(57)【要約】  ホールセンサーを使用して磁場の実体を測定するための方法および装置であって、当該ホールセンサーは、励起信号を供給するための端子対（Ａ１、Ａ２、Ｂ１、Ｂ２）および検出信号を読み取るための端子対（Ａ１、Ａ２、Ｂ１、Ｂ２）を有する少なくとも１つのホールプレート（１０１、１０２、１０３、１０４）を備え、電圧は、無視できるインピーダンスのソース（１０５）から励起信号としてホールプレートに供給され、測定された実体を表示する電流は、無視できるインピーダンスのピックアップ（１０８、１０９８、１１０）によって、検出信号としてホールプレートから取り出される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ホールセンサーを使用して磁場の実体を測定するための方法であって、
該ホールセンサーは、少なくとも１つのホールプレート（１０１、１０２、１０３、１０４）を備え、該ホールプレートは、互いから一定の距離に位置する端子（Ａ１、Ａ２、Ｂ１、Ｂ２）の２つの対（（Ａ１、Ａ２）、（Ｂ１、Ｂ２））のグループを含んでおり、
励起信号がソースから一方の端子対へと供給され、該実体の表示を形成する検出信号が、処理回路によって、他方の端子対から取り出され、
該ソースが、無視できるインピーダンスの電圧源（１０５）であり、該処理回路が、無視できる入力インピーダンスを有しかつ該検出信号を電流として取り出すことを特徴とする、
前記方法。
【請求項２】
前記実体についての４つの測定値を提供するために、該実体の測定が、各場合における４つのサブ測定のサイクルで実施され、前記各プレートの端子対は、電圧源および処理回路に交互に接続され、電圧源の極性が、２つのサブ測定の間、他の２つのサブ測定に対して逆転されることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記処理回路が、検出信号の処理の前に、該検出信号を増幅することを特徴とする、請求項２に記載の方法。
【請求項４】
４つの測定値の処理が、２つのサブ測定の測定値の極性の逆転を有し、そのために、電圧源の極性が、他の２つのサブ測定に対して逆転され、かつ、他の２つのサブ測定の測定値と、逆転された極性を有する２つの測定値とが合計されることを特徴とする、請求項２又は３に記載の方法。
【請求項５】
ｎ型シリコン半導体材料から作られたホールプレートが使用されることを特徴とする、請求項２〜４のうちの１項に記載の方法。
【請求項６】
前記半導体ホールプレートが、シリコン半導体材料の（１００）結晶面と一致する基板表面を生じさせたプロセスを用い、ｎ型シリコン半導体材料で作られる場合に、
プレートの結晶面におけるその配向が、シリコン半導体材料の［０１０］結晶軸またはそれと等価な［００１］結晶方向に対して、各端子対の端子間の真直ぐな接続ラインが一致するか或いは直角になっているような該プレートが用いられることを特徴とする、請求項５に記載の方法。
【請求項７】
４つのホールプレートが共通のシリコン基板に統合されており、該統合は、各ホールプレートの端子のグループが、該プレートの主面に対する垂線に関して、他方の端子のグループに対し、それぞれ９０°、１８０°および２７０°回転されるような様式にてなされており、かつ、異なるグループの同じ端子が、隣接するプレートに対して異なる配向に従って互いに接続されていることを特徴とする、請求項２〜６のうちの１項に記載の方法。
【請求項８】
ホールプレートが正方形のフォーメーションで配置されており、それらの端子のグループの配向は、１つのホールプレートから隣接するホールプレートに向かって見る方向が、一方のホールプレートの端子のグループが他方のホールプレートの端子のグループに対して９０°回転される方向と対向するような配向であることを特徴とする、請求項７に記載の方法。
【請求項９】
ホールプレートへの配線、ホールプレートからの配線およびホールプレート間の配線が、電圧源（１０５）から流れる電流および電圧源（１０５）へと流れる電流がホールプレートの主面において互いを実質的に相殺する磁場を生成するような様式で配置されることを特徴とする、請求項７〜８のうち１項に記載の方法。
【請求項１０】
ｐ型シリコンからなる下層の基板とｐ型シリコンからなるトップ層との間に位置するｎ型シリコンの層を有するホールプレートが、使用されることを特徴とする、請求項１〜９のうち１項に記載の方法。
