JPH01251763A - Vertical hall element and integrated magnetic sensor - Google Patents
Vertical hall element and integrated magnetic sensorInfo
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Abstract
Description
【発明の詳細な説明】
(技術分野)
この発明は、縦型ホール素子と、この縦型ホール素子と
信号処理回路とを集積化した集積化磁気センサに関する
ものである。さらに詳しくは、この発明は、バイポーラ
プロセスによって形成可能な、磁界の三次元測定を一つ
のチップで実現することのできる新しいスマート磁気セ
ンサに関するものである。DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION (Technical Field) The present invention relates to a vertical Hall element and an integrated magnetic sensor in which the vertical Hall element and a signal processing circuit are integrated. More specifically, the present invention relates to a new smart magnetic sensor that can be formed by a bipolar process and that can realize three-dimensional measurement of a magnetic field with a single chip.
(背景技術)
従来より、バイポーラプロセスによって形成したホール
素子が知られている。たとえば第9図に示したように、
p 型の伝導性を持つシリコン基板(ア)の表面に、n
型伝導性を持つエピタキシャル層(イ)を形成し、その
表面に電流入力電極(つ)、電流出力型、#!(1)を
設け、さらに、電流の方向と直角をなす方向にホール電
圧出力電極(オ)を設けたものが知られている。(Background Art) Hall elements formed by a bipolar process have been known. For example, as shown in Figure 9,
On the surface of a silicon substrate (a) with p-type conductivity,
An epitaxial layer (a) with type conductivity is formed, and on its surface there is a current input electrode (2), a current output type, and #! (1) is provided, and a Hall voltage output electrode (O) is further provided in a direction perpendicular to the direction of current.
しかしながら、この従来のホール素子においては、素子
面に垂直な方向のみの磁界測定しかできないという基本
的な問題があった。つまり、横型ホール素子に限定され
ていたのである。However, this conventional Hall element has a fundamental problem in that it can only measure magnetic fields in a direction perpendicular to the element surface. In other words, it was limited to horizontal Hall elements.
すなわち、ホール効果とは、電流方向(X)、磁界方向
(2)において、電流キャリアが磁界によってxy平面
上でy方向に曲げられ、これによりy方向に電位差が生
じることを意味しているが、上記のこれまでに知られて
いるホール素子の′#4造においては、ホール電圧を発
生させるものは、素子面に垂直な磁界のみであった。In other words, the Hall effect means that in the current direction (X) and magnetic field direction (2), current carriers are bent in the y direction on the xy plane by the magnetic field, and this creates a potential difference in the y direction. In the above-mentioned previously known Hall element structure, only the magnetic field perpendicular to the element surface generates the Hall voltage.
このような従来の素子を用いて磁界の三次元測定を行う
場合には、磁界に垂直に素子を配設しなければならない
ことから、少なくとも3個の横型ホール素子を立体的に
組み込むことが必要であった。その代表的な例としての
ガウスメーターの構造は第10図のように示すことがで
きる。When performing three-dimensional measurement of magnetic fields using such conventional elements, the elements must be placed perpendicular to the magnetic field, so it is necessary to incorporate at least three horizontal Hall elements three-dimensionally. Met. The structure of a Gaussmeter as a typical example thereof can be shown as shown in FIG.
この例に示したように、プローブの先端に3藺の横型ホ
ール素子(力)を組み込み、各々の出力るものであった
。As shown in this example, three horizontal Hall elements (force) were built into the tip of the probe, and each output was output.
このように、従来のホール素子の場合には、素子面に垂
直な方向のみの磁界測定が可能であって、横方向の測定
は困難であり、しかも、一つのチップに三次元の磁界セ
ンサを集積することは本質的に不可能であった。In this way, with conventional Hall elements, it is possible to measure the magnetic field only in the direction perpendicular to the element surface, and it is difficult to measure in the lateral direction.Moreover, it is difficult to measure the magnetic field in the lateral direction. It was essentially impossible to accumulate.
このような問題を克服するなめに、この発明の発明者は
鋭意検討を続けてきており、素子面に平行な磁界測定を
可能とし、かつ一つのチップに集積化することのできる
縦型のホール素子の実現に努めてきた。In order to overcome these problems, the inventor of the present invention has been conducting intensive studies to develop a vertical hole that enables magnetic field measurement parallel to the element surface and that can be integrated into a single chip. We have been working hard to realize the device.
