JPH05180918A - 磁場センサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 磁場を高精度に測定することができ、従来の
標準集積回路ＭＯＳ技術で形成することができ、使用す
る半導体材料の特性及び環境条件にあまり関係のない出
力信号を得ることができる磁場センサ。 【構成】 磁場センサは２つの接点ゾーン４、５と入力
ゾーン２と出力ゾーン３を有する。これらのゾーンは不
純物原子で濃くドーピングされた第１の導電型Ｎ+の半
導体材料１から形成され、第２の導電型Ｐの半導体材料
１内の外面に配置されている。更に各端子Ｓ１、Ｓ２、
Ｃ１ないしＣ２を通す切欠きを有する絶縁層が第２の導
電型Ｐの半導体材料１の外面に配置される。絶縁層上に
は電荷結合回路の細長いゲート電極７〜２６の列が配置
されている。２つの接点ゾーン間の絶縁層上に配置され
た少なくとも１つの中央ゲート電極１５〜１８の両端部
は両接点ゾーンのそれぞれと少なくとも一部が重ねられ
て配置される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、磁場センサ、更に詳細
には、第１の接点ゾーン及び第２の接点ゾーンを有し、
両接点ゾーンが第１の導電型の半導体材料から構成され
て第２の導電型の半導体材料内の外面に配置され、かつ
両接点ゾーンのそれぞれにセンサ端子が設けられ、更に
第２の導電型の半導体材料の外面に配置されセンサ端子
を通す切欠きを有する絶縁層（６）が設けられる磁場セ
ンサに関する。

【０００２】本発明の対象は、高精度で高品質の磁場セ
ンサとして例えば電気計など種々の機器、コンパスある
いは移動センサなどに使用することができる。

【０００３】

【従来の技術】このような磁場センサはＥＰ０１４８３
３０Ａ２から公知であって、同公報には磁場センサとし
て使用されるホール素子の構造が記載されている。特に
同公報の図１１に記載されているホール素子は第１と第
２の接点ゾーンを有し、両者は導電型Ｐの半導体素子か
らなり他の導電型Ｎの半導体材料内の外面に配置されて
おり、それぞれにセンサ端子Ｓ１ないしＳ２が設けられ
ている。導電型Ｎの半導体材料の外面にはセンサＳ１と
Ｓ２を通す切欠きを有する絶縁層が設けられている。

【０００４】ホール素子内では公知なように駆動時に流
れる電流は電荷担体のドリフトあるいは電荷担体の拡散
によってもたらされ、電荷担体の転送は使用する半導体
材料の特性及び環境条件に依存するので、それらの変化
によってホール効果素子の出力信号が変化する。特にホ
ール効果素子は表面効果、カプセル化時の応力、光、温
度、材料ドーピング濃度（material doping densit
y）などに対して敏感である。従って高精度の磁場セン
サを形成するためには、特殊カプセル化を含む標準的で
ない方法を用いて特殊な半導体材料からホール素子を形
成しなければならず、さらに温度補償が必要である。こ
うした理由から信号処理回路に良質の半導体素子を組み
込むことは困難である。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】本発明の課題は、磁場
を高精度に測定することができ、従来の標準集積回路Ｍ
ＯＳ技術で形成することができ、他の処理なしで従来の
複雑に集積されたＭＯＳ回路に集積することができ、か
つ使用する半導体材料の特性及び環境条件に左右されな
い出力信号を有する磁場センサを提供することである。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記の課題は、第１の接
点ゾーン及び第２の接点ゾーンを有し、両接点ゾーンが
第１の導電型の半導体材料から構成されて第２の導電型
の半導体材料内の外面に配置され、かつ両接点ゾーンの
それぞれにセンサ端子が設けられ、更に第２の導電型の
半導体材料の外面に配置されセンサ端子を通す切欠きを
有する絶縁層が設けられる磁場センサにおいて、第１と
第２の接点ゾーンが不純物原子で濃くドーピングされて
おり、所定方向に電極列を形成し電極列の方向に対して
垂直の方向に細長い形状を有する少なくとも１つの電荷
結合回路のゲート電極が絶縁層上に配置され、両接点ゾ
ーン間の絶縁層上に配置された少なくとも１つの中央電
極の両端部が両接点ゾーンのそれぞれ上に少なくとも一
部が重ねられて配置される構成により解決される。

【０００７】

【作用】このような構成では、磁場を高精度に測定する
ことができ、従来の標準集積回路ＭＯＳ技術で形成する
ことができ、他の処理なしで従来の複雑に集積されたＭ
ＯＳ回路に集積することができ、かつ使用する半導体材
料の特性及び環境条件に左右されない出力信号を得るこ
とができる。

【０００８】

【実施例】以下、本発明の実施例を図面に示し、以下で
詳細に説明する。すべての図面において同一の参照符号
は同一の部分ないし部材を示す。

【０００９】図１に概略図示する本発明の磁場センサの
第１の実施例は、半導体材料１、入力ゾーン２、出力ゾ
ーン３、第１の接点ゾーン４、第２の接点ゾーン５、不
図示の絶縁層６及び複数のゲート電極７〜２６から形成
され、ゲート電極はそれぞれゲート端子２７、２
８、．．．．４５ないし４６を有する。入力ゾーン２、
出力ゾーン３及びゲート電極７〜２６はそれぞれ電荷結
合回路（ＣＣＤ）のものである。電荷結合回路の構造は
公知であって、例えば特にミルン（A．G．Milnes）の著
書「半導体素子と半導体エレクトロニクス（Semiconduc
tor Device and Semiconductor Electronics）」第
１０章、Van Nostrand Reinold Co．１９８０年に記
載されている。