【請求項１１】
処理回路が、４つの連続するサブ測定全てに対する測定値を保存し、各サブ測定については、最後に得られた４つの測定値が合計されて、変数のための処理された測定値を与えることを特徴とする、請求項２〜１０のうち１項に記載の方法。
【請求項１２】
ホールセンサーを使用して磁場の実体を測定するための装置であって、
該ホールセンサーは、少なくとも１つのホールプレート（１０１、１０２、１０３、１０４）を備え、該ホールプレートは、互いから一定の距離に位置する端子（Ａ１、Ａ２、Ｂ１、Ｂ２）の２つの対（（Ａ１、Ａ２）、（Ｂ１、Ｂ２））のグループを含んでおり、
一つの端子対は、励起信号を該一方の端子対へ供給するためのソースに接続されており、他の端子対は、該他の端子対から検出信号を取り出しかつ該検出信号を処理するための処理回路に接続され、
該ソースが、無視できるインピーダンスの電圧源（１０５）であり、該処理回路が、無視できる入力インピーダンスを有しかつ該検出信号を電流として取り出すものであることを特徴とする、
該装置。
【請求項１３】
スイッチング手段が配置されており、該手段は、請求項１〜１１のうち１項に記載の方法に従って、端子対と、ソースおよび処理回路との間において、該端子対を、ソースおよび処理回路へ、交互に接続するものであることを特徴とする、請求項１２に記載の装置。
【請求項１４】
４つのホールプレートが正方形のフォーメーションにて備えられかつ単一の基板に統合され、
これらホールプレートの端子のグループは、次の様式にて配向されており、即ち、これらプレートの主面に対する垂線に関して、あるホールプレートの端子の１つのグループが、隣接するホールプレートの端子のグループに対して、一つのホールプレートに他のホールプレートが続く方向とは反対の方向へと、９０°回転され、かつ、隣接するプレートに対して異なる配向に一致して、同じ端子が互いに接続されていることを特徴とする、請求項１２または１３に記載の装置。
【請求項１５】
配線が、ホールプレートの端子に接続されており、
電圧源（１０５）から流れる電流および電圧源（１０５）へと流れる電流がホールプレートの主面において互いを実質的に相殺する磁場を生成するような配置を、該配線が有している、請求項１２〜１４のうち１項に記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、請求項１のプリアンブルおよび請求項１２のプリアンブルにそれぞれ従う、ホールセンサーを使用することによって磁場を測定するための方法および装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
周知のホール効果(Hall effect)を使用するセンサーは、特に磁場についての測定を実施するために、長い間広範に使用されてきた。磁場強度を測定する基本的な適用に加えて、これらのセンサー −以下で「ホールセンサー」と称される− は、例えば、位置、方向および回転速度を測定するためにも使用される。後者の適用の考えられる例は、機械のギアホイールおよびドライブシャフトの回転速度の測定である。さらに、ホールセンサーは、磁性材料からなる機械コンポーネント（例えば、スチールギアホイールの歯）が永久磁石の磁場を通過する際の磁場強度の変化を測定するために働く。これに関しては、自動車用のアンチロックブレーキシステム（ＡＢＳ）に使用されるホールセンサーについても周知である。多くの適用のために、使用される永久磁石／磁性パーツは可能な限り小さく軽量であることが必須である。しかし、現在の技術水準に従うホールセンサーが、弱い磁場（１ミリテスラ未満の磁場強度）の正確な測定には比較的不適切であるという事実が、これに関する１つの顕著な欠点である。この欠点は一般に、コストを増大させる影響を有する。例えば、上記ＡＢＳシステムにおいて有効に使用されるホールセンサーについては、該センサーの助けを借りて充分に正確な測定が実施されることを可能にするのに充分高い磁場強度を生成するためには、高価な希土類磁石を使用する必要がある。また、この性質の適用は、必要とされる電子増幅および信号処理を行なう機能部(feature)の線形性と正確さ、並びに、センサーハウジングに対する高い要求を課し、これも同様にコストを増大させる影響を有する。
