JP5878622B2

JP5878622B2 - ホールセンサ半導体デバイスおよびホールセンサ半導体デバイスの駆動方法

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Description

本発明は、小さなオフセット電圧で高い受信感度を有するホールセンサ半導体デバイスおよび適合した駆動方法に関する。

米国の物理学者エドウィン・ハーバート・ホール（１８５５−１９３８）に因んで命名されたホール効果は、電流に垂直な磁場が存在するときに現れる。磁場はここで、磁場の方向および電流が流れる方向に垂直な方向に、ホール電圧と称される電位差を発生する。このホール電圧を測定することにより、関与する磁場成分の大きさを決定することができる。

ホール電圧を測定するために提供されるホールセンサは、半導体デバイスとして実現することができる。この半導体デバイスには、たとえばＣＭＯＳプロセスに基づいて製造することができる評価回路を組み込むことができる。駆動電流が流れ、ホール効果が現れる活性領域の平面が、半導体の上面と同一平面上に配設されていると、ホール電圧を測定することができる。このホール電圧は、上面に垂直な方向の磁場の成分によって引き起こされる。この活性領域の面が上面に垂直な場合、すなわち半導体内部で垂直に配置されている場合、上面に平行な方向の磁場成分によって引き起こされるホール電圧を測定することができる。

ホールセンサ半導体デバイスにおいては、達成可能な感度は、用いられる半導体物質における電荷キャリアの移動度で制限されている。シリコンでは、ホールセンサの最大の感度は、磁場強度と駆動電圧の関数であるホール電圧の大きさで計られ、おおよそ０．１／Ｔである。他の半導体物質でさらに大きな電荷キャリア移動度を呈するものがあるが、ホールセンサを駆動電子回路および評価電子回路と共に組み込むには向いていない。

Ｒ．Ｓ．Ｐｏｐｏｖｉｃの教科書「ホール効果デバイス」、第２版、Institute of Physics Publishing, Bristol und Philadelphia 2004、には、２４１頁と２４２頁の５．１．４節に、感度の温度依存性が取り扱われている。２６１頁から２６４頁には、垂直ホールデバイスが記載されている。２８０頁から２８９頁には、オフセット電圧を低減し、周波数依存性のノイズを抑制する、温度変化補償の一連の方法が記載されている。これらの方法には回転駆動電流（スピン電流法、Spinning-Current-Technik）も含まれる。

ホールセンサの駆動特性を改善するための他の方法が、Ｒ．Ｓ．Ｐｏｐｏｖｉｃの以下の論文に記載されている。−"A MOS Hall device free from short-circuit effect", Sensors and Actuators A5, 253-262 (1984), J.-B. Kammerer et al.、−"Horizontal Hall Effect Sensor with High Maximum Absolute Sensitivity", IEEE Sensors Journal 3 (2003), L. Hebrard et al.、−"A Chopper Stabilized Biasing Circuit Suitable for Cascaded Wheatstone-Bridge-Like Sensors", IEEE Transactions on Circuits and Systems 52 (2005)、およびEP 0 667 648 A2 , WO 2005/017546 A1, WO 2005/073744 A1, US 6,064,202 A, WO 01/18556 A1 と EP 2 068 163 A2 の各特許公報。

本発明の課題は、高い感度と低いオフセット電圧を有するホールセンサ半導体デバイスを提示することである。

この課題は、請求項１に記載の特徴を有するホールセンサ半導体デバイスによって解決される。実施形態、特にこれに付随する駆動方法は、従属請求項に記載される。

このホールセンサ半導体デバイスには、少なくとも２つのホールセンサからなる構成が存在し、これらのホールセンサには互いに独立して接続可能な電気的接続端子が設けられている。ここでは信号接続端子と称される、ホール電圧に測定に用いられる、いわゆる電圧接続端子は、直列に接続されており、磁場が存在する時に誘起されるホール電圧がこの直列回路の外端の接続端子に取り出される。ここでは電源接続端子と称される、駆動電流あるいは駆動電圧の印加のために設けられる、いわゆる電流接続端子、および上記の信号接続端子の直列回路は、相毎に接続端子の接続を切り替えることによって変更される。これは従来の個別のホールセンサで、良く知られた回転駆動電流の方法（スピン電流法、Spinning-Current-Technik）で行われ、この方法が本ホールセンサ半導体デバイスの駆動形態に適合して変形される。このため、切り替えネットワークが設けられる。個別のホールセンサの駆動電流は、好ましくは異なる方向であり、これらの方向はホールセンサ半導体デバイスの実施形態によって、異なる角度となっている。

このホールセンサ半導体デバイスは、信号接続端子と電源接続端子とを有する少なくとも２つのホールセンサからなる構成を備え、また、次々に続いた相で電源接続端子の位置を変更し、それぞれの相で関連する信号接続端子を介して直列に接続する切り替えネットワークを備える。

ホールセンサ半導体デバイスの１つの実施形態では、複数のホールセンサが、上面を有する１つの半導体基部（Halbleiterkorper）に配設され、この上面に平行な磁場成分が測定されるように配置されている。これらのホールセンサは、とりわけ垂直なホールセンサとしてこの半導体基部に形成される。

ホールセンサ半導体デバイスのもう１つの実施形態では、電流ソース（Stromquellen）と電流シンク（Stromsenken）が準備された電子回路が設けられている。電流ソースと電流シンクには、電源接続端子への互いに分離された接続線が設けられている。