【００１０】２つの接点ゾーン４と５にはそれぞれセン
サ端子Ｓ１ないしＳ２が設けられており、これらのセン
サ端子は通常対応する接点ゾーン４ないし５と電気的に
直接接続される。駆動時にセンサ端子Ｓ１とＳ２間に発
生する電圧が、本発明の磁場センサの出力電圧Ｖs1、s2
となる。入力ゾーン２と出力ゾーン３も同様にそれぞれ
電気的な端子Ｃ１ないしＣ２を有する。

【００１１】各図において、図５を除いて電荷結合回路
毎に２０のゲート電極７〜２６が設けらているが、図５
では電荷結合回路毎に１６のゲート電極７〜２２しか設
けられていない。ゲート電極は好ましくは高ドーピング
の多結晶シリコン（Poly−Si）薄層からなり、通常は約
１μの最大距離で平行に配置される。ゲート電極はそれ
ぞれ５μ程度の幅を有する。

【００１２】絶縁層６は図１と２及び図４〜７において
も設けられているが、図示を簡略化するために図示され
ていない。絶縁層は好ましくはＳｉＯ2からなり、それ
ぞれセンサ端子Ｓ１とＳ２及び電気端子Ｃ１とＣ２を通
す切欠きを有する。

【００１３】入力ゾーン２、出力ゾーン３及び両接点ゾ
ーン４と５は４つともすべてそれぞれ不純物原子で濃く
ドーピングされた第１の導電型の半導体材料から形成さ
れ、第２の導電型の半導体材料１内の外面に配置され
る。測定すべき磁場、従ってそれに関連する磁束Ｂは最
初の６つの実施例においてはこの外面に対して垂直にな
っている。図においてはＮ+が第１の導電型で、Ｐが第
２の導電型であるものとする。入力ゾーン２と出力ゾー
ン３は、電極列の外側にある２つの外側のゲート電極
（図１ではゲート電極７と２６）の近傍においてゲート
電極７〜２６に対して平行に配置される。その場合、２
つの外側のゲート電極の少なくとも一部は隣接する入力
ゾーン２ないし隣接する出力ゾーン３と重複するか、あ
るいは絶縁層６を考慮しなければ隣接するゾーンの端縁
に対して高々１マイクロメートルの距離隔てて配置され
る。

【００１４】第２の導電型Ｐの半導体材料１の外面には
絶縁層６（図３、図８及び図１２）が設けられている。
なお、この外面は好ましくは集積回路の表面となる。

【００１５】本発明の全ての磁場センサの絶縁層６上に
は少なくとも１つの電荷結合回路のゲート電極７〜２２
ないし２４ないし２６が配置される。その場合、該当す
るゲート電極はｘ方向に電極列を形成し、かつ電極列の
方向に対して垂直に細長い細片形状をしている。絶縁層
６の２つの接点ゾーン４と５間に配置されたゲート電極
の少なくとも中央の１つのゲート電極の両端部の少なく
とも一部はそれぞれ接点ゾーン４と５の上に重なるよう
に配置されている。図では通常、中央の４つのゲート電
極の両端部（図１では４つのゲート電極１５〜１８）が
両接点ゾーン４と５に重ねられる。細長いゲート電極７
〜２６は第１の実施例においてはｙ座標に平行に配置さ
れ、長手方向のｘ座標に対して垂直にまっすぐな電極列
を形成する。その場合電極列の方向に対して垂直に延び
る入力ゾーン２、出力ゾーン３及びゲート電極７〜２６
の寸法はほぼ同一の大きさを有する。

【００１６】図２と図３に示す本発明の磁場センサの第
２の実施例は２つの相違点があるが第１の実施例とほぼ
同様に形成されている。第２の実施例においてはこれら
の相違点も必要に応じて設ければ済むことはもちろんで
ある。第１の相違点は２つの接点ゾーン４あるいは５の
いずれか（例えば第２の接点ゾーン５）並びに入力ゾー
ン２と出力ゾーン３の３つはすべて少なくとも１つの電
気的な接続素子４７によって互いに接続されていること
である。その場合電気的な接続素子４７は好ましくは不
純物原子で濃くドーピングされた第１の導電型Ｎ+の半
導体材料から形成される。

【００１７】第２の相違点は２つの接点ゾーン４、５の
うち少なくとも一方（例えば第１の接点ゾーン４）が複
数の接点ゾーン部分４Ａ、４Ｂ、４Ｃ及び４Ｄから形成
されていることであって、これらの接点ゾーン部のそれ
ぞれに複数の連続した異なる中央ゲート電極１５ないし
１６ないし１７ないし１８が接続される。ゲート電極の
一端は対応する接点ゾーン４Ａ、４Ｂ、４Ｃないし４Ｄ
と少なくとも一部が重ねられる。