【０００３】
多数の適用について、一般に、増幅および信号処理のエレクトロニクスと共に、ホールプレート(Hall plate)は、周知のＣＭＯＳプロセスを使用して、半導体材料中に、例えばシリコン中に、統合(integrate)されていることが望ましい。シリコン中で電子コンポーネントを単純に統合する利点に加えて、このことは、現在の技術水準に従うホールプレートの測定の正確さおよび感度が、実際には、シリコン半導体材料中でのそれらの統合に固有の因子によって悪影響を及ぼされるという不利益をも有する。
【０００４】
シリコン半導体材料中に統合されたホールプレートを使用する場合、ホールプレートを使用して磁場の測定を実施する従来の原理もまた、センサーの測定の正確さおよび感度に対して悪影響を有する。これは、この従来の測定原理では、電流が励起信号として使用され、生じたホール電圧が測定されて、センサーが置かれた磁場の場の強度の表示を形成するからである。このことの１つの顕著な欠点は、統合されたホールセンサーが、非線形性（非線形性は、電圧に依存し、かつ、電流励起および電圧検出の上記原理を使用する場合に補償することが非常に困難である）を有するということが、数学的分析により実証できることである。
【０００５】
現在の技術水準に従うシリコン半導体材料中に統合されたホールプレートの測定の正確さおよび感度に対して悪影響を有する、シリコン半導体材料におけるそれらの統合に固有の最も重要な因子は、以下：
圧電抵抗効果を介して、使用される半導体材料の結晶格子中の機械的応力によって引き起こされる、オフセット電圧；
ゼーベック(Seebeck)効果（ホールプレート上の異なる位置における半導体材料と金属端子との間での転移での温度差が、位置依存的な接触電位を生じさせる）によって引き起こされる、オフセット電圧；
統合プロセスの間に形成される、半導体材料における局所的な幾何学的な不正確さ（例えば、端子の配置エラー、エッチングバリエーション）によって引き起こされる、オフセット電圧；
シリコンとシリコン酸化物との間の転移に蓄積した電荷から生じるオフセット電圧；
例えばホールプレートからの出力信号を増幅および処理するための電子機能部(electronic feature)のオフセットおよび非線形性、
であり、上記回路は、同様に、結合されたホールプレート自体と同じ基板上にあろうとなかろうと、半導体材料中に統合されると、上記の因子によって悪影響を及ぼされる。
【０００６】
ホールセンサーにおけるオフセット電圧は、最終的に測定すべきホール電圧よりも１０００倍大きい可能性がある。従って、過去、ホールセンサーの測定の正確さおよび感度を増大させるために、種々のオフセット電圧および他の不利な因子を補償することを試みて種々の方法が開発されてきた。
【０００７】
第１の近似(approximation)では、ホールプレートは、バランスをとった抵抗ブリッジ（ホイートストンブリッジ）としてモデル化できる。使用される半導体材料の結晶格子中の上記応力は、ブリッジ中の特定の抵抗のレベルを変化させて、数十ミリテスラのオーダーの大きさのものであり得るオフセット電圧の形成を生じる。さらに、上記ゼーベック効果は、数ミリテスラのオーダーの大きさの静的な（電流および電圧に非依存的な）オフセット電圧の原因である。このオフセット電圧は、ホールプレートの出力（ホール）電圧に加算される。次いで、このホールプレートは、磁場が存在しない場合に出力電圧を伝送する。このオフセット電圧と同じオーダーの大きさのホール電圧を発生させるための、「理想的な」ホールプレートを用いて測定すべき磁場強度は、容易に数十ミリテスラになり得る。
【０００８】
数学的分析によって、対で測定を実施することによってゼーベック効果から生じる上記静的なオフセットが補償できることを実証することが可能であり、このとき、各場合における第２のサブ測定(sub-measurement)のために励起電流の方向が逆転され、２つのサブ測定から生じるホール電圧の差異が次いで決定される。
【０００９】
数学的分析はまた、２つのホールプレートを使用して測定を実施することによって、応力から生じた上記オフセットが補償できることを実証するためにも使用でき、このとき、第２のホールプレートは第１のホールプレートに対して９０°回転される。２つのホールプレートからの出力（ホール）電圧における差異が各場合に決定される。米国特許第５，２４１，２７０号は、２つのホールプレートを同時に使用する改変形態でこの方法を使用しており、その結果、上記の２つの測定は、連続的にではなく同時に実施され得る。
