TWI476374B - Physical quantity sensor - Google Patents

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TWI476374B
TWI476374B TW099140807A TW99140807A TWI476374B TW I476374 B TWI476374 B TW I476374B TW 099140807 A TW099140807 A TW 099140807A TW 99140807 A TW99140807 A TW 99140807A TW I476374 B TWI476374 B TW I476374B
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transistor
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Manabu Fujimura
Minoru Ariyama
Daisuke Muraoka
Tomoki Hikichi
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Seiko Instr Inc
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01D—MEASURING NOT SPECIALLY ADAPTED FOR A SPECIFIC VARIABLE; ARRANGEMENTS FOR MEASURING TWO OR MORE VARIABLES NOT COVERED IN A SINGLE OTHER SUBCLASS; TARIFF METERING APPARATUS; MEASURING OR TESTING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01D3/00—Indicating or recording apparatus with provision for the special purposes referred to in the subgroups
    • G01D3/08—Indicating or recording apparatus with provision for the special purposes referred to in the subgroups with provision for safeguarding the apparatus, e.g. against abnormal operation, against breakdown

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  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Measuring Magnetic Variables (AREA)
  • Transmission And Conversion Of Sensor Element Output (AREA)

Description

物理量感測器
本發明係關於物理量感測器。
物理量感測器之例係針對傳統磁性感測器進行說明。第6圖，係傳統磁性感測器的電路圖。
首先，將信號S1控制於高電平，將信號S2控制於低電平。信號S1X，係信號S1之反轉信號，信號S2X，係信號S2之反轉信號。PMOS電晶體90及NMOS電晶體93為導通，偏壓電流經由該等電晶體流至磁性檢測元件98。如此，於磁性檢測元件98之第四端子與第一端子之間，發生以針對該偏壓電流及磁性檢測元件98之磁性為基礎的霍爾電壓Vh、與磁性檢測元件98之偏移電壓Voh之合計電壓Va。電壓Va，以下式(11)來表示。