その結果、この発明の発明者は、すでに新しい着想に基
づいた縦型ホール素子の構造を見出し、さらにこの構造
を実用に供することができるように改善して、この発明
に到達した。As a result, the inventor of the present invention has already discovered the structure of a vertical Hall element based on a new idea, and has further improved this structure so that it can be put to practical use, thereby arriving at the present invention.
(発明の開示)
この発明は、上記の通りの事情を踏まえてなされたもの
であり、通常のバイポーラプロセスを用いて、面に平行
な磁界の測定を可能とする縦型ホール素子を実現するも
のである。また、この発明は、この素子を集積化し、一
つのチップによって磁界の三次元測定を可能としたスマ
ート磁気センサを提1共することを目的としてもいる。(Disclosure of the Invention) This invention was made in light of the above-mentioned circumstances, and uses a normal bipolar process to realize a vertical Hall element that can measure a magnetic field parallel to a plane. It is. Another object of the present invention is to provide a smart magnetic sensor that integrates this element and makes it possible to three-dimensionally measure a magnetic field using a single chip.
この目的の実現のために、この発明の縦型ホール素子は
基板表面層にエピタキシャル成長によって島状に形成し
た基板と逆極性の伝導性を有し、周辺部と電気的に絶縁
した活性領域と、この活性領域の底部に形成した良導電
性の膜厚方向への電流バスとなる埋め込み層と、電流バ
スの上部の表面に形成した電流入力電極と、この電流入
力電極を介して対称的位置に形成した電流出力電極と、
電流入力電極の電流方向とは直角となる近傍にホール電
圧を取り出すために設けたホール電圧出力電極とからな
り、素子面に平行な磁界測定を垂直磁界に影響されるこ
となく可能としている。To achieve this purpose, the vertical Hall element of the present invention has an active region formed in an island shape by epitaxial growth on the surface layer of the substrate, which has conductivity of opposite polarity to the substrate and is electrically insulated from the surrounding area. There is a buried layer formed at the bottom of this active region that serves as a current bus in the film thickness direction with good conductivity, and a current input electrode formed on the upper surface of the current bus. The formed current output electrode,
It consists of a Hall voltage output electrode provided in the vicinity of the current input electrode at right angles to the current direction to take out the Hall voltage, making it possible to measure magnetic fields parallel to the element surface without being affected by perpendicular magnetic fields.
添付した図面に沿ってこの発明の縦型ホール素子と集積
化磁気センサについて次に詳しく説明する。The vertical Hall element and integrated magnetic sensor of the present invention will be described in detail below with reference to the accompanying drawings.
第1図は、この発明の縦型ホール素子の構造を例示した
ものである。(a)(b)(c’)は、各々、平面図、
A−A’断面図、B−B’断面図を示している。FIG. 1 illustrates the structure of a vertical Hall element according to the present invention. (a), (b), and (c') are respectively plan views;
An AA' cross-sectional view and a BB' cross-sectional view are shown.
この縦型ホール素子は、この第1図(a)(b)(c)
に示したようにp型伝導性のシリコン基板(1)の表面
層にこのシリコン基板(1)と伝導性の異なるn型の伝
導層をエピタキシャル成長させ、かつ所望の領域の周辺
部に基板(1)と同じ伝導性を有するρ型伝導層を拡散
によって形成することによって、周辺部と電気的に絶縁
した島状活性領域(2)としている、この活性領t!U
(2>の底部には、深さLの位置に不純物を過剰に添加
した幅Wのパターンを持つn+埋め込み層(3)を設け
、これを電流バスとしている。This vertical Hall element is shown in Fig. 1 (a), (b), and (c).
As shown in Figure 2, an n-type conductive layer having a conductivity different from that of the silicon substrate (1) is epitaxially grown on the surface layer of a p-type conductive silicon substrate (1), and a layer of the substrate (1) is grown around a desired region. ) by forming by diffusion a ρ-type conductive layer having the same conductivity as t! ), this active region t! U
At the bottom of (2), an n+ buried layer (3) having a pattern with a width W and excessively doped with impurities is provided at a depth L, and this is used as a current bus.