【００１０】
励起電流の電流方向は、２つのサブ測定において互いに垂直なので、応力から生じるオフセットを補償することを試みる多数の公知の方法は、「直交的にスイッチされたホールプレート（orthogonally switched Hall plate）」としても知られた構成に基づく。現在の技術水準に従う殆どのホールセンサーは、角（かど）部に電気的端子を有する正方形のホールプレートを含む。直交的にスイッチされたホールプレートを使用する上記のオフセット補償方法の場合、測定は殆どの場合、対で実施され、このとき、第１のサブ測定において、励起電流は２つの対向する端子間でホールプレートを通過し、生じたホール電圧が他の２つの対向する端子を渡って測定される。上記のように励起電流の方向を逆転させる代わりに、第２のサブ測定について、励起電流およびホール電圧のための端子の対が取り換えられ、その結果、励起電流の方向はここで、第１のサブ測定における方向に対して９０°回転される。第２のサブ測定の間に測定されるホール電圧の極性が次いで反転され、この電圧が、第１のサブ測定から測定されたホール電圧に加算される。とりわけ、特許文献米国特許第５，４０６，２０２号、米国特許第５，８４４，４２７号、ＥＰ １ ０１０ ９８７ Ａ２およびＥＰ １ １３０ ３６０ Ａ２は、直角にスイッチされたホールプレートを用いたこのタイプのオフセット補償方法が使用されるホールセンサーを記載している。この方法は、使用されるホールプレートが、機能に関して完全に線形の挙動を有するのであれば、完全なオフセット補償を提供できる。しかし、その設計に起因して、半導体材料で形成されるホールプレートは本質的に非線形である。ホールプレートにおける最も重要な非線形性が電圧に依存することが実証され得る。しかし、上記のオフセット補償方法は電流励起および電圧検出を使用するので、非線形のオフセット項について完全に補償することは不可能である。さらに、ホールプレートの直交的なスイッチングの記載された方法によると、励起電流の方向は、完全に（１８０°）逆転させることはできないが、９０°回転させることだけはでき、結果として、ゼーベック効果から生じるオフセットは補償されず、顕著なオフセット項が存在したままとの結果となる。文献には、９０°ではなく３６０°ではあるが、上記の直交的なスイッチングを使用するオフセット補償方法が開示されている。この方法が使用されるホールセンサーは、スピニング電流ホールセンサーとして文献公知である。この場合に使用されるホールセンサーは、概して言うと、８個の端子を備え、各場合に２つの対向する端子間の真直ぐな接続ラインが他の２つの端子間の真直ぐな接続ラインに対して直角（垂直）であるように対称である。この場合、８つのサブ測定の間に、各場合において固定された励起電流が２つの対向する端子の間を通過し、関連するホール電圧が２つの端子（その真直ぐな接続ラインは、最初に言及した２つの端子間の真直ぐな接続ラインに対して直角である）間で測定される。結果得られるホールセンサーは、German Fraunhofer IIS によって製造されている。しかし、このセンサー中のホールプレートの端子の数が比較的多いことは、より少ない数の端子を有するホールプレートと比較して、センサーの感度における望ましくない低下をもたらしている。この場合にも、電流励起および電圧検出が使用され、結果として、非線形のオフセット項は完全には補償されない。
【００１１】
米国特許第５，６２１，３１９号は、統合されたホールセンサーにおける機械的結晶応力から生じるオフセットを補償するための方法を記載している。ホールプレートの直交的なスイッチングを用いた上記スピニング方法が使用されている。さらに、電流励起ではなく電圧励起が使用されている。しかし、この電圧励起が電圧検出と組み合わされることが欠点となっており、結果として、半導体材料の電気的特性の方向依存的な性質（異方性）に起因して、応力から生じるオフセットは実際には補償されない。
【００１２】