ホールセンサ半導体デバイスのさらにもう１つの実施形態では、ホールセンサの駆動電流の流入用の電源接続端子と流出用の電源接続端子が設けられ、切り替えネットワークは、それぞれの相で流入用の電源接続端子および／または流出用の電源接続端子を互いに接続している。

ホールセンサ半導体デバイスのさらにもう１つの実施形態では、複数のホールセンサの少なくとも１つは、複数の個別のホールセンサが固定配線された回路からなっている。

ホールセンサ半導体デバイスのさらにもう１つの実施形態では、複数のホールセンサの電源接続端子は、４５°，１３５°，２２５°，および／または３１５°の角度の駆動電流の方向を含み得るように構成される。

ホールセンサ半導体デバイスのさらにもう１つの実施形態では、複数のホールセンサの電源接続端子は、電源接続端子を介して流れる駆動電流の方向が、直列回路で次々に続いたホールセンサの間で変えられるように、それぞれの相で切り替えられる。

駆動方法の１つの実施形態では、偶数のホールセンサが用いられ、同数のホールセンサを備える２つのグループ駆動電流の方向が、９０°，１８０°，および／または２７０°の角度を含み、これらの異なるグループに属する２つのホールセンサの駆動電流の方向が、それぞれ４５°，１３５°，２２５°，または３１５°を含むように、複数のホールセンサの電源接続端子がそれぞれの相で切り替えられる。

駆動方法のもう１つの実施形態では、それぞれの相に対し、先行または後続の相があり、これらの相で、各ホールセンサで駆動電流の方向が逆転するように、これらの相で電流接続端子が極反転される。

駆動方法のさらにもう１つの実施形態では、直列回路内の複数のホールセンサは、相毎に順序が入れ替えられる。

駆動方法のさらにもう１つの実施形態では、駆動電流用に電流ソースと電流シンクが設けられ、上記の相は、電流ソースと電流シンクを入れ替えて繰り返される。

以下に、添付の図を参照して、ホールセンサ半導体デバイスと駆動方法の例を詳細に記載する。
２個のホールセンサからなる構成を示す概略図である。図１に示す構成の次の切替相を示す図である。図２に示す構成の次の切替相を示す図である。図３に示す構成の次の切替相を示す図である。４個のホールセンサからなる構成を示す概略図である。図５に示す構成の次の切替相を示す図である。図６に示す構成の次の切替相を示す図である。図７に示す構成の次の切替相を示す図である。２個のホールセンサからなる、もう１つの構成の概略図である。図９に示す構成の次の切替相を示す図である。図１０に示す構成の次の切替相を示す図である。図１１に示す構成の次の切替相を示す図である。複数のホールセンサと他の回路部品からなる構成を示す概略接続図である。垂直方向の複数のホールセンサを有する半導体デバイスのパターンを示す図である。２個のホールセンサの駆動電流の方向設定のパターンの例を示す図である。４個のホールセンサの駆動電流の方向設定のパターンの別の１つの例を示す図である。４個のホールセンサの駆動電流の方向設定のパターンのさらに別の１つの例を示す図である。４個のホールセンサの駆動電流の方向設定のパターンの別の１つの例を示す図である。３個のホールセンサの駆動電流の方向設定のパターンの別の１つの例を示す図である。８個のホールセンサの駆動電流の方向設定のパターンの別の１つの例を示す図である。１２個のホールセンサの駆動電流の方向設定のパターンの例を示す図である。２〜１６個のホールセンサからなる構成の様々な配置を示す図である。２個のホールセンサからなる構成を、１つの第１の駆動モードに用いた場合の図である。図２３に示す、２個のホールセンサからなる構成を、１つの第２の駆動モードに用いた場合の図である。図２４に示す、２個のホールセンサからなる構成を、１つの第３の駆動モードに用いた場合の図である。４個のホールセンサからなる構成を、図２５に示す１つの駆動モードに用いた場合の図である。駆動電流の第１の方向での、２個のホールセンサの切り替えのパターンを示す図である。図２７に示す駆動電流の逆方向に設定された第２の方向での、切り替えのパターンを示す図である。

図１〜４は、２個のホールセンサ１，２からなる構成の概略を、１つの駆動方法での次々に続く相に対し示している。これらのホールセンサは電気的に導通する接続線１０によって直列に接続されている。ホールセンサ１，２は、それぞれ４つの接続端子１１，１２，１３，１４，２１，２２，２３，２４を備え、これらの内それぞれの駆動相で、駆動電流Ｉ１／Ｉ１'，Ｉ２／Ｉ２'の電源接続端子として２つの接続端子１２，１４，２２，２４と、また信号、とりわけ誘起されるホール電圧Ｖ１／Ｖ１'，Ｖ２／Ｖ２'の取り出しのために信号接続端子として２つの接続端子１１，１３，２１，２３が接続される。駆動電流Ｉ１／Ｉ１'，Ｉ２／Ｉ２'のために、この実施形態例では、電流ソースＩ１，Ｉ２および電流シンクＩ１'，Ｉ２'が設けられており、これらは電子回路により準備されている。異なる表記ＩｎあるいはＩｎ'によって、場合によっては回路で決まる僅かなミスマッチ（Fehlanpassung）が同じ駆動電流Ｉ１／Ｉ１'，Ｉ２／Ｉ２'に属する電流ソースＩ１，Ｉ２および電流シンクＩ１'，Ｉ２'に引き起こされる可能性があることが分かる。