この電流バスとしてのn“埋め込み層(3)の上部の表
面には電流を流し込むための電流入力型I(4)と、こ
れを介して対称的位置に電流を取り出すための電流出力
電極(5)とを配設し、また、電流入力型′!f!(4
)の近傍には、電流方向とは直角となるようにホール電
圧を取り出すためのホール電圧出力電極(6)を設けて
いる。On the upper surface of the n'' buried layer (3) as a current bus, there is a current input type I (4) for flowing current, and a current output electrode (5) for taking out current to a symmetrical position via this. ) and a current input type ′!f!(4
) is provided with a Hall voltage output electrode (6) for extracting the Hall voltage so as to be perpendicular to the current direction.
この場合、ホール電圧出力電極(6)の形状は、深さL
に比べて充分に小さく、かつこのLがWに比較して充分
に小さいようにしている。In this case, the shape of the Hall voltage output electrode (6) has a depth L
, and this L is made sufficiently small compared to W.
このような構造の縦型ホール素子においては、電流を素
子の膜厚方向(z)に流すことにより、素子と平行な面
の方向(x)の磁界(B)の測定が可能となる。電流の
この膜厚方向(z)への流れは、通常のバイポーラプロ
セスを用いて形成したn+埋め込み層(3)の存在によ
って可能となる。In a vertical Hall element having such a structure, by flowing a current in the thickness direction (z) of the element, it is possible to measure the magnetic field (B) in the direction (x) of a plane parallel to the element. This flow of current in the film thickness direction (z) is made possible by the presence of the n+ buried layer (3) formed using a normal bipolar process.
電流入力電極(4〉から流れ込んだ電流は、n+埋め込
み層(3)に流れ込み、電流出力電極(5)より流れ出
す、この状態で、磁界Bを素子面に平行の方向(X>に
加えると、電流入力電極(4)の直下でキャリアがy方
向に曲げられてポール電圧出力電極(6)にホール電圧
が発生する。The current flowing from the current input electrode (4>) flows into the n+ buried layer (3) and flows out from the current output electrode (5). In this state, when a magnetic field B is applied in a direction parallel to the element surface (X>), Carriers are bent in the y direction directly under the current input electrode (4), and a Hall voltage is generated at the pole voltage output electrode (6).
この構造において、電流出力電極(5)は、対称的位置
に設け、横方向電流をホール電圧出力電極(6)に対し
て対称とすることにより、チップ面に垂直な磁界に対す
る出力の影響がないようにしている。In this structure, the current output electrodes (5) are provided at symmetrical positions and the lateral current is made symmetrical with respect to the Hall voltage output electrode (6), so that the output is not affected by the magnetic field perpendicular to the chip surface. That's what I do.
ホール素子の厚さをtとすると、この構造の縦型ホール
素子のホール電圧出力v11は、磁束密度Bの磁界が印
加されると、次の式によって表わすことができる。Assuming that the thickness of the Hall element is t, the Hall voltage output v11 of the vertical Hall element with this structure can be expressed by the following equation when a magnetic field of magnetic flux density B is applied.
(R11はホール係数を示している) これは、縦型ホール素子の感度を示してもいる。(R11 indicates the Hall coefficient) This also indicates the sensitivity of the vertical Hall element.
すなわち、感度(S)は、 で表わすことができる。That is, the sensitivity (S) is It can be expressed as
この発明の縦型ホール素子は、通常のバイポーラICプ
ロセスとコンパチブルであり、周辺回路とセンサ部とを
一つのチップに組み込んで集積化磁気センサとすること
が容易である。The vertical Hall element of the present invention is compatible with a normal bipolar IC process, and it is easy to incorporate a peripheral circuit and a sensor section into one chip to form an integrated magnetic sensor.
磁界方向(角度)を測定する集積化磁気センサについて
次に例示する。An example of an integrated magnetic sensor that measures the direction (angle) of a magnetic field will be given below.