統合されたホールセンサーにおける結晶応力から生じるオフセットを補償するための方法を記載する多数の特許文献（例えば、上記米国特許第５，４０６，２０２号および米国特許第５，８４４，４２７号）において、互いに対して規定された角度だけ回転された複数のホールプレートのパラレル接続により、最初のオフセット補償の達成が試みられている。殆どの場合、これは、互いに対して９０°の角度回転された２つのホールプレートを含む。このアプローチは、４つのホールプレートがパラレルに接続され、そのうち第２、第３および第４のプレートが第１のプレートに対してそれぞれ９０°、１８０°および２７０°回転されかつ電圧励起および電流検出もまた使用される場合にのみ最適に機能し得ることが、数学的手段によって実証できる。文献ＥＰ １ ２０６ ７０７ Ｂ１は、４つのホールプレートを有する構成を実際に使用しているが、これらのプレートは、各場合において９０°ではなく４５°回転されるだけである。機能的な観点からみると、この場合の４つのホールプレートは、実際には上記のような８つの端子を有する単一のスピニング電流ホールプレートを形成し、上記と同様の欠点が伴う。
【００１３】
ホールセンサーにおけるオフセットのさらなる重大な根源は、電子機能部（例えば、ホールプレートからの出力信号を増幅および処理するためのもの）のオフセットと非線形性である。これらの電子機能部が同じ半導体基板中でホールプレートとしばしば統合されるという事実は、例えば、統合された増幅器のオフセットの補償をゼーベック効果から生じるホールプレートのオフセットの補償と組み合わせることの実現可能性を提示する。米国特許第６，１５４，０２７号は、スピニング電流ホールプレートの出力信号が、変調される前に最初に予め増幅される方法を記載している。しかし、これは、４段階で３６０°スピンさせるのではなく、２段階で９０°スピンさせることを含む。結果として、ゼーベック効果から生じるオフセットは補償されない。
【００１４】
ホールセンサーの半導体材料中の機械的結晶応力から生じるオフセットは、異なる結晶方向について変動する。それにもかかわらず、この分野における関連文献は、半導体材料におけるホールプレートの最適な配向(orientation)についての情報を殆ど何も提供していない。本出願人によって実施された研究は、応力に対するホールプレートの感度が、適切な配向を選択することによって１０倍低下され得ることを実証している。
【００１５】
まとめると、上記の事項に基づくと、統合されたホールセンサーの測定の正確さおよび感度に対する負の影響を有する因子の影響を充分に補償するために、この分野における現在の技術水準に固有の問題点を解決することはこれまで不可能であったと結論付けることができる。
【発明の開示】
【００１６】
本発明の目的は、上記の欠点を排除することである。
【００１７】
本発明によれば、この目的は、請求項１に記載の方法を提供することによって達成される。
【００１８】
結果として得られる１つの重要なる利点は、使用される各ホールプレートについて、電圧に依存した非線形性が存在しないことである。最適に機能するために互いに対して回転された複数のホールプレートのパラレル接続による、統合されたホールセンサー中の結晶応力から生じるオフセットの最初の補償のための上記方法についてさえ、電圧励起／電流検出の組み合わせを使用することがより有利である。
【００１９】
さらに、本発明の方法によれば、ホールセンサーを使用して磁場についての測定を実施するために、その最大の平面が端子（Ａ１、Ａ２）および（Ｂ１、Ｂ２）の２つの対を有するホールプレートを使用することが有利に可能であり、各端子対の端子は対向する位置でプレートの当該平面中に配置され、このプレートの上記平面は、このプレートの上記平面が端子対の２つの端子間の真直ぐな接続ラインに関して鏡像対称(mirror symmetry)であるような形状にされる。そして、本発明に依るこのタイプのホールプレートを使用する測定は、次の事実によって特徴付けられる。励起電圧Ｖex（Ｘ＋、Ｙ−）が端子対（Ｘ、Ｙ）に印加され、ここで（Ｘ、Ｙ）∈｛（Ａ１、Ａ２）、（Ｂ１、Ｂ２）｝であり、他方の端子対の端子間でホールプレートを通って流れる検出電流Ｉdet（Ｘ→Ｙ）が後者の端子対の短絡回路端子を用いて測定され、この測定は、次の４段階、
｛Ｖex（Ａ１、Ａ２）、Ｉdet（Ｂ１→Ｂ２）｝