Va=+Vh+Voh‧‧‧(11)
此時，因為開關94及95導通，故電壓Va被輸入放大器99。
其次，將信號S1控制於低電平，將信號S1X控制於高電平，將信號S2控制於高電平，將信號S2X控制於低電平。流至第三端子與第二端子間之磁性檢測元件98的偏壓電流，切換成流至第四端子與第一端子之間。發生於第四端子與第一端子間之磁性檢測元件98的霍爾電壓Vh，被切換成發生於第三端子與第二端子之間。此時之電 壓Vb，以下式(12)來表示。
Vb=-Vh+Voh‧‧‧(12)
此時，因為開關96及97導通，電壓Vb被輸入放大器99。
其後，被放大器99放大之電壓Va及電壓Vb，由未圖示之演算電路進行減算處理，偏移電壓Voh互相抵銷(例如，參照專利文獻1)。
[專利文獻1]日本特開2009-002851號公報
然而，於如上所述之磁性感測器，發生電壓Va時，斷開之PMOS電晶體91及NMOS電晶體92流通漏電流。此外，發生電壓Vb時，斷開之PMOS電晶體90及NMOS電晶體93流通漏電流。
所以，即使以同一尺寸製造PMOS電晶體90及91、與NMOS電晶體92及93，因為半導體製造誤差，漏電流不同。如此，偏移電壓Voh將無法順利互相抵銷，而降低磁性感測器之磁性檢測精度。
本發明，有鑑於上述課題，而提供可提高物理量檢測精度之物理量感測器。
為了解決上述課題，本發明提供一種物理量感測器，其特徵為具備：具有第一~第四開關，用以對物理量檢測元件供應偏壓電流之電流供應電路；橋接電阻型，具有第一~第四端子，根據偏壓電流及物理量來發生電壓之物理 量檢測元件；以及使電流供應電路斷開時之開關所流出之漏電流流至電源端子或接地端子之漏電流對策電路。
本發明時，即使電流供應電路斷開時之開關流通漏電流，因為針對電流供應電路配設著漏電流對策電路，斷開時之漏電流不易流入物理量檢測元件。如此，斷開時之漏電流，不易對以針對物理量檢測元件之物理量為基礎之電壓產生影響。所以，提高物理量感測器之物理量檢測精度。
以下，參照圖式，以磁性感測器為例，針對本發明之物理量感測器進行說明。
第1圖，係本實施形態之磁性感測器的電路圖。
本實施形態之磁性感測器，具備：PMOS電晶體11~16、NMOS電晶體21~26、磁性檢測元件31、放大器32、開關36~39、開關41~44、以及電容46~47。PMOS電晶體11及NMOS電晶體25、與PMOS電晶體14及NMOS電晶體22，構成電流供應電路。PMOS電晶體15及NMOS電晶體26，係針對PMOS電晶體14之漏電流對策電路。PMOS電晶體13及NMOS電晶體21，係針對NMOS電晶體22之漏電流對策電路。PMOS電晶體12及NMOS電晶體23，係針對PMOS電晶體11之漏電流對策電路。PMOS電晶體16及NMOS電晶體24，係針對NMOS電晶體25之漏電流對策電路。
第2圖，係本實施形態之磁性感測器之放大器之一例的電路圖。放大器32，例如，具備第一段放大器71、第一段放大器72、斬波電路73、以及第二段放大器74。
PMOS電晶體11~13之閘電壓，係由信號S1或信號S1X所控制，PMOS電晶體14~16之閘電壓，係由信號S2或信號S2X所控制。NMOS電晶體21~23之閘電壓，係由信號S2或信號S2X所控制，NMOS電晶體24~26之閘電壓，係由信號S1或信號S1X所控制。此外，開關36~37及開關41，係由信號S1或信號S1X所控制，開關38~39及開關42，係由信號S2或信號S2X所控制，開關43~44，係由信號S3所控制。
PMOS電晶體13之源極，連結於電源端子，汲極，則連結於NMOS電晶體21之源極與NMOS電晶體22之汲極之連結點。PMOS電晶體16之源極，連結於電源端子，汲極，則連結於NMOS電晶體24之源極與NMOS電晶體25之汲極之連結點。NMOS電晶體21之汲極，連結於磁性檢測元件31之第一端子。NMOS電晶體24之汲極，連結於磁性檢測元件31之第二端子。NMOS電晶體22及NMOS電晶體25之源極，連結於接地端子。
