TWI397710B - Semiconductor magnetic sensor - Google Patents

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Description

半導體磁感測器
本發明係有關一種檢測出從外部施加的磁場之磁束密度的半導體磁感測器。
現在,多利用磁電變換的霍耳元件做為感測器。例如,利用霍耳元件做為檢測出觸發型行動電話的開關之感測器。此時的霍耳元件做為無接點開關的功能。
說明用來搭載該霍耳元件的半導體磁感測器。第4圖係以往的半導體磁感測器之平面圖。
霍耳元件300的端子C301係介由配線N303與電晶體MP301的汲極連接,端子C302係介由配線N304與電晶體MP302的汲極連接,端子C303係介由配線N305與電晶體MN301的汲極連接,端子C304係介由配線N306與電晶體MN302的汲極連接。電晶體MP301及電晶體MP302的源極係與電源端子N301連接,電晶體MN301及電晶體MN302的源極係與接地端子N302連接。電晶體MP301、電晶體MP302、電晶體MN301、以及電晶體MN302的閘極,係與搭載於相同半導體裝置內部的邏輯電路連接。又,端子C301、端子C302、端子C303、及端子C304,係連接於搭載於相同半導體裝置內部的取樣電路。
霍耳元件300係進行磁電變換,並檢測出從外部施加的磁鐵等之磁場的磁束密度。邏輯電路係為了變更霍耳元 件300內部的電流路徑,而輸出用來開關控制電晶體MP301、電晶體MP301、電晶體MN301及電晶體MN302的控制信號。電晶體MP301、電晶體MP301、電晶體MN301及電晶體MN302,係用來驅動霍耳元件300。取樣電路係用來取樣:在端子C301和端子C303之間所產生的電壓、或在端子C302和端子C304之間所產生的電壓。
在此,如第4圖所示,配線N304在霍耳元件300附近圍繞,配線N305也在霍耳元件300附近圍繞。
此外,在專利文獻1中,亦有提案以如第4圖的配線所構成的磁感測器之技術。
[專利文獻1]日本特開2000-147080號公報
然而,依據畢奧-薩瓦特定律(Biot-Savart's Law)的法則,在各配線流動的電流之周圍產生磁場。這些磁場與霍耳元件300鏈交。
藉此,霍耳元件300應檢測出從外部施加的磁鐵等之磁場的磁束密度,但由於亦檢測出在各配線流動的電流所產生的磁場之磁束密度,因此半導體磁感測器無法正確的檢測出從外部所施加的磁場之磁束密度。
本發明係有鑑於上述課題而研創者,目的在於提供一種可以正確的檢測出從外部所施加的磁場之磁束密度的半導體磁感測器。
本發明為了解決上述課題而提供一種半導體磁感測器,係用來檢測出從外部施加的磁場之磁束密度,其特徵為具備有:形成正方形或長方形,進行磁電變換的霍耳元件;形成於前述霍耳元件的一邊側,於設置在前述一邊的第一端子連接汲極,於電源端子連接源極,驅動前述霍耳元件的第一電晶體;形成於前述一邊側,於設置在前述一邊的第二端子連接汲極,於前述電源端子連接源極,驅動前述霍耳元件的第二電晶體;形成於與前述一邊相對向之另一邊側,於設置在前述另一邊的第三端子連接汲極,於接地端子連接源極,驅動前述霍耳元件的第三電晶體;以及形成於前述另一邊之側,於設置在前述另一邊的第四端子連接汲極,於前述接地端子連接源極,驅動前述霍耳元件的第四電晶體。
在本發明中,電晶體係形成在霍耳元件的一邊之側,在設置於其一邊的端子連接汲極。藉此,從電晶體之汲極到霍耳元件的配線可縮短,因此,因為在配線流動的電流引起的磁場不易與霍耳元件鏈交。藉此,半導體磁感測器,可正確的檢測出從外部施加的磁場之磁束密度。
以下,參照圖面,說明本發明的實施形態。
首先,說明搭載霍耳元件的半導體磁感測器之構成。第1圖係半導體磁感測器的平面圖。第2圖係半導體磁感測器的電路圖。
半導體磁感測器係具備有:P型的電晶體MP101、P型的電晶體MP102、N型的電晶體MN101以及N型的電晶體MN102,並具備霍耳元件100。該霍耳元件100係具備有:端子C101、端子C102、端子C103以及端子C104。又,半導體磁感測器係具備:邏輯電路(未圖示)以及取樣電路(未圖示)。