｛Ｖex（Ｂ１、Ｂ２）、Ｉdet（Ａ２→Ａ１）｝
｛Ｖex（Ａ２、Ａ１）、Ｉdet（Ｂ２→Ｂ１）｝
｛Ｖex（Ｂ２、Ｂ１）、Ｉdet（Ａ１→Ａ２）｝
で実施され、これらは任意の所望の順序で遂行でき、この期間の間、励起電圧のタイプおよび信号形態は一定のままであり、その後、測定された変数の表示が、検出信号Ｉdet（Ｘ→Ｙ）についての４つの測定値から電子処理によって決定される。しかし、励起電圧の性質および／または信号形態は、４つの段階を含む上記測定の間で変更され得る。多くの場合、上記「測定された変数」は、磁場強度であろう。
【００２０】
従って、これはスピニング電圧法(spinning voltage method)であり、そのスピニングは３６０°にわたって９０°の段階において生じる。上記のように、この方法で、ゼーベック効果から生じるオフセットの最適な補償をもたらすことが可能である。たった４つの端子を有するホールプレートを使用することもまた可能であり、このことは、ホールセンサーの感度に有益である。
【００２１】
さらに、本発明の方法によれば、ホールセンサーを使用して磁場についての測定を実施するためには、検出信号Ｉdet（Ｘ→Ｙ）についての上記４つの測定値の電子処理による、測定された変数の表示の上記決定を、この検出信号を増幅した後にのみ生じさせることが有利である。
【００２２】
このようにして、上記スピニング電圧法を３６０°にわたって９０°のステップにおいて使用する場合、ゼーベック効果から生じるオフセットおよび増幅器のオフセットの両方を単一工程で補償することが可能である。検出信号についての測定値の当該電子処理は、例えば直交復調(quadrature demodulation)であり得るだろう。ホールセンサーを使用して磁場についての測定を実施するための本発明に従う方法は、さらに、検出信号Ｉdet（Ｘ→Ｙ）についての当該４つの測定値の電子処理が、とりわけこれら測定値を平均化する工程を含むという事実によって有利に特徴付けされ得る。
【００２３】
ホールセンサーを使用して磁場についての測定を実施するための本発明の方法によれば、ｎ型シリコン半導体材料で形成されたホールプレートを使用することが好ましい。
【００２４】
ｐ型シリコンで形成されたホールプレートは、ｎ型プレートよりも弱いホール効果を有し、オフセットを引き起こす因子（例えば、結晶応力）は、相対的により大きい有害な影響を有する結果となる。従って、ｐ型のホールプレートは、最適なオフセット補償を達成するのにはあまり適していない。
【００２５】
ホールセンサーを使用して磁場についての測定を実施するための本発明の方法によれば、前記半導体ホールプレートが、シリコン半導体材料の（１００）結晶面と一致する基板面を生じさせたプロセスによってｎ型シリコン半導体材料にて製造される場合には、次のホールプレートを用いることがさらに有利である。即ち、該結晶面におけるその配向が、端子対（Ａ１、Ａ２）の端子Ａ１とＡ２との間の真直ぐな接続ライン、および、端子対（Ｂ１、Ｂ２）の端子Ｂ１とＢ２との間の真直ぐな接続ラインが、シリコン半導体材料の［０１０］または［００１］結晶軸またはそれらに等価な結晶方向に対して、一致するかまたは直交するホールプレートである。
【００２６】
従って、４つの端子、および、３６０°にわたって９０°の段階においてスピンする電圧を持つホールプレートを使用する場合、本出願人によって実施された研究によれば、機械的結晶応力から生じるオフセットを１０分の１に低下させることが可能である。上記の８つの端子を有しかつ電流スピニングを使用する既知のホールプレートの場合、そのプレートの理想的な配向を達成することは不可能である。なぜなら、その場合、その真直ぐな接続ラインがシリコン半導体材料の［０１０］結晶軸またはそれに等価な［００１］結晶方向に対して、一致もせず直角でもない端子対が、常に存在することとなるからである。
【００２７】
ホールセンサーを使用して磁場についての測定を実施するための本発明の方法によれば、前記ホールプレートを４つ使用することが有利に可能であり、各ホールプレートは２つの端子対（Ａ１、Ａ２）と（Ｂ１、Ｂ２）とを有し、第２、第３および第４のプレートは第１のプレートに対してそれぞれ９０°、１８０°および２７０°回転されており、かつ、これら４つのプレートは、４つのプレートの対応する端子が互いに接続されている各場合の結果として、パラレル接続されている。
