いに離間して複数のホール素子２１ａ，２１ｂ（Ｘ軸ホール素子）及び２１ｃ、２１ｄ（Ｙ軸ホール素子）が半導体基板（図示せず）上に設けられ、この半導体基板上に各ホール素子を覆うように磁気収束機能を有する磁性体２２が設けられている。

既に特許文献１及び特許文献２に開示されているように、ホール素子２１ａ乃至２１ｄは、磁気収束機能を持つ磁性体２２との組み合わせにより３つの座標軸又は２つの座標軸が互いに直交する２軸座標系又は３軸座標系、つまり、互いに直交する２軸又は３軸の検出軸を有する。

さて、本発明においては、複数のホール素子間の領域内で、かつホール素子２１ａ乃至２１ｄと磁性体２２との間には、感磁部の感磁方向に垂直な方向に水平磁界成分を発生させる感度測定のための水平磁界発生用コイル２３が設けられている。この水平方向磁界発生用コイル２３により発生した水平磁界成分を、磁性体２２の端部領域に設けられたホール素子２１ａ乃至２１ｄで検出するように構成されている。

水平磁界成分の検出は、図５Ｂにおいて示されるように、磁性体端部近傍において、水平磁界成分に相関を有する垂直磁界成分が発生し、その垂直磁界成分をホール素子で検出することにより行われる。

また、ホール素子２１ａ乃至２１ｄと水平方向磁界発生用コイル２３とは、磁性体２２に対して同じ側に配置されるように構成されている。また、水平方向磁界発生用コイル２３は、平面状の渦巻型コイルであることが望ましいが、その外形は円型、八角形、四角形などの種々の形状が考えられる。また、その大きさやターン数も、発生する磁界の効率や磁気収束板の直径、またホール素子の配置などにより、様々な選択が可能である。

水平方向磁界発生用コイル２３は、通常のＩＣプロセスにてメタル配線層を用いて作成することが可能である。この場合、メタルの基板に近い層を用いるか、遠い層を用いるか、また複数の配線層を利用するかは、必要とされる磁界発生量とコイル効率を加味して選択することができる。

また、複数のホール素子２１ａ乃至２１ｄの各々の近傍に、前記感磁部の感磁方向に平行な方向に垂直磁界成分を発生させる垂直方向磁界発生用コイル２４ａ乃至２４ｄを設ける。この垂直方向磁界発生用コイル２４ａ乃至２４ｄにより発生した垂直磁界成分を磁性体２２の端部領域に設けられたホール素子２１ａ乃至２１ｄで検出するように構成されている。

したがって、ホール素子２１ａ乃至２１ｄは、水平方向磁界発生用コイル２３によって発生した水平磁界成分の検出と、垂直方向磁界発生用コイル２４ａ乃至２４ｄによって発生した垂直磁界成分の検出を兼ね備えている。

また、垂直方向磁界発生用コイル２４ａ乃至２４ｄは、磁性体２２の端部領域に配置され、水平方向磁界発生用コイル２３と基板上の同じ平面側で、かつホール素子２１ａ乃至２１ｄの直上に配置されるように構成されている。

また、垂直方向磁界発生用コイル２４ａ乃至２４ｄは、磁性体２２の端部領域に配置され、水平方向磁界発生用コイル２３と異なる平面上で、かつホール素子２１ａ乃至２１ｄの直下に配置することも可能である。

この垂直方向磁界発生用コイル２４ａ乃至２４ｄは、ループ状のコイルが望ましく、その形状はホール素子の形状や大きさ、数などにより、円形、正方形、長方形など様々な選択が可能である。

垂直方向磁界発生用コイル２４は、通常のＩＣプロセスにてメタル配線層を用いて作成することが可能である。この場合、メタルの基板に近い層を用いるか、遠い層を用いるか、また複数の配線層を利用するかは、必要とされる磁界発生量とコイル効率を加味して選択することができる。