ホールセンサ１，２は、図１〜４に示す実施形態例では、９０°回転に対し対称である。４つの接続端子１１，１２，１３，１４あるいは２１，２２，２３，２４は、互いに９０°回転した方向に対応して配置されている。ホールセンサ１，２の少なくとも１つは、複数の個別のホールセンサが固定配線された回路からなっていてよい。実施形態例では、これらのホールセンサ１，２は、特にそれぞれ２つ以上の別々のホールセンサで形成されてよく、これらは互いに並列に接続されてよく、並列に接続されたホールセンサの信号接続端子および電源接続端子は、それぞれの相で空間的に互いに回転している。

第１のホールセンサ１の第１の信号接続端子１１および第２のホールセンサ２の第２の接続端子２３は、ホールセンサ１，２の直列回路の終端に在り、合計信号、とりわけ直列に接続されたホール電圧Ｖ１／Ｖ１'，Ｖ２／Ｖ２'の取り出しのために設けられている。第１のホールセンサ１の第２の信号接続端子１３は、第２のホールセンサ２の第１の信号接続端子２１に接続されている。

この構成のホールセンサ１，２それぞれには、駆動中は、駆動電流Ｉ１／Ｉ１'，Ｉ２／Ｉ２'が流れる。これらの駆動電流Ｉ１／Ｉ１'，Ｉ２／Ｉ２'の方向は、図１〜４にホールセンサ１，２の中に矢印で図示されている。これらの駆動電流Ｉ１／Ｉ１'，Ｉ２／Ｉ２'の方向は、互いにそれぞれ０と異なる角度を形成している。図１〜４に示す例では、この駆動電流Ｉ１／Ｉ１'，Ｉ２／Ｉ２'の方向の間の角度は、それぞれ９０°である。しかしながら、これは他の角度で設定されてもよい。電流ソースＩ１，Ｉ２および電流シンクＩ１'，Ｉ２'を入れ替えて、相を繰り返すことが好ましく、これによりとりわけ、存在する電流ソースＩ１，Ｉ２の電流シンクＩ１'，Ｉ２'へのミスマッチが少なくとも部分的に補償され得る。

図１に示す構成の回路は、第１の相のものであり、図２にはこの第１の相に続く第２の相が示され、図３にはこの第２の相に続く第３の相が示され、図４にはこの第３の相に続く第４の相が示されている。これらの相で、駆動電流Ｉ１／Ｉ１'，Ｉ２／Ｉ２'の方向は、それぞれに先行する相と比較して９０°だけ数学的に正の回転方向に回転している。２つの相によって、たとえば図１と図２、または図２と図３により、測定を完結することができる。ただし測定は、図示した全ての相を含んでもよい。２つの相を用いた測定は、４つの相を用いた測定よりも速く実行することができるが、４つの相を用いた測定は状況によって、より良好な結果をもたらす。２つまたは４つの相を用いた測定は、３つの相を用いた測定よりも有利である。さらなる測定を行うため、これらの相が周期的に繰り返されてよい。この代わりに相の順番を測定毎に交換してもよい。

信号接続端子１１，１３，２１，２３は、それぞれの相で、ホールセンサ１，２に誘起される信号、とりわけホール電圧Ｖ１／Ｖ１'，Ｖ２／Ｖ２'が加算され、合計信号、とりわけ相応の高い総ホール電圧Ｖ１／Ｖ２'を、直列回路の外端の信号接続端子１１，２３で測定することができる。これは、直列回路を形成する接続線１０が、第１のホールセンサ１の第１の接続端子１１から第２のホールセンサ２の第２の接続端子２３まで通過する際に、駆動電流Ｉ１／Ｉ１'，Ｉ２／Ｉ２'の矢印が、図示した例では矢の先端に向かって見てそれぞれ右から左に、同じ方向で横断され、直列回路の個別のホール電圧を加算するようになっていることを意味している。測定信号は電圧または電流であってよい。

図５〜８は、４個のホールセンサ１，２，３，４からなる構成の概略を、１つの駆動方法での次々に続く相に対し示している。これらのホールセンサは電気的に導通する接続線１０によって直列に接続されている。最初の２つのホールセンサ１，２の回路は、それぞれの相で図１〜４の１つに対応している。第３のホールセンサ３と第４のホールセンサ４は、第１のホールセンサ１および第２のホールセンサ２と同様に、それぞれ４つの接続端子３１，３２，３３，３４，あるいは４１，４２，４３，４４を備え、これらの内それぞれの駆動相で、駆動電流Ｉ３／Ｉ３'，Ｉ４／Ｉ４'の電源接続端子として２つの接続端子３２，３４，４２，４４と、また信号、とりわけ生成されるホール電圧Ｖ３／Ｖ３'，Ｖ４／Ｖ４'の取り出しのために信号接続端子として２つの接続端子３１，３３，４１，４３が接続される。駆動電流Ｉ１／Ｉ１'，Ｉ２／Ｉ２'，Ｉ３／Ｉ３'，Ｉ４／Ｉ４'のために、この実施形態例でも、電流ソースＩ１，Ｉ２，Ｉ３，Ｉ４および電流シンクＩ１'，Ｉ２'，Ｉ３'，Ｉ４'が設けられており、これらは電子回路により準備されている。

ホールセンサ１，２，３，４は、図５〜８に示す実施形態例では、９０°回転に対し対称である。４つの接続端子１１，１２，１３，１４，２１，２２，２３，２４，３１，３２，３３，３４，４１，４２，４３，４４は、互いに９０°回転した方向に対応して配置されている。実施形態例では、これらのホールセンサ１，２，３，４は、特にそれぞれ２つ以上の別々のホールセンサで形成されてよく、これらは互いに並列に接続されてよく、並列に接続されたホールセンサの信号接続端子および電源接続端子は、それぞれの相で空間的に互いに回転している。