NMOS電晶體23之源極，連結於接地端子，汲極，則連結於PMOS電晶體11之汲極與PMOS電晶體12之源極之連結點。NMOS電晶體26之源極，連結於接地端子，汲極，則連結於PMOS電晶體14之汲極與PMOS電晶體15之源極之連結點。PMOS電晶體12之汲極，連結 於磁性檢測元件31之第三端子。PMOS電晶體15之汲極，則連結於磁性檢測元件31之第四端子。PMOS電晶體11及PMOS電晶體14之源極，連結於電源端子。
放大器32之非反轉輸入端子，經由開關38連結於磁性檢測元件31之第三端子，且，經由開關36連結於磁性檢測元件31之第四端子。放大器32之反轉輸入端子，經由開關37連結於磁性檢測元件31之第一端子，且，經由開關39連結於磁性檢測元件31之第二端子。
開關41及開關43，依序配設於放大器32之輸出端子與磁性感測器之輸出端子之間。開關42及開關44，依序配設於放大器32之輸出端子與磁性感測器之輸出端子之間。電容46，配設於開關41及開關43之連結點與接地端子之間。電容47，配設於開關42及開關44之連結點與接地端子之間。
此外，於放大器32，如第2圖所示，由第一段放大器71及第一段放大器72所形成之第一段放大段之輸出電壓，經由斬波電路73，輸入由第二段放大器74所形成之第二段放大段。
電流供應電路，對磁性檢測元件31供應偏壓電流。橋接電阻型之磁性檢測元件31，根據偏壓電流及磁性，發生霍爾電壓Vh。漏電流對策電路，使電流供應電路之斷開時之MOS電晶體所流通之漏電流，流入電源端子或接地端子。
其次，針對磁性感測器之動作進行說明。第3圖，係 本實施形態之磁性感測器之動作的時序圖。
首先，於期間t0<t<t1，將信號S1控制於高電平，而將信號S2控制於低電平，信號S3則控制於低電平。信號S1X，係信號S1之反轉信號，信號S2X，係信號S2之反轉信號。PMOS電晶體11~12及NMOS電晶體24~25導通時，偏壓電流經由該等電晶體流通於磁性檢測元件31。如此，磁性檢測元件31之第四端子與第一端子之間，發生以針對該偏壓電流及磁性檢測元件31之磁性為基礎的霍爾電壓Vh、及磁性檢測元件31之偏移電壓Voh之合計電壓V0。電壓V0，可以下式(1)來表示。
V0=+Vh+Voh‧‧‧(1)
因為開關36~37導通，將電壓V0輸入放大器32。電壓V0及第一段放大器71以及第一段放大器72所形成之第一段放大段的偏移電壓Voa1，由增益G1之第一段放大段進行放大，而成為電壓V1。電壓V1，可以下式(2)來表示。
V1=G1‧(+Vh+Voh+Voa1)‧‧‧(2)
斬波電路73不切換路徑，而直接將電壓V1視為電壓V2。電壓V2，可以下式(3)來表示。
V2=G1‧(+Vh+Voh+Voa1)‧‧‧(3)
電壓V2，輸入第二段放大器74所形成之第二段放大段。電壓V2及第二段放大器74所形成之第二段放大段之偏移電壓Voa2，由增益G2之第二段放大段進行放大，而成為電壓V3。電壓V3，可以下式(4)來表示。
V3=G1‧G2(+Vh+Voh+Voa1)+G2‧Voa2‧‧‧(4)
因為開關41為導通，電壓V3被充電至電容46。
所以，電流供應電路之PMOS電晶體14為斷開，然而，漏電流流通。但是，於漏電流對策電路，因為NMOS電晶體26為導通，PMOS電晶體14之漏電流，經由NMOS電晶體26流入接地端子。此外，PMOS電晶體15，因為源極電壓為接地電壓VSS，基板偏壓效果導致閾值電壓增高，而使漏電流不易流通。亦即，PMOS電晶體14之漏電流不易流入磁性檢測元件31之第四端子。
此外，於電流供應電路之NMOS電晶體22，亦同樣有漏電流流通，然而，藉由PMOS電晶體13及NMOS電晶體21，漏電流不易流通。亦即，NMOS電晶體22之漏電流不易從磁性檢測元件31之第一端子流出。