【００２８】
従って、電圧励起と電流検出とを組み合わせて、機械的結晶応力から生じるオフセットと、ゼーベック効果から生じるオフセットの減少を達成することが可能である。
【００２９】
ホールセンサーを使用して磁場についての測定を実施するための本発明の方法によれば、４つのホールプレート全てが同じシリコン基板に統合されたシリコンチップを備えた、当該４つのパラレルに接続されたホールプレートを有するホールセンサーを使用することがさらに有利である。
【００３０】
これにより、結晶応力から生じるオフセットおよびゼーベック効果から生じるオフセットの最適な補償が可能となる。さらに、結晶軸に対する第１のホールプレートの最適な配向が決定されると、これは、それらの回転された位置にも拘らず、他の３つのプレートについても自動的に最適である。
【００３１】
ホールセンサーを使用して磁場についての測定を実施するための本発明の方法によれば、ｐ型シリコンからなる下にある基板とｐ型シリコンのトップ層との間に位置するｎ型シリコンの層を含むホールプレートを使用することが好ましい。
【００３２】
挟み込まれた構造（pinched structure)として公知のこの構造は、フリッカーノイズをあまり生じない。また、挟み込み(pinching)は、ｎ型シリコンの層中により広い空乏領域の形成を生じ、結果として、このホールプレートは効果的により薄くなり、プレートの感度を増大させる。挟み込みを伴っているホールプレートは、挟み込まれていないプレートよりも線形性が低いことが１つの欠点である。電圧励起および電流検出の使用により、電圧に依存した非線形性を補償することが可能となる。
【００３３】
ホールセンサーを使用して磁場についての測定を実施するための本発明の方法によれば、上記ホールプレートからのアウトプットシグナルが、合計されて平均化された後に、前記４つの測定ステージ｛Ｖex（Ｘ＋、Ｙ−）、Ｉdet（Ｘ→Ｙ）｝が通過される周波数と同じ周波数で測定値が伝送されるような構造を有する遅延ラインを通過することが、有利に可能である。
【００３４】
スピニング法の１つの欠点は一般に、複数のサブ測定を、測定された変数の各表示について実施しなければならないという事実である。この欠点は、上記のような遅延ラインの使用によって補償される。この方法は、スタッガード処理としても公知である。これを例えば直交復調と組み合わせることにより、オフセットおよびホール信号の両方の概算が可能となる。次いで、このオフセットについての概算は、ホールセンサーのダイナミックレンジを最適化するために使用できる。
【００３５】
上記の目的はまた、請求項１２に記載の装置を提供することによって、本発明に従って達成される。
【００３６】
複数の電子機能部の統合の明らかな利点に加えて、別個の統合された回路間の例えば材料パラメータおよび温度のバリエーション（チップ内バリエーションとして公知）は、同じシリコン基板中に統合された回路間のバリエーション（チップ間バリエーション）よりも一般に大きいという事実が、別の重要な利点である。従って、後者の変形は、オフセット補償のためのよりよい選択肢を提供する。
【００３７】
本発明は、本発明に従う装置の例示的実施形態に基づいて、以下の文章中でより詳細に説明され、ここで、図面中に図示される本発明に従う方法が実施される。この文脈において、示された種々の実施形態は純粋に例示として選択され、本発明の適用の範囲をいかようにも限定しないことに留意すべきである。
【００３８】
図１を参照したホールセンサーの以下の記載において、示されたホールプレート、電子機能部および配線は、全て、同じシリコン基板に統合され、同じシリコンチップの一部を形成すると仮定する。さらに、ｎ型ホールプレートが使用されること、統合された回路が挟み込まれた構造を有すること、および基板表面が使用されるシリコン半導体材料の（１００）結晶面と一致することと仮定する。
【００３９】
本発明に従うホールセンサーの変形実施形態は、４つの部分サブプレート１０１〜１０４からなる組み合わされたホールプレートを有する。各サブプレートは、端子（Ａ１、Ａ２、Ｂ１、Ｂ２）の２つの対（（Ａ１、Ａ２）、（Ｂ１、Ｂ２））のグループを有する。各対の端子は、それぞれの対の端子間の接続ラインが互いに対して垂直であるような様式で、サブプレートの対向する角（かど）に配置される。隣接プレートの端子対のグループは、これらのプレートに対する垂直に関して９０°回転される。