第１のホールセンサ１の第１の信号接続端子１１および第４のホールセンサ４の第２の接続端子４３は、ホールセンサ１，２，３，４の直列回路の終端に在り、とりわけ直列に接続されたホール電圧Ｖ１／Ｖ１'，Ｖ２／Ｖ２'，Ｖ３／Ｖ３'，Ｖ４／Ｖ４'の信号の取り出しのために設けられている。第１のホールセンサ１の第２の信号接続端子１３は、第２のホールセンサ２の第１の信号接続端子２１に接続されている。第２のホールセンサ２の第２の信号接続端子２３は、第３のホールセンサ３の第１の信号接続端子３１に接続されている。第３のホールセンサ３の第２の信号接続端子３３は、第４のホールセンサ４の第１の信号接続端子４１に接続されている。

この構成のホールセンサ１，２，３，４それぞれには、駆動中は、駆動電流Ｉ１／Ｉ１'，Ｉ２／Ｉ２'，Ｉ３／Ｉ３'，Ｉ４／Ｉ４'が流れる。これらの駆動電流Ｉ１／Ｉ１'，Ｉ２／Ｉ２'，Ｉ３／Ｉ３'，Ｉ４／Ｉ４'の方向は、図５〜８にホールセンサ１，２，３，４の中に矢印で図示されている。これらの駆動電流Ｉ１／Ｉ１'，Ｉ２／Ｉ２'，Ｉ３／Ｉ３'，Ｉ４／Ｉ４'の方向は、互いにそれぞれ０と異なる角度を形成している。図５〜８に示す例では、この駆動電流Ｉ１／Ｉ１'，Ｉ２／Ｉ２'，Ｉ３／Ｉ３'，Ｉ４／Ｉ４'の方向の間の角度は、それぞれ９０°である。しかしながら、これは他の角度で設定されてもよく、回転方向は逆方向であってよく、あるいは、たとえば交互に交替してもよい。

図５に示す構成の回路は、第１の相のものであり、図６にはこの第１の相に続く第２の相が示され、図７にはこの第２の相に続く第３の相が示され、図８にはこの第３の相に続く第４の相が示されている。これらの相で、駆動電流Ｉ１／Ｉ１'，Ｉ２／Ｉ２'，Ｉ３／Ｉ３'，Ｉ４／Ｉ４'の方向は、それぞれに先行する相と比較して９０°だけ数学的に正の回転方向に回転している。電流ソースＩ１，Ｉ２，Ｉ３，Ｉ４および電流シンクＩ１'，Ｉ２'，Ｉ３'，Ｉ４'を入れ替えて、相を繰り返すことが好ましく、これによりとりわけ、存在する電流ソースＩ１，Ｉ２，Ｉ３，Ｉ４の電流シンクＩ１'，Ｉ２'，Ｉ３'，Ｉ４'へのミスマッチが少なくとも部分的に補償され得る。

信号接続端子１１，１３，２１，２３，３１，３３，３４，４３は、それぞれの相で、ホールセンサ１，２，３，４に誘起される信号、とりわけホール電圧Ｖ１／Ｖ１'，Ｖ２／Ｖ２'，Ｖ３／Ｖ３'，Ｖ４／Ｖ４'が加算され、合計信号、とりわけ相応の高い総ホール電圧Ｖ１／Ｖ４'を、直列回路の外端の信号接続端子１１，４３で測定することができる。２つの相によって、たとえば図５と図６、または図６と図７により、測定を完結することができる。ただし測定は、図示した全ての相を含んでもよい。この実施形態例においても、２つまたは４つの相を用いた測定は、３つの相を用いた測定よりも有利である。さらなる測定を行うため、これらの相が周期的に繰り返されてよい。この代わりに相の順番を測定毎に交換してもよい。この構成のホールセンサ１，２，３，４それぞれに８つの接続端子が設けられている場合、この方法は、測定毎に、異なる接続の８つの相を用いて実施することもでき、有利である。

直列回路内のホールセンサ１，２，３，４の位置は、たとえば１つのホールセンサが１つの相で第１のホールセンサとして設定され、後続の相で第２のホールセンサあるいはそれ以降のホールセンサとして直列回路に設定されるように、変更することができる。とりわけ、総誘起ホール電圧が取り出される、直列回路の外端の信号接続端子は、異なる相では異なるホールセンサに属している。したがって、異なる相での、接続端子の異なる接続は、駆動電流の方向を変更することのみに限定される必要はない。ホールセンサは、さらに、あるいはその代わりに直列回路内で相毎に入れ替えられてよい。直列回路内のホールセンサに適用できる、異なる相での変更可能な位置については何ら制限がない。

この構成には、任意の多数のホールセンサを設けてよい。ホールセンサ１，２，３，４は、図５〜８の概略図では、１つの線上に隣り合って配置されている。しかしながら、これらのホールセンサは、原理的に任意に配置してよい。これらはとりわけ、規則的な多角形の角部に配置されてよい。これらのホールセンサは、互いに隣接して配置される必要はなく、互いに大きな間隔で、場合によっては非規則的な間隔で、同一平面内または別の平面に配置されてよい。これらのホールセンサは、半導体デバイスにおいて特に垂直に配設され、このデバイス上面の平面に平行な磁場成分、とりわけ電子部品が組み込まれた主上面（Hauptoberseite）に平行な磁場成分が測定され得るようにする。