図５Ａ及び図５Ｂは、本発明に係る磁気センサの水平方向磁界発生用コイルによる水平磁界成分の発生状態を示す模式図で、図５Ａは上面図、図５Ｂは断面図である。

水平方向磁界発生用コイル２３に通電すると、図５Ｂ中の矢印で示すように、感磁部の感磁方向に垂直な方向に水平磁界成分（Ｘ軸成分，Ｙ軸成分）が発生し、磁性体２２とホール素子２１ａ乃至２１ｄの間には垂直磁界成分（Ｚ軸成分）が発生する。

この垂直磁界成分は、水平磁界成分に相関を有しているので、この垂直磁界成分をホール素子２１ａ乃至２１ｄで検出することにより、感磁部の感磁方向に垂直な方向に発生する水平磁界成分の強度を検出することができる。

つまり、ホール素子２１ａ乃至２１ｄは、水平方向磁界発生用コイル２３により発生した、感磁部の感磁方向に垂直な方向の水平磁界成分を検出することができる。

図６Ａ及び図６Ｂは、本発明に係る磁気センサの垂直方向磁界発生用コイルによる垂直磁界成分の発生状態を示す模式図である。図６Ａは上面図、図６Ｂは断面図である。

垂直方向磁界発生用コイル２４ａ乃至２４ｄに通電すると、図６Ｂ中の矢印で示すように、磁性体２２とホール素子２１ａ乃至２１ｄの間には垂直磁界成分（Ｚ軸成分）が発生する。この垂直磁界成分をホール素子２１ａ乃至２１ｄで検出することにより、垂直磁界成分の強度を検出することができる。つまり、ホール素子２１ａ乃至２１ｄは、垂直方向磁界発生用コイル２４ａ乃至２４ｄにより発生した、磁性体２２とホール素子２１ａ乃至２１ｄの間の垂直磁界成分を検出することができる。

ここで、水平方向磁界発生用コイル２３により発生された水平磁界成分は、磁気センサの磁性体２２の厚みと、この磁性体２２とホール素子２１ａ乃至２１ｄとの距離に依存するものである。垂直方向磁界発生用コイル２４ａ乃至２４ｄにより発生された垂直磁界成分は、磁性体２２とホール素子２１ａ乃至２１ｄとの距離に依存するものである。

図７は、本発明に係る感度測定機能を有する磁気センサの構成図である。図中符号３１は感磁部、３２は切換部、３３は増幅部、３４は感度演算部、３４ａは軸成分分解部、３４ｂは感度判定部、３４ｃは感度補正部、３５は出力部、３６は制御部、３７，３８は電流源、３９はセンサ診断部を示している。感磁部３１の構成は図４に示す通りである。感磁部３１のホール素子２１ａ乃至２１ｄにより検出された磁束密度は、切換部３２によってホール素子２１ａ乃至２１ｄのうち任意の一つの、またはそれらの組み合わせた磁気信号を含む構成で時分割選択され、増幅部３３を介して感度演算部３４に入力される。この感度演算部３４は、感磁部３１のホール素子２１ａ乃至２１ｄからの切換部３２によって選択された磁気信号に基づいて、互いに直交する水平方向（Ｘ，Ｙ）、垂直方向（Ｚ）の磁気感度（信号成分）を算出するものである。

この感度演算部３４は、感磁部３１からの磁気信号を各軸の磁気成分に分解する軸成分分解部３４ａと、この軸成分分解部３４ａからの各軸の磁界強度を基準値と比較して感度を判定する感度判定部３４ｂと、この感度判定部３４ｂからの感度情報に基づいて感度補正を行う感度補正部３４ｃとを備えている。

また、制御部３６は、磁気センサの水平方向磁界発生用コイル２３に電流を供給する第１の電流源３７と、磁気センサの垂直磁界発生用コイル２４ａ乃至２４ｄに電流を供給する第２の電流源３８からの電流供給を制御するとともに、感度演算部３４の感度演算機能を制御するものである。構成上、電流源３７と３８は別にしているが、実際には兼用しても構わない。