【００１８】さらに絶縁層６上には少なくとも１つの読
み取り電極４８が配置され（図３を参照）、読み取り電
極はそれぞれ接点ゾーン部分４Ａ、４Ｂ、４Ｃ、４Ｄ及
び他の接点ゾーン５０と少なくとも一部が重なって配置
されている。その場合他の接点ゾーン５０は、複数の接
点ゾーン部分４Ａ、４Ｂ、４Ｃ、４Ｄからなる接点ゾー
ン４に関連するセンサ端子Ｓ１と接続される。接点ゾー
ン５０は不純物原子で濃くドーピングされた第１の導電
型Ｎ+の半導体材料から形成され、第２の導電型Ｐの半
導体材料１内の外面に配置される。接点ゾーン部分４Ａ
〜４Ｄはゲート電極７〜２６とほぼ同一の幅を有する。
読み取り電極４８には端子４９が設けられている。

【００１９】図４に示す本発明磁場センサの第３の実施
例は、第２の実施例とほぼ同一であるが、次のような相
違点、即ち第１の接点ゾーン４が接点ゾーン部分４Ａ〜
４Ｄから形成されていないこと、入力ゾーン２と出力ゾ
ーン３が設けられていないこと、２つの接点ゾーン４あ
るいは５のうち一方（例えば第１の接点ゾーン４）が中
央に配置されていること、２つの接点ゾーン５あるいは
４の他方（例えば第２の接点ゾーン５）がリング状の形
状を有し中央に配置された第１の接点ゾーン４を距離を
隔てて包囲していることの相違点を有している。細長い
ゲート電極７〜２６は絶縁層６上の両接点ゾーン４と５
間にリングの周面に対して垂直に配置されており、その
両端部は両接点ゾーン４と５のそれぞれと少なくとも一
部が重なって配置されている。

【００２０】図５に示す本発明磁場センサの第４の実施
例は、第３の実施例とほぼ同様であるが、次のような相
違点、即ち中央に配置された第１の接点ゾーン４が円形
の形状を有すること、リングの形状を有する第２の接点
ゾーン５が円形リングの形状を有すること、両接点ゾー
ン４と５が同心であることの相違点を有する。

【００２１】第３と第４の実施例においては電荷結合回
路の出力と入力は実際には互いに接続されているので、
電荷担体は円形状に転送される。

【００２２】最初の４つの実施例と後述の第７の実施例
においては電荷結合回路はそれぞれ１つしか設けられな
い。それに対して図６と図７に示す本発明磁場センサの
第５と第６の実施例においては、第２の導電型Ｐの半導
体材料に電荷結合されたほぼ同一の複数の回路が設けら
れており、これら回路はすべて電気的に直列に接続され
ている。その場合にすべての電荷結合回路の入力ゾーン
２と出力ゾーン３と２つの接点ゾーン４あるいは５の一
方（例えば第２の接点ゾーン５）は電気的な接続部４７
によって互いに接続されており、２つの接点ゾーン５あ
るいは４の一方（例えば第１の接点ゾーン４）は電荷結
合回路の中央に配置される。それぞれ電荷結合回路の少
なくとも１つの中央のゲート電極の両端部は、それぞれ
両接点ゾーン４と５のそれぞれと重なるように配置され
る。図６と図７においては電荷結合された各回路の中央
の４つのゲート電極１５〜１８が一部接点ゾーン４と５
と重なるように配置されている。

【００２３】図６に示す本発明の磁場センサの第５の実
施例においては２つの電荷結合回路５１と５２が第２の
導電型Ｐの半導体材料１に設けられ、かつ空間的に平行
に配置されている。この第５の実施例においては電荷担
体は２つの電荷結合回路を通して平行ではあるが反対の
方向へ転送される。

【００２４】図７に示す本発明磁場センサの第６の実施
例においては、４つの電荷結合回路５１〜５４が第２の
導電型Ｐの半導体材料１に設けられており、中央に配置
された接点ゾーン４の上面は十字の形状を有する。４つ
の電荷結合回路５１〜５４は中央に配置された第１の接
点ゾーン４を中心にそれぞれ四角形の一辺に沿って配置
され、その側面は十字の辺の軸線に対して平行に延びて
いる。各電荷結合回路５１、５２、５３、５４には十字
の辺の半分が対応している。各電荷結合回路５１〜５４
の中央の４つのゲート電極はそれぞれ、該当する電荷結
合回路に対応する十字ビームの端部と重なっている。こ
の第６の実施例においては電荷担体は異なる４つの方向
に転送される。

【００２５】図８と図９には本発明装置の第１の実施例
が再度詳細に図示されている。ゲート電極７〜２６の２
０のゲート端子２７〜４６のそれぞれにはゲート電圧φ
１、φ２、．．．、φ１９ないしφ２０が発生し、その
ゲート電圧の時間的な特性が図１０の最初の８段に示さ
れている。絶縁層６には半導体材料１の電気端子５５を
通す切欠きが形成されており、端子５５には磁場センサ
の最も低い電圧Ｖsが印加される。Ｖsは例えば−５ボル
トである。入力ゾーン２と出力ゾーン３の端子Ｃ１とＣ
２には例えば０ボルトが印加される。その場合、第２か
ら第６の実施例の磁場センサの出力電圧Ｖs1、s2はアー
ス電位である。というのは電気的な接続素子４７によっ
てセンサ端子Ｓ２に発生する電圧も０ボルトになるから
である。それに対して第１の実施例の磁場センサ（図１
と図３を参照）の出力電圧Ｖs1、s2は「浮動」とするこ
ともできる。隣接する２つの平行なゲート電極の中心線
間の距離がδｘで示されている。ゲート電極７〜２６の
長手方向に対して平行に測定した２つの接点ゾーン４と
５間の距離はＬであり、２つの接点ゾーン４と５の一部
と重なる中央のゲート電極１５〜１８の有効長さに相当
する。