直列回路で次々に続いたホールセンサの駆動電流間の角度は、任意に設定することができる。これらの角度はそれぞれ同一の大きさであってよく、あるいはその代わりにこれらが変化していてもよい。駆動電流は全てのホールセンサでそれぞれ同一に変化される必要はない。この点は、特に複数のホールセンサが相毎に、直列回路で入れ替えられる場合に有効である。９０°異なる角度の駆動電流の設定は、これらのホールセンサおよび／またはこれらのホールセンサの接続端子が互いに適切な角度で配置されていることを前提としている。

図９〜１２は、図５〜８に示すように、４個のホールセンサ１，２，３，４からなる構成の概略を、１つの駆動方法での次々に続く相に対し示している。これらのホールセンサは電気的に導通する接続線１０によって直列に接続されている。図９〜１２の実施形態例では、全てのホールセンサ１，２，３，４は、図５〜８に示す実施形態例のように、接続端子が設けられており、これらは９０°，１８０°および２８０°の角度に配置されている。図示した相での電気的接続には、図９〜１２に示す実施形態例では、図５〜８に示す実施形態例と同様なものが有効である。図５〜８に示す実施形態例との差は、図９〜１２に示す実施形態例では、第２のホールセンサ２および第４のホールセンサ４が、第１のホールセンサ１および第３のホールセンサ３に対し４５°回転しているので、第２のホールセンサ２のおよび第４のホールセンサ４の駆動電流Ｉ２／Ｉ２'，Ｉ４／Ｉ４'が、第１のホールセンサ１および第３のホールセンサ３の駆動電流Ｉ１／Ｉ１'，Ｉ３／Ｉ３'に対して、４５°，１３５°，２２５°および３１５°回転していることが可能である。
代替として、ホールセンサ１，２，３，４は、全て同じ向きに揃えられていてよい。たとえば８つの接続端子が設けられ、これらの向きが４５°の倍数となるように角度が形成されてよい。この構成のホールセンサ１，２，３，４それぞれに８つの接続端子が設けられている場合、本方法は、異なる接続の８つの相を用いて実施することができる。

図１３は、ホールセンサ構成５、切り替えネットワーク６、電流電源ユニット７および測定回路８の概略接続図を示す。ホールセンサ構成５と切り替えネットワーク６との間の導電性の複数の接続線１０は、ホールセンサの直列回路のため、および信号、とりわけホール電圧の取り出しのために設けられた接続端子が適切に接続されるように設けられる。これらの接続は、それぞれの駆動相で変更され、このため、たとえばマルチプレクサなどの適合した装置が、切り替えネットワーク６に設けられる。さらに、切り替えネットワーク６は、複数のホールセンサを対応する電流供給ユニット７の接続端子に接続する。この電流電源ユニットは、駆動電流または駆動電圧を、対応する接続線１５を介して供給する。さらなる接続線１６は、切り替えネットワークから測定回路８に向かい、ホールセンサ構成５の関連する接続端子に取り出される信号、とりわけホール電圧を測定することができる。

駆動電流の向きおよび電圧の取り出しは、異なる相で、とりわけホール電圧が、電流方向で９０°または２７０°異なる２つの相の間で、その符号を変化するように設定される。この場合オフセットは静的な信号である。たとえばマルチプレクサなどの切り替えネットワーク６は、この場合チョッパ増幅器（Zerhacker-Verstarker）の使用においては、個別の相の間で接続端子の接続を切り替えることに加え、信号をチョッピングすることのために使用される。

図１４は、半導体９を有するホールセンサ半導体デバイスの概略図を示す。この半導体は、実質的に平坦な上面１９にドープされた領域１８を備える。ドープされた領域１８および概略的に示された接続端子１１，１２，１３，１４によって垂直なホールセンサが形成される。この垂直なホールセンサは公知であり、Ｒ．Ｓ．Ｐｏｐｏｖｉｃの教科書の導入部に記載されている。垂直なホールセンサを用いて、上面１９の平面の磁場成分を、図示された矢印ｘとｙで形成される方向のベクトルとして、測定することができる。このデバイスには、さらなる複数の垂直なホールセンサが組み込まれてよく、これらによって、磁場成分を上面１９の平面に垂直に、つまり矢印ｚで示す方向で、測定することができる。垂直および／または横方向のホールセンサは、上記で説明したように、測定において、相毎に異なるように切り替えられてよい。上面１９には、電子部品、とりわけ切り替えネットワーク６、電流電源ユニット７および測定回路８の部品が組み込まれてよい。この半導体デバイスは、たとえばシリコンで作製されてよい。

図１５〜２１は、互いに異なる方向の駆動電流のパターンを示す。これらの駆動電流およびその方向は、図１〜１２でそれぞれ矢印で示されている。図１６〜１８は、それぞれ４個のホールセンサを備えた実施形態に関する。これに対し、図１５は２個のセンサを備えた例、図１９は３個のセンサを備えた例、図２０は８個のセンサを備えた例、図２１は１２個のセンサを備えた例を示している。それぞれの矢印の下に、左に示す最初の矢印に対して、数学的に正の回転方向で測った矢印の角度が記載されている。図１５に示す駆動電流の方向の設定は、２個のホールセンサの構成の場合に特に適している。