このような構成を有する感度測定装置で行う信号処理について説明する。
電流源３７，３８によって、水平方向磁界発生用コイル２３、又は／及び、垂直磁界発生用コイル２４ａ乃至２４ｄに通電して、磁場を発生する。発生した磁場は、磁性体２２を介して、集積回路平面に形成されたホール素子の感磁面を貫き、磁場が検知される。
磁気検出部の配置としては、ホール素子は、磁性体２２をはさんでＸ，Ｙの各軸方向に対向した位置に配置する。対向するホール素子のうち、Ｘ軸片側をＸ１，他方をＸ２、Ｙ軸片側をＹ１、他方をＹ２とする。ここで、Ｘ１，Ｘ２，Ｙ１，Ｙ２はそれぞれ複数の感磁部から構成されていても良い。また感磁部はホール素子に限定されないのは前述の通りである。

磁気検出部３１で検出し、切換部３２及び増幅部３３を介して、例えば、Ｘ１、Ｘ２，Ｙ１，Ｙ２が、時分割で検出される。すると、感度演算部３４の軸成分分解部３４ａにおいて、Ｘ，Ｙ，Ｚ軸成分に分解される。分解されたＸ，Ｙ，Ｚ軸成分の各々は、感度判定部３４ｂで、基準値と比較され、診断される（自己診断）。

以下に、軸成分分解の手順の一例を示す。
上記手順で取得された、Ｘ１，Ｘ２，Ｙ１，Ｙ２の各出力に対して、以下のような演算をする。水平方向成分は対向する感磁部出力を差分処理することで得られる。

（Ｘ１−Ｘ２）＝係数×Ｈｘ
（Ｙ１−Ｙ２）＝係数×Ｈｙ
これに対して、（Ｘ・Ｙ軸に対して）垂直なＺ軸は、和分処理を行う。
（Ｙ１＋Ｙ２）＝係数×Ｈｚ
このようにして、Ｘ，Ｙ，Ｚ軸に関する磁界強度が得られる。

実際には、平面状の渦巻型コイルから発生する水平方向磁界は、磁性体端部にて各ホール素子に対して同一の縦方向の磁界となって入射し、上記演算の結果はＺ軸方向の信号として算出される。しかし、算出された磁気計測値は、本磁気センサの平面状の渦巻型コイルから発生する水平方向磁界に対する感度に相関があり、それとともに、外部からの均一水平方向磁界に対する感度にも相関がある。

一方、ループ状コイルの場合は、縦方向磁界を発生させるが、たとえば、Ｘ軸方向を考えた場合は、前記Ｘ１とＸ２にそれぞれ同方向となる磁界を発生させるか、それぞれ異なる方向となる磁界を発生させるかにより、算出される磁気計測値は異なる。

同方向となる磁界を発生させる場合は、Ｚ軸方向の信号として算出され、異なる方向の場合はＸ軸方向の信号として算出される。しかし、算出された磁気計測値は、本磁気センサのループ状コイルから発生する垂直方向磁界に対する感度に相関があり、それとともに、外部からの均一垂直方向磁界に対する感度にも相関がある。

コイルに通電していないときのホール素子出力と、コイルに通電したときのホール素子出力の差分をとることで、外部からの妨害磁界などの影響を排除して、コイルからの発生磁界に起因する信号のみを抽出することができる。コイルの通電の向きを正方向、負方向の２回計測し、その差分を取る方法でもよい。

次に、感度の自己診断機能について説明する。
ホール素子の直上に配置されたループ型コイルと、磁気収束板の中央付近に配置された平面状の渦巻型コイルを用いる事が出来る。例えば、渦巻型コイルに通電してコイル周辺に水平方向の磁界を発生させる。この水平方向磁界は、磁性体を通り抜けた後、磁性体端部で空間に再度、磁束が放出される。このときに磁界の方向は垂直方向の成分をもち、ホール素子の感磁面にて検知することが出来る。コイルに通電していないときの計測値、もしくは逆方向に通電したときの計測値との差分を取ることで、コイルからの発生磁界に起因する信号のみを抽出することができる。基準電流に対して得られた信号値が感度となる。

ホール素子にて得られた感度と感度目標値に対しての差を把握して、本磁気センサの水平方向磁界の感度が許容値以内かどうかを判断できる。これにより、磁性体、ホール素子、さらに回路ブロックの機能動作が正常であるか否かを判断する。