霍耳元件100的端子C101係介由配線N104連接於電晶體MP101的汲極,端子C102係介由配線N103連接於電晶體MP102的汲極,端子C103係介由配線N105連接於電晶體MN101的汲極,端子C104係介由配線N106連接於電晶體MN102的汲極。電晶體MP101及電晶體MP102的源極連接於電源端子N101,電晶體MN101及電晶體MN102的源極連接於端子N102。電晶體MP101、電晶體MP102、電晶體MN101及電晶體MN102的閘極,連接於搭載在相同半導體裝置內部的邏輯電路。又,端子C101、端子C102、端子C103及端子C104,係連接於搭載在相同半導體裝置內部的取樣電路。
電晶體MP101的閘極,係如第1圖所示,配置成櫛狀。電晶體MP101的汲極係被拉出到霍耳元件100側,源極係被拉出到霍耳元件100的相反側。連接於電晶體 MP101的汲極之配線N104係位於霍耳元件100側,連接於源極的電源端子N101係位於和霍耳元件100的相反側。電晶體MP102、電晶體MN101、及電晶體MN102也相同。
電晶體MP101係形成在霍耳元件100的一邊之側,汲極連接於設置在其一邊的端子C101,電晶體MP102也形成於其一邊側,汲極則連接於設置在其一邊的端子C102。電晶體MN101係形成在與其一邊相對向的另一邊側,汲極連接於設置在其另一邊的端子C103,電晶體MN102也形成在其另一邊側,汲極連接於設置在另一邊的端子C104。
又,當180度旋轉配線N103時,遮罩圖形佈局上和配線N106完全成為相同形狀。配線N103和霍耳元件100的位置關係,係與配線N106和霍耳元件100的位置關係和遮罩圖形佈局上完全相同。當180度旋轉配線N104時,遮罩圖形佈局上和配線N105完全成為相同形狀。配線N104和霍耳元件100的位置關係,係與配線N105和霍耳元件100的位置關係和遮罩佈局在設計上完全相同。換言之,電晶體MN101,係藉由180度旋轉具有電晶體MP101的汲極和端子C101之間的配線形狀、和遮罩圖形佈局上相同的配線形狀之配線,使汲極連接於端子C103。電晶體MN102,係藉由180度旋轉具有電晶體MP102的汲極和端子C102之間的配線形狀,和遮罩圖形佈局上相同的配線形狀之配線,使汲極連接於端子C104。
以正方形或長方形形成的霍耳元件100,係進行磁電變換,並檢測出從外部施加的磁鐵等磁場之磁束密度。邏輯電路由於變更霍耳元件100內部的電流路徑,輸出用來開關控制電晶體MP101、電晶體MP102、電晶體MN101及電晶體MN102的控制信號。電晶體MP101、電晶體MP102、電晶體MN101及電晶體MN102,係用來驅動霍耳元件100。取樣電路係具備:開關電路(未圖示)、增幅器(未圖示)、電容(未圖示)等,用來取樣在端子C101和端子C103之間所產生的電壓、或在端子C102和端子C104之間所產生的電壓。
然後,說明半導體磁感測器的動作。第3圖係控制信號的定時圖。
再此,邏輯電路係將控制信號Φ 2X輸出到電晶體MP101,將控制信號Φ 1X輸出到電晶體MP102,將控制信號Φ 2輸出到電晶體MN101,將控制信號Φ 1輸出到電晶體MN102。
在第一時序時,控制信號Φ1成為高位準,而控制信號Φ 1X成為低位準,開啟電晶體MN102,而電晶體MP102也開啟。於是,霍耳元件驅動電流I101從霍耳元件100的端子C102流動到端子C104。此時,從霍耳元件驅動電流I101及外部施加至端子C101和端子C103之間,而產生因應與霍耳元件100鏈交的磁場之磁束密度的霍耳電壓,取樣電路則取樣該霍耳電壓。在第一時序時,端子C102及端子C104做為電流供給用的端子功能,而端子 C101及端子C103做為電壓檢測用的端子功能。
再此,開啟電晶體MP102,當電流I104流動到配線N103時,如第1圖所示,依據電流I104而在霍耳元件100產生磁場B101。然後,霍耳元件驅動電流I101係流動,當與電流I104大致相等的電流值之電流I105流動至配線N106時,依據電流I105,產生與磁場B101大致相等的絕對值之磁場B102。該磁場B102與磁場B101相比,方向為相反。
又,在第二時序時,控制信號Φ 1成為高位準,而控制信號Φ 1X成為低位準,開啟電晶體MN102,且電晶體MP102也開啟。於是,霍耳元件驅動電流從霍耳元件100的端子C101流動到端子C103。此時,從霍耳元件驅動電流及外部施加至端子C102和端子C104之間,而產生因應與霍耳元件100鏈交的磁場之磁束密度的霍耳電壓,取樣電路取樣該霍耳電壓。在第二時序時,端子C101及端子C103做為電流供給用的端子功能,而端子C102及端子C104做為電壓檢測用的端子功能。