【００２６】電荷結合回路は通常３つの位相のみを有す
る。すなわち位相内で移動される異なるゲート電圧φ
１、φ２、φ３は３つだけである。それに対して磁場セ
ンサに使用される電荷結合回路は好ましくは少なくとも
４つの位相を有する。以下においては８つの位相が存在
するものと仮定する。すなわち電荷結合回路を駆動する
コントロール信号として位相内に異なる８つのゲート電
圧φ１、．．．、φ７及びφ８が存在するものとする。
その場合には次の関係が成立する。φ１＝φ９＝φ１
７、φ２＝φ１０＝φ１８、φ３＝φ１１＝φ１９、φ
４＝φ１２＝φ２０、φ５＝φ１３、φ６＝φ１４、φ
７＝φ１５、φ８＝φ１６。

【００２７】ゲート電圧φ１〜φ８は図１０の最初の８
段に時間ｔの関数として示されている。ゲート電圧はそ
れぞれ階段状の形状を有し、それぞれ時間ｔにおいて隣
接の先行するゲート電圧に対して１つの階段の期間δｔ
＝１／ｆだけずれている。なお、ｆはゲート電圧のクロ
ック周波数を示す。換言すると、φ２はφ１に対して、
φ３はφ２に対して、φ４はφ３に対して、φ５はφ４
に対して、φ６はφ５に対して、φ７はφ６に対して、
φ８はφ７に対して時間的にδｔだけずれている。なお
階段の値は例えば−４ボルトから＋４ボルトの間であっ
て、例えばサイン形状電圧の非連続のクロック値であ
る。この種のサイン形状の電圧が図１０の最初の段に破
線で図示されている。ゲート電圧φ１〜φ８の階段状の
非連続の値を得るために、サイン形状の電圧の周期が時
間的に同一長さの整数の期間δｔに分割される。その場
合整数は使用される位相の数に相当し、図では８に等し
い。

【００２８】図１０にはゲート電圧毎にそれぞれ１８段
の階段が図示されており、その時間中央値は時点ｔ１、
ｔ２、．．．、ｔ１７、ｔ１８に対応する。その場合、
ゲート電圧の非連続の値、すなわち階段の値は、例えば
１８段の各階段の幅δｔの中央における時点ｔ１からｔ
１８のサイン形状電圧の値である。サイン形状の電圧の
代わりに、例えば時間ｔを関数とする不図示の周期的な
鋸歯状電圧を使用することもできる。

【００２９】第２の実施例（図２を参照）において読み
取りゲート電極４８が設けられている場合には、その端
子４９に電圧ＶRを印加することが必要であって、その
時間的な特性が図１０の９段目に図示されている。電圧
ＶRは非常に短い矩形パルス列から形成され、矩形パル
スはゲート電圧φ１〜φ８の階段の端部と時間的に一致
し、電圧ＶRの立下がり端はゲート電圧φ１〜φ８の階
段の端縁と時間的に一致する。電圧ＶRによって接点ゾ
ーン部分４Ａ〜４Ｄに発生する電圧をクロック読み取り
することが可能になる。それによって、短絡効果を除去
することが可能になる。この短絡効果は、電気的に極め
て良好な導体である接点ゾーン４と５の両端部が通常電
荷結合回路内に存在する複数の電荷担体パケットを短絡
することによって発生する。

【００３０】クロック読み取りする場合には、接点ゾー
ン４Ａ、４Ｂ、４Ｃあるいは４Ｄのうち１つだけと接触
する各ゲート電極の下方にあるそれぞれ１つだけの電荷
担体パケットが読み取りゲート電極４８によって転送周
期の最後に、すなわち時間的に階段の最後のところで、
電圧ＶRの矩形パルス期間間に他の接点ゾーン５０、従
って磁場センサの出力のセンサ端子Ｓ１に短時間接続さ
れる。

【００３１】次に、図１１を用いて本発明の磁場センサ
の動作を簡単に説明する。図１１の第１段目には本発明
磁場センサの第１の実施例の概略断面が示されている。
ｔ１、ｔ２、．．．、ｔ７ないしｔ８の各時点において
ゲート電極７〜２６のｘ方向に階段状の電圧が各ゲート
電極７〜２６に発生する。電気的なポテンシャルエネル
ギＥP1、ＥP2、．．．、ＥP7、ＥP8はゲート電極７〜２
６の下方の半導体材料１内のゲート電極外面に対応す
る。各ポテンシャルエネルギがｘの関数として階段状の
カーブで図１１の下８段に図示されている。なお、δｘ
は互いに連続する２つの階段の中心間のｘ方向における
距離に相当する。