所以，該等漏電流，藉由漏電流對策電路，而如式(1)，對電壓V0幾乎沒有影響，也對輸出電壓VOUT幾乎沒有影響。
其次，於期間t1<t<t2，將信號S1控制於低電平，將信號S2控制於高電平，並將信號S3控制於低電平。流通於第三端子與第二端子間之磁性檢測元件31的偏壓電流，被切換成流通於第四端子與第一端子之間。而將發生於第四端子與第一端子間之磁性檢測元件31的霍爾電壓Vh，切換成發生於第三端子與第二端子之間。所以，電壓V0~V1，可以下式(5)~(6)來表示。
V0=-Vh+Voh‧‧‧(5)
V1=G1‧(-Vh+Voh+Voa1)‧‧‧(6)
斬波電路73執行路徑之切換。亦即，電壓V1，被斬波電路73斬波，而成為電壓V2。所以，電壓V2~V3，可以下式(7)~(8)來表示。
V2=G1‧(+Vh-Voh-Voa1)‧‧‧(7)
V3=G1‧G2(+Vh-Voh-Voa1)+G2‧Voa2‧‧‧(8)
進行電壓V3充電之電容46，被切換成電容47。
所以，與前面所述相同，PMOS電晶體11之漏電流，因為NMOS電晶體23及PMOS電晶體12而不易流通。此外，NMOS電晶體25之漏電流，因為NMOS電晶體24及PMOS電晶體16而不易流通。
所以，該等漏電流，藉由漏電流對策電路，而對式(5)之電壓V0幾乎沒有影響，故對輸出電壓VOUT也幾乎沒有影響。
其次，於期間t2<t<t3，將信號S1控制於低電平，將信號S2控制於低電平，並將信號S3控制於高電平。因為開關43~44為導通，電容46與電容47為併聯，被分別充電至各電容之各電壓被平均化而成為輸出電壓VOUT。輸出電壓VOUT，可以下式(9)來表示。
VOUT=(V3(式(4))+V3(式(8)))/2=G1‧G2‧Vh+G2‧Voa2‧‧‧(9)
若是，針對電流供應電路之漏電流對策電路不存在時，即使PMOS電晶體14及PMOS電晶體11以同一尺寸製造，因為半導體製造誤差，t0<t<t1時之PMOS電晶體 14斷開時之漏電流與t1<t<t2時之PMOS電晶體11斷開時之漏電流不同。如此，於t0<t<t1時及t1<t<t2時，斷開時之漏電流對電壓V0之影響的程度不同。亦即，表面上，於t0<t<t1時及t1<t<t2時，磁性檢測元件31之偏移電壓Voh不同。如此，於式(9)，以磁性檢測元件31之偏移電壓Voh為基礎之電壓，將反映於輸出電壓VOUT。NMOS電晶體22及NMOS電晶體25亦相同。
然而，本發明時，存在著針對電流供應電路之漏電流對策電路，於t0<t<t1時及t1<t<t2時，磁性檢測元件31之偏移電壓Voh幾乎相同。
如此，即使電流供應電路斷開時之MOS電晶體有漏電流流通，因為針對電流供應電路配設著漏電流對策電路，故斷開時之漏電流不易流入磁性檢測元件31。如此，斷開時之漏電流，不易對以針對磁性檢測元件31之磁性為基礎的電壓產生影響。所以，可以提高磁性感測器之磁性檢測精度。
所以，溫度愈高，斷開時之漏電流也相對愈多。所以，尤其是溫度較高時，本發明之磁性感測器具顯著效果。
此外，即使針對電流供應電路之漏電流對策電路不存在，PMOS電晶體11及PMOS電晶體14斷開時之漏電流對輸出電壓VOUT幾乎沒有影響時，如第4圖所示，亦可削除PMOS電晶體12、PMOS電晶體15、NMOS電晶體23、以及NMOS電晶體26。
此外，即使針對電流供應電路之漏電流對策電路不存在，NMOS電晶體22及NMOS電晶體25斷開時之漏電流對輸出電壓VOUT幾乎沒有影響時，如第5圖所示，亦可削除NMOS電晶體21、NMOS電晶體24、PMOS電晶體13、以及PMOS電晶體16。