如此,電晶體MP102的閘極係配置為櫛狀,朝向電晶體MP102的通道流動之電流I103,係以源極或汲極為中心朝向閘極正下方的通道幾何對稱的流動。藉此,從源極或汲極朝向一個閘極正下方的通道流動之電流、和朝向另一個閘極正下方的通道流動之電流,成為相同的電流量,成為正反相對之方向。藉此,藉由從源極或汲極朝向一個閘極正下方的通道流動的電流生成,且與霍耳元件100 鏈交的磁場,係藉由朝向其他閘極正下方通道流動的電流所生成,藉由與霍耳元件100鏈交的磁場來抵消。藉此,半導體磁感測器可正確檢測出從外部施加的磁場之磁束密度。電晶體MP101、電晶體MN101以及電晶體MN102亦相同。
又,由於磁場B101與磁場B102相比,方向相反、絕對值相等,因此藉由在配線N103流動的電流I104所生成,與霍耳元件100鏈交的磁場,係在配線N106流動的電流I105所生成,藉由與霍耳元件100鏈交的磁場,大致可以抵消。藉此,半導體磁感測器可正確檢測出從外部施加的磁場之磁束密度。
又,與以往相比,由於從電晶體的汲極往霍耳元件100的配線變短,因此在配線流動的電流所引起的磁場難以和霍耳元件100鏈交。藉此,半導體磁感測器可正確的檢測出來自外部施加的磁場之磁束密度。
又,藉由電晶體可確保在電源端子N101或接地端子N102和霍耳元件100之間的距離,因此在電源端子N101或接地端子N102流動的電流所引起的磁場,難以和霍耳元件100鏈交。藉此,半導體磁感測器可正確的檢測出來自外部施加的磁場之磁束密度。
再者,由於在霍耳元件100的附近不存在如以往被拉回的配線,因此半導體磁感測器的面積變小。
此外,由於當電晶體的通道寬度較長時,電晶體的開啟電阻變小,因此電晶體MP101、電晶體MP102、電晶體 MN101以及電晶體MN102的通道寬度越長越好。
又,在電晶體的汲極之配線和霍耳元件100之間設置有空間,來確保距離時,因為在配線流動的電流而產生的磁場,不容易和霍耳元件100鏈交,因此亦可設置其空間。
而且,本發明的半導體磁感測器,係檢測出從外部施加的磁場之磁束密度,並可應用在用來輸出依據檢測結果的信號之磁感測器IC。
又,本發明的半導體磁感測器,係檢測出來自外部施加的磁場之磁束密度,並應用在輸出依據檢測結果的類比電壓之磁感測器IC亦可。此時,以零磁場被輸出的類比電壓接近零位準,而降低輸出偏差電壓。
再者,本發明的半導體磁感測器,係檢測出外部施加的磁場之磁束密度,並比較檢測結果和臨限值,依據比較結果,輸出高位準或低位準的磁性開關IC亦可。
100‧‧‧霍耳元件
B101、B102‧‧‧磁場
C101、C102、C103、C104‧‧‧端子
I101、I102、I104、I105‧‧‧電流
MP101、MP102、MN101、MN102‧‧‧電晶體
N101‧‧‧電源端子
N102‧‧‧接地端子
N103、N104、N105、N106‧‧‧配線
第1圖係半導體磁感測器的平面圖。
第2圖係半導體磁感測器的電路圖。
第3圖係控制信號的定時圖。
第4圖係以往的半導體磁感測器之平面圖。
100‧‧‧霍耳元件
B101、B102‧‧‧磁場
C101、C102、C103、C104‧‧‧端子
I101、I103、I104、I105‧‧‧電流
MP101、MP102、MN101、MN102‧‧‧電晶體
N101‧‧‧電源端子
N102‧‧‧接地端子
N103、N104、N105、N106‧‧‧配線

Claims (2)

  1. 一種半導體磁感測器,係檢測出從外部施加的磁場之磁束密度,其特徵為具備有:形成正方形或長方形,進行磁電變換的霍耳元件;形成於前述霍耳元件的一邊側,於設置在前述一邊的第一端子連接汲極,於電源端子連接源極,驅動前述霍耳元件的第一電晶體;形成於前述一邊側,於設置在前述一邊的第二端子連接汲極,於前述電源端子連接源極,驅動前述霍耳元件的第二電晶體;形成於與前述一邊相對向之另一邊側,於設置在前述另一邊的第三端子連接汲極,於接地端子連接源極,驅動前述霍耳元件的第三電晶體;以及形成於前述另一邊之側,於設置在前述另一邊的第四端子連接汲極,於前述接地端子連接源極,驅動前述霍耳元件的第四電晶體。
  2. 如申請專利範圍第1項之半導體磁感測器,其中,前述第三電晶體係藉由180度旋轉具有前述第一電晶體的汲極和前述第一端子之間的配線形狀、及遮罩圖形佈局上相同的配線形狀之配線,使汲極與前述第三端子連接,前述第四電晶體係藉由180度旋轉具有前述第二電晶體的汲極和前述第二端子之間的配線形狀、及遮罩圖形佈局上相同的配線形狀之配線,使汲極與前述第四端子連接。
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