【００３２】入力ゾーン２及び出力ゾーン３と、各ゾー
ンに一番近傍に位置し接点ゾーン４と５の一部に重なる
中央のゲート電極１５ないし１８との間には、存在する
位相と少なくとも同数の階段が存在しなければならな
い。従って図においてはこれは少なくとも８つの階段と
なる。最も低い電気ポテンシャルエネルギを有する空間
的領域δｘは、ポテンシャル井戸（potential well）
である。ポテンシャル井戸には電子が満たされており、
図１１ではハッチングで示されている。入力ゾーン２及
び出力ゾーン３の下方にも非常の低電位のポテンシャル
エネルギが存在するので、この領域も図１１ではハッチ
ングで示されている。

【００３３】不純物原子で濃くドーピングされた入力ゾ
ーン２は新しい電荷担体パケットを発生させる電荷担体
源として用いられ、新しい電荷担体パケットは次にゲー
ト電圧φ１がクロックされるときには第１のゲート電極
７の下方へ移動される。各ポテンシャル井戸において電
荷担体逆転層が出現し、それによって局所的に幅δｘの
電荷担体パケットが形成される。

【００３４】図１１から明らかなように、ポテンシャル
井戸、従って時点ｔ１において第１のゲート電極７の下
方に位置する電荷担体パケットは半導体材料１の外面に
沿って図中左から右へ歩進的に移動するので、時点ｔ２
ではゲート電極８の下方、時点ｔ３ではゲート電極９の
下方、時点ｔ４ではゲート電極１０の下方、時点ｔ５で
はゲート電極１１の下方、時点ｔ６ではゲート電極１２
の下方、時点ｔ７ではゲート電極１３の下方、時点ｔ８
ではゲート電極１４の下方、．．．に来る。不図示の時
点ｔ２１において、ポテンシャル井戸は出力ゾーン３の
下方に達する。

【００３５】従ってゲート電圧φ１からφ８は半導体材
料１の外面に沿って移動する一種の電気的なポテンシャ
ル波を発生させる。出力ゾーン３は最後に最後のゲート
電極２６から供給され、到着する電荷担体パケットを捕
捉する。なお、入力ゾーン２と出力ゾーン３の機能は、
駆動中でも互いに交換可能であって、それぞれ電荷担体
パケットの転送方向を決定する。

【００３６】第３と第４の実施例においてはそれぞれ入
力ゾーン２と出力ゾーン３が設けられていない。その場
合、電荷担体パケットは半導体材料１内で内部の電荷担
体発生源によって形成され、発生された電荷担体パケッ
トは所定の時間経過後にゆっくりと２、３秒でポテンシ
ャル井戸に対応するゲート電極の下方に収集される。

【００３７】適当なゲート電圧φ１からφ８が、電荷結
合回路５１〜５４のゲート電極７から２６に印加された
後に、細長い電荷担体パケットが半導体材料のゲート電
極７から２６を有する外面に沿ってｘ方向へ移動する。
従って電荷結合回路内には細長い電荷担体パケットが発
生し、電荷担体パケットはゲート電圧φ１〜φ８の作用
を受けて電荷結合回路のアクティブゾーンを通過する。
この場合電荷担体の転送は通常のドリフト効果あるいは
拡散効果によるものではない。電荷担体の転送方向がそ
れぞれ矢印で図示されている。

【００３８】サーファーが波乗りをする場合と同様に電
荷担体、例えば電子が電気ポテンシャル波を移動する平
均速度は、電気ポテンシャル波の群速度に等しい。第１
近似において電荷担体の熱移動を無視する場合には電荷
担体の速度は電荷担体パケットの速度ｖに等しい。この
速度は装置の幾何学構成のみに、特に隣接し合う２つの
ゲート電極間の距離δｘとゲート電圧φ１〜φ８のクロ
ック周波数ｆに関係する。というのはｖ＝δｘ／δｔ＝
δｘ・ｆだからである。電荷担体パケットが半導体材料
１の外面に沿ってできるだけ「ソフトに」移動できるよ
うにするためには、電荷結合回路はできるだけ多くの位
相、本実施例においては３つ以上の位相を持たなければ
ならない。というのは電荷担体パケットの移動ステップ
は、ゲート電圧のディスクリートな値を発生させるため
に用いられるサイン形状ないし鋸歯状の信号の周期が決
っている場合には、位相が多いほど小さくなるからであ
る。

【００３９】以上説明した電荷結合回路の動作は通常か
つ公知のものであって、従って電荷結合回路を変化させ
ないと、そのままでは磁場の測定には使用することがで
きない。従来の電荷結合回路は「タイミング」と転送さ
れる電荷担体パケット内の電荷量に関して最適にされて
いる。本発明の磁場センサに使用される電荷結合回路で
はタイミングは重要であるが、電荷担体パケット内の電
荷量は副次的な意味しか持たない。

【００４０】次に、電荷結合回路から磁場測定装置を構
成する本発明の磁場センサの動作を説明する。

【００４１】電荷結合回路が、最初の６つの実施例にお
いては半導体材料１の外面に対して垂直に延びる磁場な
いしそれに関連する磁束Ｂを受けると、磁場ないし磁束
Ｂを受ける移動電荷担体パケットは、電荷担体パケット
の長手方向に対して平行で、従ってゲート電極７〜２６
の長手方向に対しても平行な方向を有するローレンツの
力を受ける。