或いは、ホール素子の直上に配置されたループ型コイルに通電してコイル周辺に磁界を発生させて、ホール素子の感磁面に入射させることもできる。これにより、本磁気センサの垂直方向磁界の感度が許容値以内かどうかを判断できる。前述された処理を経て、得られた感度と感度目標値に対しての差を把握して、磁性体、ホール素子、さらに回路ブロック毎の機能動作状況を判断する。これらの演算は感度判定部３４ｂおよびこれを制御する制御部３６にて行われる。

次に、感度の自己補正機能について説明する。
感度判定部３４ｂは、自己診断機能動作時によって得られた感度が、感度目標値との間の差異量を判定する。差異量に応じて、感度補正部３４ｃは、その差異量から各軸ごとに外部均一磁界に対する感度の補正量を算出し、同じく感度補正部３４ｃ内部のＦｕｓｅや不揮発性メモリ等に感度補正量を書き込む。感度補正量は、通常、３軸ごとにばらばらであり、例えば、Ｘ方向の感度を基準に、Ｙ方向やＺ方向の感度補正量を設定してもよいし、各軸ごとの標準値に対しての測定値の差異量を、各軸別々に補正量として設定することでもよい。感度補正は軸成分分解部３４ａにて分解された各軸信号に対して行うが、場合によっては、切替部３２や増幅部３３、さらには感磁部３１に対して適用することもできる。

次に、機能動作の診断について説明する。
感度判定部３４ｂの感度情報に基づいて、その感度ズレ量が許容範囲にある場合は、感度補正部３４により感度補正されて、出力部３５を介して正常な出力信号が得られる（良品判定、出荷される）。また、センサ診断部３９は、感度演算部３４の感度判定部３４ｂからの感度情報に基づいて、感度良否を自己診断する。不良品と判断されて磁気センサは不使用（破棄）となる。

本発明の感度測定方法は、出荷時に多数個の磁気センサを一括してテストすることが可能であり、それによりテストコストが削減される。又、ユーザ使用時に動作検証する事も可能となる。

次に、コイルによる診断モードと測定モードとの対応について説明する。
図４において、磁性体２２は円形で半径１５５μｍとする。ホール素子２１ａ，２１ｂ，２１ｃ，２１ｄはそれぞれホール素子の中心位置が磁性体２２の中心から１５０μｍとなるように配置した。ホール素子感磁面サイズが１５μｍである。

ホール素子―磁気収束板底面間垂直離間距離が１０ｕｍを中心として、プロセス上のばらつきが数μｍあるとし、半径Ｒは１５５ｕｍに対し数μｍ前後、厚みＴは１３ｕｍに対して数μｍ前後、磁性体の水平面内位置はセンタ位置から数μｍ前後それぞれ変動がありうるとする。

このときに、平面状の渦巻型コイルに通電をし、コイル周辺に水平方向の磁界を発生させる。この水平方向磁界は、磁性体を通り、その端部で空間に再度磁束が放出される。このときに磁界の方向は垂直方向の成分をもち、ホール素子の感磁面にて検知することが出来る。この構成においては、磁性体とホール素子間の垂直方向離間距離変動・磁性体の直径変動・磁性体の水平面内位置ずれ・磁性体の厚み変動等が、感磁面での磁場強度変化（感度変化）となって検知できる。ホール素子の直上に配置されたループ型コイルに通電することで、主に、磁性体とホール素子間の垂直方向離間距離変動・磁性体の直径変動・磁性体の水平面内位置ずれ等が、感磁面での磁場強度変化（感度変化）となって検知できる。

例えば、予めプロセス変動毎に、診断モードでの各種コイル磁場による各軸の感度比と測定モードでの各軸の感度比との校正をとっておく。校正曲線を元に、感度補正部３４ｃによって感度補正（感度調整）される。補正量は、出力部３５に出力される各軸に分解された磁気出力データに対して数値的に補正を行う方法が好ましいが、これに限らず他の補正手段に対して適用するのも可である。後段の回路ブロックでのゲインずれは、基本的には、Ｘ，Ｙ，Ｚ全体としての感度ズレとなる。各軸の感度の絶対値も含めて補正する必要がある場合は、この回路ブロックでのゲイン変動も含めて補正することが望ましい。各軸の感度比のみを一定にすればいい場合は、全体ゲイン変動は補正せず、どれか各軸を基準とし、他の軸の感度比を補正することも可である。