図１６，１７および１８の例では、それぞれ２つのセンサ対があり、これらの駆動電流は互いに９０°となる方向の角度に向いている。図１６および１８の例では、センサ１および２が１つの対を形成し、センサ３および４が他の対を形成している。図１７の例では、センサ１および３が１つの対を形成し、センサ２および４が他の対を形成している。

図１６の例では、第２のセンサ対の駆動電流の方向は、第１のセンサ対に対して１８０°回転している。

図１７の例では、第２のセンサ対の駆動電流の方向は、第１のセンサ対に対して４５°回転している。

図１８の例では、第２のセンサ対の駆動電流の方向は、第１のセンサ対に対して１３５°回転している。

図１７および１８に示す駆動電流の方向は、４個のホールセンサの構成に特に適しており、とりわけ、４個のホールセンサの構成の異なる２つの駆動相に用いることができる。

図１５の例では、駆動電流の方向は、４５°だけ、すなわち９０°をセンサの数で割った分だけ回転されている。

図１９の例では、次々に続いたホールセンサの駆動電流の方向は、３０°だけ、すなわち９０°をセンサの数で割った分だけ回転されている。

図２０の例では、次々に続いたホールセンサの駆動電流の方向は、４５°だけ、すなわち３６０°をセンサの数で割った分だけ回転されている。

図２１の例では、次々に続いたホールセンサの駆動電流の方向は、３０°だけ、すなわち３６０°をセンサの数で割った分だけ回転されている。

図１７，１８および２０の例では、ホールセンサの電源供給接続端子は、ホールセンサを備える２つのグループ駆動電流の方向が、９０°，１８０°，および／または２７０°の角度を含み、これらの異なるグループに属する２つのホールセンサの駆動電流の方向が、それぞれ４５°，１３５°，２２５°および／または３１５°を含むように、複数のホールセンサの電源接続端子がそれぞれの相で切り替えられる。図１７の場合は、これらのグループの１つは、センサ１および３で形成され、これらのグループの他の１つはセンサ２および４で形成される。図１８の場合は、これらのグループの１つは、センサ１および２で形成され、これらのグループの他の１つはセンサ３および４で形成される。図２０の場合は、これらのグループの１つは、センサ１，３，５および７で形成され、これらのグループの他の１つはセンサ２，４，６および８で形成される。

図１５〜２１は、１つの駆動相において、これらのホールセンサの駆動電流の方向が異なっていることを示している。次々に続く切り替え相において、ホールセンサの駆動電流の方向が変更される。ここで、たとえば直列回路に示された次々に続くホールセンサにおける駆動電流の方向の間の角度は同じ状態が続いている。図１５〜２１の矢印の図は、この場合周期的な矢印の入れ替えまで同じ状態が続く。代替として、直列回路に示す次々に続くホールセンサにおける駆動電流の方向の間の角度を、相毎に変化させてよい。

図２２は、１つの平面内の、２個、４個、１２個、１３個あるいは１６個のホールセンサの典型的な構成の概略図を示す。ホールセンサは正方形で示されている。駆動電流の方向は、それぞれホールセンサの接続端子の構成によって、水平方向または垂直方向または対角方向であってもよい。これらの構成は、図示された例ではそれぞれ、この構成の平面に垂直に立つ軸の周りの９０°回転に対し対称となっている。この軸は該当する構成の中心にある。対称的なホールセンサ構成は、好ましくないオフセット電圧を除去するのに適している。

図２２で２つのホールセンサに対して示してある対角方向の構成は、唯２つの異なる相が用いられる場合に特に適している。

図２３は、２つのホールセンサ１，２からなる構成を示し、これらのホールセンサは、互いに４５°の角度で配置されており、たとえば図９でのホールセンサ１および２である。駆動電流Ｉ１／Ｉ１'，Ｉ２／Ｉ２'の方向は、図示した相で、同様に４５°の角度を形成している。この図示した駆動モードでは、駆動電流Ｉ１／Ｉ１'，Ｉ２／Ｉ２'のための、それぞれ独立した電流ソースＩ１，Ｉ２と電流シンクＩ１'，Ｉ２'が存在している。

図２４は、図２３に示す構成を他の駆動モードに対して示したものであり、ここではホールセンサ１，２に共通な電流ソースあるいは電流シンクＩまたは共通な電圧接続端子Ｖが存在している。これにより、図２３に支援す実施形態例に比べ、回路の複雑さが軽減される。ただしホールセンサ半導体デバイスで得られる感度は１つの個別のセンサより大きくなる。

図２５は、図２３に示す構成を１つの駆動モードに対して示したものであり、ここではホールセンサ１，２に共通な電流ソースＩおよび電流シンクＩ'，電圧接続端子Ｖ，Ｖ'、または電流ソースＩあるいは電流シンクＩ'と１つの電圧接続端子Ｖ，Ｖ'の組み合わせが設けられている。配線は個別のホールセンサと同様に行われる。この構成は、回転対称でないホールセンサに対応し、このホールセンサは、スピン電流法を適用する可能性があることで、従来の非対称ホールセンサと比べて異なっている。信号接続端子の直列回路によって、ホールセンサ半導体デバイスで達成される感度は、個別のセンサにおけるよりも顕著に大きくなる。この実施形態例では、ホールセンサ半導体デバイスは、一定の駆動電圧で駆動することができ、したがって定電流源を有する電源は全く必要でない。