【００４２】その場合、ｑを電荷担体、例えば電子の電
荷量とすると、 Ｆ＝ｑ・（ｖ・Ｂ） が成立する。

【００４３】ローレンツの力Ｆによってそれぞれ電荷担
体パケットの一方側の電荷担体が濃厚になり、他方側の
電荷担体が希薄になる。細長い電荷担体パケットに沿っ
て電荷担体が不均一に分布することにより、電荷担体パ
ケットに沿って電場が形成され、それによって両端部間
に電圧差が発生する。この電圧差は電荷担体の長さが長
くなるほど、そして中央のゲート電極１５〜１８の有効
長さＬが大きくなるほど増大する。中央のゲート電極１
５〜１８の下方に位置する電荷担体パケットの両端部は
少なくとも時間的に接点ゾーン４と５に電気的に接触
し、それによってセンサ端子Ｓ１とＳ２とも接触するの
で、上述の電圧差が磁場センサの出力電圧Ｖs1、s2に等
しい電圧になる。

【００４４】その場合に Ｖs1、s2＝ｖ・Ｂ・Ｌ＝Ｖs1、s2＝δｘ・ｆ・Ｂ・Ｌ が成立する。

【００４５】このようにして求められた、磁場センサの
センサ端子Ｓ１とＳ２に発生する出力電圧は、磁束Ｂに
比例し、中央のゲート電極１５〜１８の有効長さＬに比
例し、さらに電荷担体パケットの速度に比例する。この
速度はすでに説明したようにδｘとゲート電圧φ１〜φ
８のクロック周波数のみに関係する。この場合Ｌとδｘ
は磁場センサの幾何学的パラメータだけに関係する。従
って本発明の磁場センサの出力電圧Ｖs1、s2はホール効
果素子の出力電圧とは異なり、供給電圧条件、電荷担体
の移動度、電荷担体濃度及び環境条件とは無関係であ
る。

【００４６】δｘ＝１０μ、Ｌ＝１ｍｍ、Ｂ＝１Tesl
a、ｆ＝１０ＭＨｚとすると、例えばＶs1、s2＝１００
ｍＶである。

【００４７】図１２と図１３に示す本発明磁場センサの
第７の実施例は、例えば半導体材料１の外面に対して平
行な有効磁場ないし磁束Ｂを測定するのに用いられる。

【００４８】図示の第７の実施例は第１の実施例と同様
に形成されているが、次のような相違を有する。すなわ
ち第７の実施例においては、第２の導電型Ｐの半導体材
料１の絶縁層６で覆われた外面は、少なくとも各電荷結
合回路の箇所に床面５６を有する細長い丘の形状を有
し、この丘は長手軸に対してほぼ台形状の断面を有し、
その基部は床面５６に包囲されている。その場合、それ
ぞれの電荷結合回路にこの種の丘が設けられる。図１３
には電荷結合回路５１は１つしか示されていない。丘は
例えば従来のＶ溝エッチング法で形成することができ
る。

【００４９】各丘の頂上のほぼ中央に第２の接点ゾーン
５が、そして床面５６の丘の基部の両側の同一高さに第
１の接点ゾーン４のそれぞれ２つの半体４ａ、４ｂが配
置されており、両半体４ａ、４ｂが外部で電気的に互い
に接続されて第１の接点ゾーン４を形成している。各電
荷結合回路のゲート電極７〜２６、入力ゾーン２と出力
ゾーン３は細片状であって、丘の台形状の断面の外周に
沿って平行に配置されており、これらの下方はそれぞれ
の丘の両側で床面５６の一部を覆っている。その場合、
各電荷結合回路の少なくとも中央のゲート電極１５、１
６、１７あるいは１８の中央が丘の頂上で破断されてい
るので、これらゲート電極は２つのＺ字状のゲート電極
部分１５ａ、１５ｂないし１６ａ、１６ｂないし１７
ａ、１７ｂないし１８ａ、１８ｂから形成され、その両
端の少なくとも一部はそれぞれ第２の接点ゾーン５並び
に第１の接点ゾーン４の半体４ａないし４ｂと重なって
配置されている。

【００５０】両半体４ａと４ｂは不純物原子で濃くドー
ピングされた第１の導電型Ｎ+の半導体材料から形成さ
れ、それぞれセンサ端子Ｓ１ａないしＳ１ｂを有し、セ
ンサ端子は絶縁層６の２つの切欠きを横断しているの
で、それによって外部で互いに電気的に接続することが
できる。図１３においては、４つのゲート電極１５〜１
８の全てが２つのゲート電極部分に分割されているもの
とする。それぞれのゲート電極部分１５ａ〜１８ａと１
５ｂ〜１８ｂはそれぞれゲート端子３５ａ、３６ａ、３
７ａ、３８ａ、３５ｂ、３６ｂ、３７ｂあるいは３８ｂ
を有し、ここではゲート端子３５ａと３５ｂ、３６ａと
３６ｂ、３７ａと３７ｂ及び３８ａと３８ｂはそれぞれ
外部で互いに電気的に接続されている。