上記条件での平面状渦巻型コイル、ループ型コイルに応じて、プロセス変動による感度の見え方について詳細に説明する。
図９は、ホール素子と磁気収束板底面間距離（μｍ）と、感磁面における磁束密度（Ｔ）（絶対値）との関係を示した図である。磁気収束板の厚みをパラメータとした。
図１０は、磁気収束板の厚みＴ（μｍ）と、感磁面における磁束密度（Ｔ）（絶対値）との関係を示した図である。ホール素子（Ｈｅ）と磁気収束板（Ｍｃ）底面間距離（μｍ）をパラメータとした。

何れも感度の自己診断時の平面状渦巻型コイルの例を示している。なお、図１１及び図１２は、図９及び図１０に対応して、各パラメータ毎に、基準位置から見たときの、相対変化を示した図である。

平面状渦巻型コイルに関して、以下のような構成例が挙げられる。磁気収束板（円形）の直径が３１０μｍ、ホール素子は磁気収束板の端部から内側（コイルの下側）に５μｍの位置に配置する。コイルの形状は八角形、コイル配線幅が４μｍ、配線間隔が１μｍ、コイルには１ｍＡの通電、コイル中心から１２０〜２０μｍ間２０巻きと１２０〜７０μｍ間１０巻きとした。平面状渦巻型コイルによって発生する水平方向磁界は、磁気収束板を経由し、収束板端部にて垂直方向成分へ変化し、ホール素子によって感知される。

ホール素子と磁気収束板底面間距離（垂直離間距離）が９〜１１μｍの場合に、磁気収束板厚が１０〜１６μｍの範囲で、１ｍＡ通電時のホール素子感磁面での磁界強度は、おおよそ、５５μＴであった。垂直離間距離が９〜１１μｍでは、感度は、約７％位の感度変化であった。磁気収束板厚が１０〜１６μｍでは、約２％の感度変化が見られた。このように、水平方向磁界に対して、垂直離間距離や磁気収束板厚みが変動した場合、ホール素子が感じる磁界感度が有意に変化することが分かった。

ループ型コイルに関して、以下のような構成例が挙げられる。
図１３は、ホール素子と磁気収束板底面間距離（μｍ）に対する、感磁面における磁束密度（Ｔ）（絶対値）との関係を示した図である。磁気収束板の厚み変化をパラメータとした。

図１４は、磁気収束板の厚みＴ（μｍ）と感磁面における磁束密度（Ｔ）（絶対値）との関係を示した図である。ホール素子（Ｈｅ）と磁気収束板（磁性体；Ｍｃ）底面間距離の変化をパラメータとした。

何れも感度の自己診断時のループ型コイルの例を示している。なお、図１５及び図１６は、図１３及び図１４に対応して、各パラメータ毎に、基準位置から見たときの、相対変化を示した図である。

磁気収束板（円形）の直径が３１０μｍ、ホール素子は磁気収束板の端部から内側（コイルの下側）に５μｍの位置に配置、コイルの形状は長方形、コイル配線幅が４μｍ、配線間隔が１μｍ、１巻き、コイルには１ｍＡの通電とした。ループ型コイルによって発生する、垂直方向磁界は、コイル直下のホール素子によって感知される。

ホール素子と磁気収束板底面間距離（垂直離間距離）が９〜１２μｍの場合に、磁気収束板厚が１２μｍで、１ｍＡ通電時のホール素子感磁面での磁界強度は、おおよそ、６４μＴであった。垂直離間距離が９〜１１μｍでは、感度は、約５％位の感度変化であった。磁気収束板厚が１０〜１６μｍでは、約１％以下の感度変化が見られた。このように、垂直方向磁界に対して、垂直離間距離が変動した場合、ホール素子が感じる磁界感度が有意に変化することが分かった。

図８Ａ及び図８Ｂは、本発明に係る磁気センサの感度測定装置における感度測定方法を説明するためのフローチャートを示す図である。本発明の磁気センサの感度測定方法は、図４に示した磁気センサの感度を測定する感度測定方法である。