第2図は、この集積化磁気センサの例を示した概念図で
ある。2個の縦型ホール素子(7)を、ホール電圧の方
向が直角になるように集積し、この各々の出力Vx、■
、を信号処理する回路、すなわちtan (v、 /
vx)を算出する信号処理図!(8)を集積化する。こ
こで、vxは磁束密度BのX成分、すなわちB8=Bc
osθに比例し、vyは同様にX成分、すなわちB y
=B s + nθに比例する。これにより、出力■
。から磁界の方向を測定することができる。FIG. 2 is a conceptual diagram showing an example of this integrated magnetic sensor. Two vertical Hall elements (7) are integrated so that the direction of Hall voltage is perpendicular to each other, and their respective outputs Vx,
, i.e., tan (v, /
Signal processing diagram for calculating vx)! (8) is integrated. Here, vx is the X component of magnetic flux density B, that is, B8=Bc
Similarly, vy is proportional to osθ, and vy is the X component, that is, B y
Proportional to =B s + nθ. This results in the output
. The direction of the magnetic field can be measured from
第3図は、磁界の三次元測定を可能とする集積化磁気セ
ンサの例を示している。FIG. 3 shows an example of an integrated magnetic sensor that allows three-dimensional measurement of magnetic fields.
これは、磁束密度BのZ成分を測定する一つの横型ホー
ル素子(9)と、x、X成分を測定する二つの縦型ホー
ル素子(7)とを集積化したものである。This is an integration of one horizontal Hall element (9) that measures the Z component of the magnetic flux density B and two vertical Hall elements (7) that measure the x and X components.
たとえばこの例においては、各ホール電圧出力型II
(10)は、半径100μmの円内に配置することがで
きる。For example, in this example, each Hall voltage output type II
(10) can be arranged within a circle with a radius of 100 μm.
これらの集積化磁気センサを実現するための信号処理の
ための回路としては、たとえば、第4図のものを例示す
ることができる。As an example of a circuit for signal processing to realize these integrated magnetic sensors, the circuit shown in FIG. 4 can be exemplified.
第3図の磁気センサに対応して、各ホール電圧V 、
V 、V はV、/I変換回路(11)により、x
y Z
B 、B 、B を示す電流に変換され、トラン
x y Z
スリニア回路(12)および電流ミラー回路る。Corresponding to the magnetic sensor in FIG. 3, each Hall voltage V,
V, V are x by the V, /I conversion circuit (11)
y Z B , B , B are converted into currents indicating transformer x y Z linear circuit (12) and current mirror circuit.
第5図は、実際に同一基板上に三次元磁気センサととも
に集積化した回路図を示している。非常に簡単な回路に
より、三次元磁束密度の絶対値の測定が可能となる。FIG. 5 shows a circuit diagram in which a three-dimensional magnetic sensor is actually integrated on the same substrate. A very simple circuit makes it possible to measure the absolute value of three-dimensional magnetic flux density.
第6図は、三次元集積化磁気センサの測定の方法(a)
とその結果(b)を示したものである。Figure 6 shows the measurement method (a) of the three-dimensional integrated magnetic sensor.
and the result (b) is shown.
磁界の方向をx−y平面で360°、Z方向で0°、3
0°、60°、90°と変化させた時の測定結果は、第
6図(b)に示したように、磁界の方向によらずに、三
次元磁界の絶対値測定が可能となったことを示している
。The direction of the magnetic field is 360° in the x-y plane, 0° in the Z direction, 3
The measurement results when changing the angle to 0°, 60°, and 90° are shown in Figure 6 (b), which makes it possible to measure the absolute value of the three-dimensional magnetic field regardless of the direction of the magnetic field. It is shown that.
なお、この発明においては、以上の例に限られずに、第
1図に示した縦型ホール素子に代えて、第7図に示す縦
型ホール素子により、集積化磁気センサを構成すること
もできる。Note that the present invention is not limited to the above example, and instead of the vertical Hall element shown in FIG. 1, an integrated magnetic sensor may be constructed using the vertical Hall element shown in FIG. 7. .
この第7図のホール素子は、電流入力電極(14)に対
応して1個の電流出力電極(15)を有している。この
構造によっても、チップ面に平行な方向の磁界測定が可
能となり、このホール素子(16)を2個、直角になる
ように集積して、第2図と同様の磁界方向測定可能な磁
気センサを構成することも容易である。The Hall element shown in FIG. 7 has one current output electrode (15) corresponding to the current input electrode (14). This structure also makes it possible to measure the magnetic field in the direction parallel to the chip surface, and by integrating two Hall elements (16) at right angles, a magnetic sensor similar to that shown in Fig. 2 can measure the direction of the magnetic field. It is also easy to configure.