【００５１】ゲート電極の長さは、床面５６に対して垂
直に延びる方向を有する有効長さＬと、床面５６に対し
て平行に延びる非有効長さにベクトル的に分解すること
ができる。測定すべき磁場ないしそれに関連する磁束Ｂ
の方向と電荷担体パケットの方向はこの場合も互いに垂
直で、ゲート電極７〜２６の有効長さＬに対しても垂直
であるので、第７の実施例も最初の６つの実施例と同様
に作動する。

【００５２】

【発明の効果】以上の説明から明らかなように、この磁
場センサは、磁場を高精度で測定することができ、かつ
従来の標準集積回路ＭＯＳ技術で形成することができ、
かつ他の工程なしで従来の複雑な集積ＭＯＳ回路に組み
込むことができる。その出力信号は使用する半導体材料
の特性及び環境条件に左右されない。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の磁場センサの第１の実施例を示す概略
上面図である。

【図２】本発明の磁場センサの第２の実施例を示す概略
上面図である。

【図３】図２に示す本発明の磁場センサの第２の実施例
の断面図である。

【図４】本発明の磁場センサの第３の実施例を示す概略
上面図である。

【図５】本発明の磁場センサの第４の実施例を示す概略
上面図である。

【図６】本発明の磁場センサの第５の実施例を示す概略
上面図である。

【図７】本発明の磁場センサの第６の実施例を示す概略
上面図である。

【図８】本発明の磁場センサの第１の実施例の断面図で
ある。

【図９】本発明の磁場センサの第１の実施例の上面図で
ある。

【図１０】ゲート電極に発生する電圧の時間的な特性を
示す線図である。

【図１１】種々の時点でゲート電極の下方に発生する電
気ポテンシャルエネルギを示す線図である。

【図１２】本発明の磁場センサの第７の実施例の断面図
である。

【図１３】本発明の磁場センサの第７の実施例の上面図
である。

【符号の説明】

１ 半導体材料 ２ 入力ゾーン ３ 出力ゾーン ４、５ 接点ゾーン ６ 絶縁層 ７〜２６ ゲート電極

Claims (11)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 第１の接点ゾーン（４ないし４Ａ〜４
   Ｄ）及び第２の接点ゾーン（５）を有し、両接点ゾーン
   が第１の導電型（Ｎ+）の半導体材料から構成されて第
   ２の導電型（Ｐ）の半導体材料（１）内の外面に配置さ
   れ、かつ両接点ゾーンのそれぞれにセンサ端子（Ｓ１な
   いしＳ２）が設けられ、更に第２の導電型（Ｐ）の半導
   体材料（１）の外面に配置されセンサ端子（Ｓ１、Ｓ
   ２）を通す切欠きを有する絶縁層（６）が設けられる磁
   場センサにおいて、 第１と第２の接点ゾーン（４、５）が不純物原子で濃く
   ドーピングされており、 所定方向に電極列を形成し電極列の方向に対して垂直の
   方向に細長い形状を有する少なくとも１つの電荷結合回
   路（５１、５２、５３、５４）のゲート電極（７〜２
   ６）が絶縁層（６）上に配置され、 両接点ゾーン（４、５）間の絶縁層（６）上に配置され
   た少なくとも１つの中央電極（１５、１６、１７、１
   ８）の両端部が両接点ゾーン（４ないし４Ａ、４Ｂ、４
   Ｃ、４Ｄ及び５）のそれぞれ上に少なくとも一部が重ね
   られて配置されることを特徴とする磁場センサ。
2. 【請求項２】 両接点ゾーンの一方（４）が中央に配置
   され、両接点ゾーンの他方（５）が中央に配置された接
   点ゾーン（４）を距離を隔てて包囲するリング形状を有
   し、 細長いゲート電極（７〜２６）が両接点ゾーン（４、
   ５）間の絶縁層（６）上でリングの周面に対して垂直に
   配置され、 ゲート電極（７〜２６）の両端部が２つの接点ゾーン
   （４、５）のそれぞれ上に少なくとも一部が重ねられて
   配置されることを特徴とする請求項１に記載の磁場セン
   サ。
3. 【請求項３】 中央に配置された接点ゾーン（４）が円
   形状を有し、 リング形状を有する接点ゾーン（５）が円形のリング形
   状を有し、 両接点ゾーン（４、５）が同心であることを特徴とする
   請求項２に記載の磁場センサ。
4. 【請求項４】 細長いゲート電極（７〜２６）が平行に
   配置されてその長さ方向に対して垂直にまっすぐな電極
   列を形成し、 電荷結合回路（５１、５２、５３、５４）の入力ゾーン
   （２）と出力ゾーン（３）が第２の導電型（Ｐ）の半導
   体材料（１）内に配置され、前記入力及び出力ゾーンは
   不純物原子で濃くドーピングされた第１の導電型（Ｎ
   +）の半導体材料（１）から形成されており、 ゲート電極（７〜２６）、入力ゾーン（２）及び出力ゾ
   ーン（３）の電極列に対して垂直に延びる寸法がほぼ同
   一の大きさであることを特徴とする請求項１に記載の磁
   場センサ。
5. 【請求項５】 両接点ゾーンの一方（５）、入力ゾーン
   （２）、出力ゾーン（３）の３つすべてが少なくとも１