まず、感度モードを設定し（ステップＳ１）、垂直磁界発生コイル及び水平磁界発生コイルへの電流を流さない（ステップＳ２）。次に、第１乃至第４の磁気センサにて磁界強度を測定する（ステップＳ３）。次に、第１の測定データを記憶する（ステップＳ４）。次に、垂直磁界発生コイルに電流を流して磁界を発生させる（ステップＳ５）。次に、第１乃至第４の磁気センサにて磁界強度を測定する（ステップＳ６）。次に、第２の測定データを記憶する（ステップＳ７）。

次に、垂直磁界発生コイルに逆向きの電流を流して逆向きの磁界を発生させる（ステップＳ８）。次に、第１乃至第４の磁気センサにて磁界強度を測定する（ステップＳ９）。次に、第３の測定データを記憶する（ステップＳ１０）。次に、水平磁界発生コイルに電流を流して磁界を発生させる（ステップＳ１１）。次に、第１乃至第４の磁気センサにて磁界強度を測定する（ステップＳ１２）。次に、第４の測定データを記憶する（ステップＳ１３）。

次に、水平磁界発生コイルに逆向きの電流を流して逆向きの磁界を発生させる（ステップＳ１４）。次に、第１乃至第４の磁気センサにて磁界強度を測定する（ステップＳ１５）。次に、第５の測定データを記憶する（ステップＳ１６）。

次に、第１の測定データと第２の測定データと第３の測定データの全て又は２つの組み合わせから、互いに直交する２軸又は３軸方向の磁界成分データを算出する（ステップＳ１７）。次に、磁界成分データを第１の磁気感度データとして記憶する（ステップＳ１８）。

次に、第１の測定データと第４の測定データと第５の測定データの全て又は２つの組み合わせから、互いに直交する２軸又は３軸方向の磁界成分データを算出する（ステップＳ１９）。次に、磁界成分データを第２の磁気感度データとして記憶する（ステップＳ２０）。

次に、第１の磁界成分データ及び第２の磁界成分データより、２軸又は３軸の磁気感度の補正係数を算出する（ステップＳ２１）。次に、補正係数を記憶する（ステップＳ２２）。このようにして、感度ズレに対して自己感度補正を可能とし、さらには磁気センサの感度良否判定による自己診断を可能とする。

本発明は、複数のホール素子が互いに離間して設けられた半導体基板と、この半導体基板上に設けられた磁性体とを備えた磁気センサにおいて感度測定機能を持たせるための磁気センサ及びその感度測定方法に関するもので、磁気センサの垂直方向磁界に対する感度と水平方向磁界に対する感度を測定することができる。また、磁気センサの互いに直交する３軸方向の感度に対して、ホール素子形成時や磁性体形成時のプロセス依存性のばらつきや集積回路が持つ感度ばらつきから生ずる感度ズレ量を補正する機能を有することができる。さらに、磁気センサの感度良否判定による自己診断と感度ズレに対する自己感度補正（調整）を可能とする。

Claims (20)