次に実施例を示してさらにこの発明について説明する。Next, the present invention will be further explained by showing examples.
(実施例)
第1図に示した縦型ホール素子を作製し、その感度につ
いて検討した。その結果を示したものが第8図である。(Example) The vertical Hall element shown in FIG. 1 was manufactured, and its sensitivity was investigated. FIG. 8 shows the results.
この第8図から明らかなように、
の式が満たされている。いずれのホール素子も直線性は
良好で、温度特性も5〜50℃において感度の変化は2
%以内であった。As is clear from Fig. 8, the following formula is satisfied. All Hall elements have good linearity, and the temperature characteristics change in sensitivity by 2 at 5 to 50 degrees Celsius.
It was within %.
また、一定方向の磁界を与え、素子をその中で回転させ
た時の出力電圧の理論値からの誤差は最大1.5%であ
った。Furthermore, when a magnetic field was applied in a fixed direction and the element was rotated within it, the error of the output voltage from the theoretical value was 1.5% at most.
さらに、n+埋め込み層の幅(W)が14μmとした時
の感度は75 V/ATであった。Furthermore, when the width (W) of the n+ buried layer was 14 μm, the sensitivity was 75 V/AT.
極めて良好な感度が得られている。Extremely good sensitivity was obtained.
(発明の効果)
この発明により、チップ面に平行な磁界を検出でき、し
かも標準バイポーラプロセスによって作製できる集積化
磁気センサ、縦型ホール素子が提供される。(Effects of the Invention) The present invention provides an integrated magnetic sensor and a vertical Hall element that can detect a magnetic field parallel to the chip surface and can be manufactured by a standard bipolar process.
チップに垂直な磁界の影響を受けることのない極めて高
感度なホール素子と、一つのチップへの集積によるスマ
ートセンサが実現される。A smart sensor will be realized by integrating an extremely sensitive Hall element that is unaffected by magnetic fields perpendicular to the chip onto a single chip.
第1図(a)(b)(c)は、各々この発明の縦型ポー
ル素子の一例を示した平面図および断面図である。第2
図は、磁界方向測定の集積化磁気センサを示した斜視図
である。第3図は、磁界の三次元測定のための集積化磁
気センサの平面図である。
第4図は、集積化磁気センサの信号処理回路を示したブ
ロック図である。第5図は、同一基板に集積した磁気セ
ンサと回路を示した回路図である。
第6図<a)(b)は、各々、三次元集積化磁気センサ
の測定の方法とその結果を示した斜視図および磁界測定
図である。
第7図(a)(b)は、この発明に用いる他の縦型ポー
ル素子を示した平面図と断面図である。
第8図は、縦型ホール素子の感度を示した感度曲線図で
ある。
第9図は、従来の横型ホール素子を示した斜視図であり
、第10図は、従来のガウスメーターを示した斜視図で
ある。
1・・・シリコン基板 2・・・活性領域3・・・
n+埋め込み層 4・・・電流入力電極5・・・電流
出力電極
6・・・ボール電圧出力電極
7・・・縦型ホール素子
8・・・信号処理回路
9・・・横型ホール素子
10・・・ホール電圧出力電極
11・・・V/I変換回路
12・・・トランスリニア回路
13・・・電流ミラー回路
14・・・電流入力電極
15・・・電流出力電極
16・・・ホール素子
代理人弁理士 西 澤 利 夫第2図
第 3 図
第 4 図
(a)
6 :A
(b)
第 7 図
(a)
(b)
第 8 図
(μm)
n+埋め込み層の幅(W)
第 9 図
第10図FIGS. 1(a), 1(b), and 1(c) are a plan view and a sectional view, respectively, showing an example of the vertical pole element of the present invention. Second
The figure is a perspective view showing an integrated magnetic sensor for magnetic field direction measurement. FIG. 3 is a plan view of an integrated magnetic sensor for three-dimensional measurement of magnetic fields. FIG. 4 is a block diagram showing a signal processing circuit of the integrated magnetic sensor. FIG. 5 is a circuit diagram showing a magnetic sensor and a circuit integrated on the same substrate. FIGS. 6A and 6B are a perspective view and a magnetic field measurement diagram showing the measurement method and results of the three-dimensional integrated magnetic sensor, respectively. FIGS. 7(a) and 7(b) are a plan view and a sectional view showing another vertical pole element used in the present invention. FIG. 8 is a sensitivity curve diagram showing the sensitivity of the vertical Hall element. FIG. 9 is a perspective view of a conventional horizontal Hall element, and FIG. 10 is a perspective view of a conventional Gauss meter. 1... Silicon substrate 2... Active region 3...