   つの接続素子（４７）によって互いに電気的に接続され
   ることを特徴とする請求項４に記載の磁場センサ。
6. 【請求項６】 第２の導電型（Ｐ）の半導体材料（１）
   内に、電気的に直列に接続されたほぼ同一の複数の電荷
   結合回路（５１〜５４）が設けられており、 すべての電荷結合回路（５１〜５４）の入力ゾーン
   （２）と出力ゾーン（３）及び両接点ゾーンの一方
   （５）が少なくとも１つの電気的な接続素子（４７）に
   よって互いに接続され、一方両接点ゾーンの他方（４）
   は電荷結合回路（５１〜５４）に対して中央に配置され
   ており、 電荷結合回路（５１〜５４）のそれぞれの少なくとも中
   央のゲート電極（１５〜１８）の両端部が、両接点ゾー
   ン（４、５）のそれぞれ上に重ねられて配置されること
   を特徴とする請求項４に記載の磁場センサ。
7. 【請求項７】 ２つの電荷結合回路（５１、５２）が第
   ２の導電型（Ｐ）の半導体材料（１）に設けられ、空間
   的に平行に配置されることを特徴とする請求項６に記載
   の磁場センサ。
8. 【請求項８】 ４つの電荷結合回路（５１〜５４）が第
   ２の導電型（Ｐ）の半導体材料（１）に設けられ、 中央に配置された接点ゾーン（４）が十字の形状を有
   し、 ４つの電荷結合回路（５１〜５４）が中央に配置された
   接点ゾーン（４）を中心に、十字の辺に対して平行に延
   びる側を有する四角形のそれぞれの側に沿って配置され
   ることを特徴とする請求項６に記載の磁場センサ。
9. 【請求項９】 電気的接続素子（４７）が、不純物原子
   で濃くドーピングされた第１の導電型（Ｎ+）の半導体
   材料（１）から形成されることを特徴とする請求項５か
   ら８のいずれか１項に記載の磁場センサ。
10. 【請求項１０】 絶縁層（６）で覆われた第２の導電型
    （Ｐ）の半導体材料（１）の外面が少なくとも各電荷結
    合回路（５１、５２、５３、５４）の箇所において細長
    い丘の形状を有し、この丘が長手軸線に対してほぼ台形
    状の断面を有し、かつその基部が床面（５６）によって
    包囲されており、 各丘の頂上のほぼ中央に第２の接点ゾーン（５）が、そ
    して床面（５６）の丘の基部の両側の同じ高さに第１の
    接点ゾーン（４）のそれぞれ２つの半体（４ａ、４ｂ）
    が設けられており、これら半体（４ａ、４ｂ）が外部で
    電気的に互いに接続されて第１の接点ゾーン（４）を形
    成し、 ゲート電極（７〜２６）、各電荷結合回路（５１、５
    ２、５３、５４）の入力ゾーン（２）と出力ゾーン
    （３）が細片状であって、関連する丘の台形状断面の外
    周に沿って平行に配置されており、一方これらの下方が
    それぞれの丘の両側で床面（５６）の一部を覆ってお
    り、また各電荷結合回路の少なくとも１つの中央電極
    （１５ないし１６ないし１７ないし１８）の中央が丘の
    頂上で破断されていて、それによりＺ字状の２つのゲー
    ト電極部分（１５ａ、１５ｂないし１６ａ、１６ｂない
    し１７ａ、１７ｂないし１８ａ、１８ｂ）が形成され、
    その両端部の少なくとも一部はそれぞれ第２の接点ゾー
    ン（５）及び第１の接点ゾーン（４）の半体（４ａない
    し４ｂ）と重ねて配置されることを特徴とする請求項１
    から９のいずれか１項に記載の磁場センサ。
11. 【請求項１１】 ２つの接点ゾーンの少なくとも一方
    （４）が複数の接点ゾーン部分（４Ａ、４Ｂ、４Ｃ、４
    Ｄ）から形成され、これらの接点ゾーン部分がゲート電
    極（７〜２６）とほぼ同一の幅を有し、また接点ゾーン
    部分に関連してそれぞれ異なる中央のゲート電極（１５
    ないし１６ないし１７ないし１８）が設けられ、これら
    のゲート電極の一方の端部の少なくとも一部が対応する
    接点ゾーン部分（４Ａ、４Ｂ、４Ｃ、４Ｄ）と重ねられ
    て、あるいは該当する接点ゾーン部分（４Ａ、４Ｂ、４
    Ｃ、４Ｄ）の端縁に対して少なくともマイクロメートル
    のオーダーの距離を有して配置されており、 絶縁層（６）上には少なくとも１つの読み取り電極（４
    ８）が配置され、読み取り電極はそれぞれ接点ゾーン部
    分（４Ａ、４Ｂ、４Ｃ、４Ｄ）及び他の接点ゾーン（５
    ０）と少なくとも一部重ねられて配置され、他の接点ゾ
    ーン（５０）は複数の接点ゾーン部分（４Ａ、４Ｂ、４
    Ｃ、４Ｄ）からなる接点ゾーン（４）に関連するセンサ
    端子（Ｓ１）と接続されており、前記接点ゾーン（５
    ０）は不純物原子で濃くドーピングされた第１の導電型
    （Ｎ+）の半導体材料（１）から形成されて第２の導電
    型（Ｐ）の半導体材料（１）内の外面に配置されること
    を特徴とする請求項１から１０のいずれか１項に記載の
    磁場センサ。