図２６は、図９〜１２の実施形態例のように配向された４個のホールセンサ１，２，３，４からなる、さらにもう１つの実施形態例を示す。この回路は、図２５に示す駆動モードに対応し、ここではホールセンサ１，２，３，４に共通な電流ソースＩおよび電流シンクＩ'，電圧接続端子Ｖ，Ｖ'、または電流ソースＩあるいは電流シンクＩ'と１つの電圧接続端子Ｖ，Ｖ'の組み合わせが設けられている。この構成も同様に、回転対称でないホールセンサに対応し、このホールセンサは、スピン電流法を適用する可能性があることで、従来の非対称ホールセンサと比べて異なっている。

切り替えネットワーク６を用いて、駆動電流を供給する電流ソースを困難なく入れ替えることができる。とりわけ有利な点は、それぞれの駆動モードにさらにもう１つの駆動相を設ける場合で、この駆動電流の方向がそれぞれのホールセンサで反転される場合、この駆動電流がとにかく相対する方向となることである。これを図２７および２８を参照して説明する。

図２７は、電源接続端子１２，１４，２２，２４および信号接続端子１１，１３，２１，２３の、１つの相に関連する回路を有する、２つのホールセンサ１，２からなる構成の回路図を示し、これらのホールセンサは、信号接続端子１１，１３，２１，２３を介して直列に接続されている。駆動電流Ｉ１／Ｉ１'，Ｉ２／Ｉ２'のために、この回路では、電流ソースＩ１，Ｉ２および電流シンクＩ１'，Ｉ２'が設けられている。

図２８は、図２７に示す回路図を、ホールセンサ１，２の同じ構成での１つの駆動相に対して示したものであり、この駆動相では、駆動電流Ｉ１／Ｉ１'，Ｉ２／Ｉ２'の電流ソースＩ１，Ｉ２および電流シンクＩ１'，Ｉ２'が、図２７に示す相に対して交換されている。１８０°回転した電流方向のために、誘起されるホール電圧は反転した極性となり、図２７および２８に記載された電圧測定器２０の符号＋および−によって示されている。

上記の駆動方法は、十分な数の接続端子がこれらのホールセンサに設けられている場合に、スピン電流法を２，４，８，あるいは一般的に２ｎ個（ｎは自然数）の相に用いるのに適している。これらのホールセンサは、同じであっても、対毎に同じであっても、あるいは異なっていてもよい。もし異なるセンサが設けられる場合、これらのセンサは駆動電流の個別の方向および／または測定に基づいて個別に最適化することが可能である。

１第１のホールセンサ
２第２のホールセンサ
３第３のホールセンサ
４第４のホールセンサ
５ホールセンサ構成
６切り替えネットワーク
７電流電源ユニット
８測定回路
９半導体
１０接続線
１１信号接続端子
１２電源接続端子
１３信号接続端子
１４電源接続端子
１５接続線
１６接続線
１７電流ソース／電流シンク
１８ドープされた領域
１９半導体の上面
２０電圧測定器
２１信号接続端子
２２電源接続端子
２３信号接続端子
２４電源接続端子
３１信号接続端子
３２電源接続端子
３３信号接続端子
３４電源接続端子
４１信号接続端子
４２電源接続端子
４３信号接続端子
４４電源接続端子
Ｉ電流ソース
Ｉ' 電流シンク
Ｉｎ電流ソース
Ｉｎ' 電流シンク
Ｖ電圧接続端子
Ｖ' 電圧接続端子
Ｖｎ電圧
Ｖｎ' 電圧