此外，亦可配設有磁性感測器之輸出端子連結於第一輸入端子而第二輸入端子連結於基準電壓生成電路(未圖示)之輸出端子之比較器(未圖示)。比較器，進行磁性感測器之輸出電壓VOUT及基準電壓之比較，依據比較結果，反轉輸出電壓。亦即，以針對磁性檢測元件31之磁性為基礎之電壓成為特定電壓時，比較器將輸出電壓進行反轉。
此外，以使斷開時之漏電流流至接地端子之MOS電晶體而言，於第1圖，配設有由信號S2所控制之NMOS電晶體23，然而，雖然未圖示，亦可配設由信號S2X所控制之PMOS電晶體。此外，配設有由信號S1所控制之NMOS電晶體26，然而，亦可配設由信號S1X所控制之PMOS電晶體。此外，配設有由信號S1X所控制之PMOS電晶體13，然而，亦可配設由信號S1所控制之NMOS電晶體。此外，配設有由信號S2X所控制之PMOS電晶體16，然而，亦可配設由信號S2所控制之NMOS電晶體。
此外，物理量感測器之例，係針對磁性感測器進行說明，然而，亦可以為非磁性感測器者，亦可以為：只有4個端子，其中2個端子有偏壓電流流通，依據偏壓電流及 物理量，而於其他2個端子發生電壓之物理量感測器。例如，依據加速度或壓力變化橋接電阻之壓電電阻元件之電阻值、或依據電阻值及偏壓電流而發生電壓之物理量感測器。
11~16‧‧‧PMOS電晶體
21~26‧‧‧NMOS電晶體
31‧‧‧磁性檢測元件
32‧‧‧放大器
36~39、41~44‧‧‧開關
46~47‧‧‧電容
第1圖係本實施形態之磁性感測器的電路圖。
第2圖係本實施形態之磁性感測器之放大器之一例的電路圖。
第3圖係本實施形態之磁性感測器之動作的時序圖。
第4圖係磁性感測器之其他例的電路圖。
第5圖係磁性感測器之其他例的電路圖。
第6圖係傳統磁性感測器的電路圖。
11‧‧‧PMOS電晶體
12‧‧‧PMOS電晶體
13‧‧‧PMOS電晶體
14‧‧‧PMOS電晶體
15‧‧‧PMOS電晶體
16‧‧‧PMOS電晶體
21‧‧‧NMOS電晶體
22‧‧‧NMOS電晶體
23‧‧‧NMOS電晶體
24‧‧‧NMOS電晶體
25‧‧‧NMOS電晶體
26‧‧‧NMOS電晶體
31‧‧‧磁性檢測元件
32‧‧‧放大器
36~39、41~44‧‧‧開關
46、47‧‧‧電容

Claims (8)

  1. 一種物理量感測器，其特徵為具備：電流供應電路，具有第一開關、第二開關、第三開關、以及第四開關，用以對物理量檢測元件供應偏壓電流；前述物理量檢測元件，係橋接電阻型，具有第一端子、第二端子、第三端子、以及第四端子，根據前述偏壓電流及物理量來產生電壓；以及漏電流對策電路，具有電晶體，將前述電流供應電路斷開時之開關所流出之漏電流，控制成上述電晶體在上述開關斷開時成為導通，而使上述漏電流流至其他路徑，或從其他路徑供給，藉此使得上述漏電流不會流入上述物理量檢測元件，或不會從上述物理量檢測元件流出。
  2. 如申請專利範圍第1項所記載之物理量感測器，其中前述第一開關、第二開關、第三開關、以及第四開關，分別為第一PMOS電晶體、第二PMOS電晶體、第一NMOS電晶體、以及第二NMOS電晶體，前述漏電流對策電路，具有第三PMOS電晶體、第四PMOS電晶體、第五NMOS電晶體、以及第六NMOS電晶體，前述第五NMOS電晶體之汲極，連結於前述第一PMOS電晶體之汲極與前述第三PMOS電晶體之源極之連結點，源極則連結於接地端子， 前述第三PMOS電晶體之汲極，連結於前述第三端子，前述第六NMOS電晶體之汲極，連結於前述第二PMOS電晶體之汲極與前述第四PMOS電晶體之源極之連結點，源極則連結於接地端子，前述第四PMOS電晶體之汲極，連結於前述第四端子。
  3. 如申請專利範圍第1項所記載之物理量感測器，其中前述第一開關、第二開關、第三開關、以及第四開關，分別為第一PMOS電晶體、第二PMOS電晶體、第一NMOS電晶體、以及第二NMOS電晶體，前述漏電流對策電路，具有第三NMOS電晶體、第四NMOS電晶體、第五PMOS電晶體、以及第六PMOS電晶體，前述第五PMOS電晶體之汲極，連結於前述第一NMOS電晶體之汲極與前述第三NMOS電晶體之源極之連結點，源極則連結於電源端子，前述第三NMOS電晶體之汲極，連結於前述第一端子，前述第六PMOS電晶體之汲極，連結於前述第二NMOS電晶體之汲極與前述第四NMOS電晶體之源極之連結點，源極則連結於電源端子，前述第四NMOS電晶體之汲極，連結於前述第二端 子。