1. 複数の感磁部が互いに離間して設けられた半導体基板と、該半導体基板上に設けられた磁性体とを備え、前記感磁部が前記磁性体の端部領域に設けられた磁気センサにおいて、
   前記複数の感磁部間の領域内で、かつ前記感磁部と前記磁性体との間に、前記感磁部の感磁方向に垂直な方向に水平磁界成分を発生させる感度測定のための水平磁界発生手段を有し、前記感磁部が、該水平磁界発生手段により発生した前記水平磁界成分に相関する垂直磁界成分を検出することを特徴とする磁気センサ。
2. 前記感磁方向が、前記半導体基板の表面に対して垂直であることを特徴とする請求項１に記載の磁気センサ。
3. 前記感磁部と前記水平磁界発生手段とが、前記磁性体に対して同じ側に配置されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の磁気センサ。
4. 前記水平磁界発生手段により発生された水平磁界成分の磁束密度は、前記磁性体の厚みとともに、該磁性体と前記感磁部との距離に依存するものであることを特徴とする請求項１，２又は３に記載の磁気センサ。
5. 前記感磁部がホール素子であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の磁気センサ。
6. 前記水平磁界発生手段が、平面状の渦巻型コイルであることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の磁気センサ。
7. 前記複数の感磁部の各々の近傍に、前記感磁部の感磁方向に平行な方向に垂直磁界成分を発生させる感度測定のための垂直磁界発生手段を設け、前記感磁部が、該垂直磁界発生手段により発生した前記垂直磁界成分を検出することを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載の磁気センサ。
8. 前記垂直磁界発生手段が、前記水平磁界発生手段と同じ側の平面上で、かつ前記感磁部の直上に配置されていることを特徴とする請求項７に記載の磁気センサ。
9. 前記垂直磁界発生手段が、前記磁性体の端部領域に配置され、前記水平磁界発生手段と異なる平面上で、かつ前記感磁部の直下に配置されていることを特徴とする請求項７に記載の磁気センサ。
10. 前記垂直磁界発生手段により発生された垂直磁界成分の磁束密度が、前記磁性体と前記感磁部との距離に依存するものであることを特徴とする請求項７，８又は９に記載の磁気センサ。
11. 前記垂直磁界発生手段が、ループ型コイルであることを特徴とする請求項７乃至１０のいずれかに記載の磁気センサ。
12. 互いに直交する２軸又は３軸の検出軸を有することを特徴とする請求項１乃至１１のいずれかに記載の磁気センサ。
13. 請求項１乃至１２のいずれかに記載の磁気センサであって、前記磁気センサの複数の感磁部からの各軸に関する磁界強度情報に基づいて感度を演算する感度演算部を備えたことを特徴とする磁気センサ。
14. 前記感度演算部が、前記磁気センサからの磁界強度情報を各軸毎の成分に分解する軸成分分解部と、該軸成分分解部からの磁界強度情報の各軸成分を所定の基準値と比較して感度を判定する感度判定部と、該感度判定部からの感度情報に基づいて感度補正を行う感度補正部とを備えたことを特徴とする請求項１３に記載の磁気センサ。
15. 前記感度判定部からの感度情報に基づいて、前記磁気センサの感度良否を自己診断するセンサ診断部を備えたことを特徴とする請求項１４に記載の磁気センサ。
16. 請求項７乃至１５のいずれかに記載の磁気センサであって、前記磁気センサの水平磁界発生用手段および垂直磁界発生用手段に電流を供給する、一つ以上の電流源を備えたことを特徴とする磁気センサ。
17. 請求項１乃至１６のいずれかに記載の磁気センサにおける感度測定方法であって、
    水平磁界成分を発生するステップと、
    前記水平磁界成分に相関する垂直磁界成分を前記感磁部で検出するステップと、
    前記感磁部からの磁束密度に基づいて、感度を演算するステップと、
    前記垂直磁界成分を発生するステップと、
    前記垂直磁界成分を前記感磁部で検出するステップと、
    前記感磁部からの磁束密度に基づいて感度を演算するステップと
    を有することを特徴とする磁気センサの感度測定方法。
18. 前記感度を演算するステップが、前記磁気センサからの磁界強度情報を軸成分分解部で各軸毎の成分に分解するステップと、前記軸成分分解部からの磁界強度情報の各軸成分を感度判定部で所定の基準値と比較して感度を判定するステップと、前記感度判定部からの感度情報に基づいて感度補正部で感度補正を行うステップとを有することを特徴とする請求項１７に記載の磁気センサの感度測定方法。
19. 前記感度判定部からの感度情報に基づいてセンサ診断部で前記磁気センサの感度良否を自己診断するステップを有することを特徴とする請求項１８に記載の磁気センサの感度測定方法。
20. 複数の感磁部が互いに離間して設けられた半導体基板と、該半導体基板上に設けられた磁性体とを備え、前記感磁部が前記磁性体の端部領域に設けられた磁気センサにおいて、
    前記複数の感磁部の各々の近傍、かつ前記感磁部と前記磁性体との間に、前記感磁部の感磁方向に平行な方向に垂直磁界成分を発生させる感度測定のための垂直磁界発生手段を有し、前記感磁部が、該垂直磁界発生手段により発生した前記垂直磁界成分を検出することを特徴とする磁気センサ。

Images