Claims

ホールセンサ半導体デバイスであって、
それぞれが４個の接続端子（１１，１２，１３，１４，２１，２２，２３，２４，３１，３２，３３，３４，４１，４２，４３，４４）を有する、少なくとも２つのホールセンサ（１，２，３，４）と、
前記接続端子（１１，１２，１３，１４，２１，２２，２３，２４，３１，３２，３３，３４，４１，４２，４３，４４）を前記ホールセンサ半導体デバイスの駆動の相毎に切り替え、前記ホールセンサ（１，２，３，４）のそれぞれの４つの接続端子の２つがそれぞれ、前記ホールセンサ（１，２，３，４）内に流れる駆動電流（Ｉ１／Ｉ１'，Ｉ２／Ｉ２'，Ｉ３／Ｉ３'，Ｉ４／Ｉ４'）のための電源接続端子（１２，１４，２２，２４，３２，３４，４２，４４）であり、他の２つの接続端子がそれぞれ、ホール電圧を取り出すための信号接続端子（１１，１３，２１，２３，３１，３３，４１，４３）であり、これらの接続端子の接続が次々に続く相で変化するようにもうけられた切り替えネットワーク（６）と、を備え、
前記切り替えネットワーク（６）が、それぞれの相で、関連した信号接続端子（１１，１３，２１，２３，３１，３３，４１，４３）の接続を個別に切り替えて直列に接続し、前記ホールセンサ（１，２，３，４）に誘起されるホール電圧（Ｖ₁／Ｖ₁'，Ｖ₂／Ｖ₂'，Ｖ₃／Ｖ₃'，Ｖ₄／Ｖ₄'）を加算し、合計信号をそれぞれ前記直列回路の外端の信号接続端子（１１，４３）で測定できるように形成されることを特徴とするホールセンサ半導体デバイス。
請求項１に記載のホールセンサ半導体デバイスにおいて、
前記ホールセンサ（１，２，３，４）が、上面（１９）を備えた半導体（９）に配設され、前記ホールセンサ半導体デバイスの駆動の際に、前記上面（１９）に平行な磁場成分がホール電圧を生成する、ホールセンサ半導体デバイス。
請求項１または２に記載のホールセンサ半導体デバイスにおいて、
電流ソースおよび電流シンク（１７）を準備する電流供給ユニット（７）が設けられ、前記切り替えネットワーク（６）と前記電流供給ユニット（７）との間の、前記電流ソースおよび電流シンク（１７）を前記電源接続端子（１２，１４，２２，２４，３２，３４，４２，４４）に接続するための、互いに分離された接続線（１５）が設けられている、ホールセンサ半導体デバイス。
請求項１または２に記載のホールセンサ半導体デバイスにおいて、
駆動電流（Ｉ₁／Ｉ₁'，Ｉ₂／Ｉ₂'，Ｉ₃／Ｉ₃'，Ｉ₄／Ｉ₄'）の流入と流出のための前記電源接続端子（１２，１４，２２，２４，３２，３４，４２，４４）が設けられ、
前記切り替えネットワーク（６）は、それぞれの相で、前記流入のために設けられた前記電源接続端子（１２，２２，３２，４２）および／または前記流出のために設けられた電源供給端子（１４，２４，３４，４４）を互いに接続する、ホールセンサ半導体デバイス。
請求項１乃至４のいずれか１項に記載のホールセンサ半導体デバイスにおいて、
前記ホールセンサ（１，２，３，４）の少なくとも１つは、複数の個別のホールセンサが固定配線された回路からなっている、ホールセンサ半導体デバイス。
請求項１乃至５のいずれか１項に記載のホールセンサ半導体デバイスにおいて、
それぞれ電源接続端子（１２，１４，２２，２４，３２，３４，４２，４４）として接続された前記ホールセンサ（１，２，３，４）の端子は、それぞれの相において、前記ホールセンサ（１，２，３，４）の内部を流れる駆動電流（Ｉ₁／Ｉ₁'，Ｉ₂／Ｉ₂'，Ｉ₃／Ｉ₃'，Ｉ₄／Ｉ₄'）の方向を決定するように構成され、前記駆動電流はそれぞれ４５°，１３５°，２２５°および／または３１５°を含むホールセンサ半導体デバイス。
請求項１乃至６のいずれか１項に記載のホールセンサ半導体デバイスの駆動方法であって、
電源接続端子（１２，１４，２２，２４，３２，３４，４２，４４）として接続された前記ホールセンサ（１，２，３，４）の端子はそれぞれ、それぞれの相において、前記ホールセンサ（１，２，３，４）の内部を流れる駆動電流（Ｉ₁／Ｉ₁'，Ｉ₂／Ｉ₂'，Ｉ₃／Ｉ₃'，Ｉ₄／Ｉ₄'）の方向を決定するように構成され、前記方向はそれぞれ直列回路で次々に続いた、信号接続端子（１１，１３，２１，２３，３１，３３，４１，４３）を介して互いに接続されたホールセンサ（１，２，３，４）の２つにおいて異なっている駆動方法。
請求項７に記載の駆動方法において、
偶数個のホールセンサ（１，２，３，４）が用いられ、
電源接続端子（１２，１４，２２，２４，３２，３４，４２，４４）として接続された前記ホールセンサ（１，２，３，４）の接続端子はそれぞれ、それぞれの相において、前記ホールセンサ（１，２，３，４）の内部を流れる駆動電流（Ｉ₁／Ｉ₁'，Ｉ₂／Ｉ₂'，Ｉ₃／Ｉ₃'，Ｉ₄／Ｉ₄'）の方向を決定し、前記ホールセンサの半分（１，２）の内部を流れる駆動電流（Ｉ₁／Ｉ₁'，Ｉ₂／Ｉ₂'）が、それぞれ９０°，１８０°および／または２７０°を含み、残りのホールセンサ（３，４）の内部を流れる駆動電流（Ｉ₃／Ｉ₃'，Ｉ₄／Ｉ₄'）が、それぞれ４５°，１３５°，２２５°および／または３１５°を含むように構成されている駆動方法。
請求項７または８に記載の駆動方法において、
それぞれの相で、初期または後期の相があり、前記初期または後期の相でホールセンサ（１，２，３，４）の同じ接続端子が電源接続端子（１２，１４，２２，２４，３２，３４，４２，４４）として用いられ、それぞれのホールセンサ（１，２，３，４）で駆動電流（Ｉ₁／Ｉ₁'，Ｉ₂／Ｉ₂'，Ｉ₃／Ｉ₃'，Ｉ₄／Ｉ₄'）の方向が逆転する駆動方法。
請求項７乃至９のいずれか１項に記載の駆動方法において、
前記信号接続端子（１１，１３，２１，２３，３１，３３，４１，４３）の前記直列回路内の前記ホールセンサ（１，２，３，４）の順番が、相毎に変更される駆動方法。
請求項７乃至１０のいずれか１項に記載の駆動方法において、
前記駆動電流（Ｉ₁／Ｉ₁'，Ｉ₂／Ｉ₂'，Ｉ₃／Ｉ₃'，Ｉ₄／Ｉ₄'）のために、電流ソース（Ｉ₁，Ｉ₂，Ｉ₃，Ｉ₄）と電流シンク（Ｉ₁'，Ｉ₂'，Ｉ₃'，Ｉ₄'）とが設けられ、前記電流ソース（Ｉ₁，Ｉ₂，Ｉ₃，Ｉ₄）および電流シンク（Ｉ₁'，Ｉ₂'，Ｉ₃'，Ｉ₄'）の接続が、同一の電源接続端子（１２，１４，２２，２４，３２，３４，４２，４４）によって、先行する相に対して入れ替えられる駆動方法。