n+ buried layer 4... Current input electrode 5... Current output electrode 6... Ball voltage output electrode 7... Vertical Hall element 8... Signal processing circuit 9... Horizontal Hall element 10...・Hall voltage output electrode 11...V/I conversion circuit 12...Translinear circuit 13...Current mirror circuit 14...Current input electrode 15...Current output electrode 16...Hall element agent Patent Attorney Toshio Nishizawa Figure 2 Figure 3 Figure 4 (a) 6 :A (b) Figure 7 (a) (b) Figure 8 (μm) n+ Width of buried layer (W) Figure 9 Figure 10
Claims (5)
基板と伝導性の事なる層を形成し、かつ所要の領域の周
辺部に基板と同じ伝導性を有する層を拡散によって形成
させることにより周辺部と電気的に絶縁した島状の活性
領域と、この活性領域の底部に形成した良導電性の膜厚
方向への電流バスとなる埋め込み層と、電流バスの上部
の表面に形成した電流入力電極と、この電流入力電極を
介して対称的位置に形成した電流出力電極と、電流入力
電極の電流方向とは直角となる近傍にホール電圧を取り
出すために設けたホール電圧出力電極とからなり、素子
面に平行な磁界測定を垂直磁界に影響されることなく可
能とした縦型ホール素子。(1) Forming a layer with conductivity different from that of the substrate by epitaxial growth on the surface of a silicon substrate, and forming a layer with the same conductivity as the substrate in the peripheral area of the required area by diffusion, thereby creating an electrical connection with the peripheral area. An insulated island-shaped active region, a buried layer formed at the bottom of this active region that serves as a highly conductive current bus in the film thickness direction, a current input electrode formed on the upper surface of the current bus, and a current input electrode formed on the top surface of the current bus. It consists of a current output electrode formed at symmetrical positions via the input electrode, and a Hall voltage output electrode provided in the vicinity perpendicular to the current direction of the current input electrode to take out the Hall voltage, and parallel to the element surface. A vertical Hall element that enables magnetic field measurement without being affected by vertical magnetic fields.
直角となる方向に配設し、信号処理回路を含めて集積化
した磁界方向の測定可能な集積化磁気センサ。(2) An integrated magnetic sensor capable of measuring the direction of a magnetic field, in which two of the vertical Hall elements according to claim (1) are disposed in perpendicular directions and integrated including a signal processing circuit.
1個の横型ホール素子とをバイポーラプロセスを用いて
集積化し、所要の形状で配設した磁界の三次元測定可能
な集積化磁気センサ。(3) Two vertical Hall elements and one horizontal Hall element according to claim (1) are integrated using a bipolar process, and the magnetic field can be measured in three dimensions when arranged in a desired shape. Integrated magnetic sensor.
て、出力処理のためのV/I変換回路、トランスリニア
回路、電流ミラー回路からなる信号処理回路とをともに
集積化することにより、磁界の絶対値を測定可能とした
集積化磁気センサ。(4) In the integrated magnetic sensor according to claim (3), by integrating together a signal processing circuit consisting of a V/I conversion circuit, a translinear circuit, and a current mirror circuit for output processing, An integrated magnetic sensor that can measure the absolute value of a magnetic field.
力電極と電流出力電極とを一対のものとし、これにより
請求項第(2)項の集積化磁気センサを構成してなる集
積化磁気センサ。(5) The vertical Hall element according to claim (1) has a current input electrode and a current output electrode as a pair, thereby configuring the integrated magnetic sensor according to claim (2). Integrated magnetic sensor.
Priority Applications (1)
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