  4. 如申請專利範圍第2項所記載之物理量感測器，其中前述第一開關、第二開關、第三開關、以及第四開關，分別為第一PMOS電晶體、第二PMOS電晶體、第一NMOS電晶體、以及第二NMOS電晶體，前述漏電流對策電路，具有第三NMOS電晶體、第四NMOS電晶體、第五PMOS電晶體、以及第六PMOS電晶體，前述第五PMOS電晶體之汲極，連結於前述第一NMOS電晶體之汲極與前述第三NMOS電晶體之源極之連結點，源極則連結於電源端子，前述第三NMOS電晶體之汲極，連結於前述第一端子，前述第六PMOS電晶體之汲極，連結於前述第二NMOS電晶體之汲極與前述第四NMOS電晶體之源極之連結點，源極則連結於電源端子，前述第四NMOS電晶體之汲極，連結於前述第二端子。
  5. 如申請專利範圍第1項所記載之物理量感測器，其中前述第一開關、第二開關、第三開關、以及第四開關，分別為第一PMOS電晶體、第二PMOS電晶體、第一NMOS電晶體、以及第二NMOS電晶體， 前述漏電流對策電路，具有第三PMOS電晶體、第四PMOS電晶體、第五PMOS電晶體、以及第六PMOS電晶體，前述第五PMOS電晶體之源極，連結於前述第一PMOS電晶體之汲極與前述第三PMOS電晶體之源極之連結點，汲極則連結於接地端子，前述第三PMOS電晶體之汲極，連結於前述第三端子，前述第六PMOS電晶體之源極，連結於前述第二PMOS電晶體之汲極與前述第四PMOS電晶體之源極之連結點，汲極則連結於接地端子，前述第四PMOS電晶體之汲極，連結於前述第四端子。
  6. 如申請專利範圍第1項所記載之物理量感測器，其中前述第一開關、第二開關、第三開關、以及第四開關，分別為第一PMOS電晶體、第二PMOS電晶體、第一NMOS電晶體、以及第二NMOS電晶體，前述漏電流對策電路，具有第三NMOS電晶體、第四NMOS電晶體、第五NMOS電晶體、以及第六NMOS電晶體，前述第五NMOS電晶體之源極，連結於前述第一NMOS電晶體之汲極與前述第三NMOS電晶體之源極之連結點，汲極則連結於電源端子， 前述第三NMOS電晶體之汲極，連結於前述第一端子，前述第六NMOS電晶體之源極，連結於前述第二NMOS電晶體之汲極與前述第四NMOS電晶體之源極之連結點，汲極則連結於電源端子，前述第四NMOS電晶體之汲極，連結於前述第二端子。
  7. 如申請專利範圍第5項所記載之物理量感測器，其中前述第一開關、第二開關、第三開關、以及第四開關，分別為第一PMOS電晶體、第二PMOS電晶體、第一NMOS電晶體、以及第二NMOS電晶體，前述漏電流對策電路，具有第三NMOS電晶體、第四NMOS電晶體、第五NMOS電晶體、以及第六NMOS電晶體，前述第五NMOS電晶體之源極，連結於前述第一NMOS電晶體之汲極與前述第三NMOS電晶體之源極之連結點，汲極則連結於電源端子，前述第三NMOS電晶體之汲極，連結於前述第一端子，前述第六NMOS電晶體之源極，連結於前述第二NMOS電晶體之汲極與前述第四NMOS電晶體之源極之連結點，汲極則連結於電源端子，前述第四NMOS電晶體之汲極，連結於前述第二端 子。
  8. 如申請專利範圍第1至7之任一項所記載之物理量感測器，其中前述物理量為磁性。
TW099140807A 2009-12-07 2010-11-25 Physical quantity sensor TWI476374B (zh)

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