【００４０】
図１中に示されるように、サブプレート１０１〜１０４は、正方形(square)のフォーメーションで配置される。隣接プレートの端子対のグループが９０°の角度回転された方向（本明細書中で、グループ配向と称する）は、問題のサブプレートが見られるオーダーの方向（以下、サブプレート配向と称する）と同一である。
【００４１】
４つのサブプレートの対応する端子は互いに電気的に接続され、その結果、４つのサブプレートは事実上パラレルに接続される。図１から理解できるように、４つ全てのサブプレートについて、端子対に属する端子間の真直ぐな接続ラインは、実際、これもまた図中に示される［０１０］または［００１］結晶軸に対して平行または直角である。
【００４２】
図１中に示されるように、ここで、組み合わされたホールプレートの４つのパラレル接続された端子は、スイッチング手段１０６および１０７の４つの出力、並びに、スイッチング手段１０８および１０９の２つの入力に接続される。前記スイッチング手段１０６、１０７、１０８および１０９（テクニカルタームであって、多数の公知の方法にてかつ従来のコンポーネントを使用して実現できる）は、発振器(oscillator)１１１からのクロック信号を受信し、４つのスイッチング状態（１〜４）を有し、各スイッチング状態において、スイッチング手段の入力は、同じスイッチング手段の出力に接続される。図中、スイッチング手段中の矢印は、各スイッチング状態についてどの入力がどの出力に接続されているかを示す。例えば、スイッチング状態１において、スイッチング手段１０６の入力は、組み合わされたホールプレートの端子Ａ１に接続され、スイッチング状態１および２において、組み合わされたホールプレートの端子Ｂ１は、スイッチング手段１０８によって、後方のスイッチング手段の出力に接続される。発振器１１１によって生成されるクロック信号によってトリガーされると、スイッチング状態１から４へが循環的に通過される。
【００４３】
スイッチング手段１０６および１０７の入力は、電圧源１０５に接続され、この電圧源１０５は、センサーの使用のために無視できるインピーダンス（好ましくはゼロ）を有し、ホールプレートのための励起電圧として使用するのに適切な電圧を伝送する。スイッチング手段１０６および１０７、並びに組み合わされたホールプレートのサブプレート１０１、１０２、１０３および１０４のパラレル接続はここで、４つのスイッチング状態の各サイクルについて、電圧源１０５からの当該励起電圧がサブプレートの２つの端子対の各々に２回印加され、反転した符号で１回印加されることを確実にする。４つのサブプレートの４つのパラレル接続された端子対に励起電圧が印加されるスイッチング状態毎の各回について、スイッチング手段１０８および１０９は、各サブプレートの他の４つのパラレル接続された端子対を通過する（ホール）電流の合計が読み取られ（検出され）、増幅手段１１０の２つの異なる入力に供給されることを確実にする。後者は、例えば電流増幅器であり得る。異なる入力間の増幅器手段１１０のインピーダンスは無視でき、好ましくはゼロである。増幅器手段１１０の異なる入力の各々は、高い、好ましくは無限の、アース（グラウンド）に対するインピーダンスを有する。このようにして、ホールプレートおよび増幅器手段１１０の異なる入力を続いて通過する電流は、ほぼ短絡電流であり、ホールセンサーによって測定される磁場強度の表示を形成する。増幅手段１１０の後で、４つのスイッチング手段のサイクルの間に供給される４つの測定値のうち２つの符号は、２つのスイッチング手段１１２および１１３によって反転される。図中に示されるように、これらのスイッチング手段（テクニカルタームであって、広範な公知の方法で従来のコンポーネントを使用して実現できる）は、発振器１１１からのクロック信号を受信し、スイッチング手段１０６〜１０８と同様４つのスイッチング状態（１〜４）を有する。
【００４４】
本明細書中に記載される本発明に従う装置の変形実施形態は、実際、４つの端子を有するスピニング電圧ホールセンサーである。読み取られる電流は、特定の適用の要件に依存して、アナログおよびデジタルの両方の形態でさらに処理できる。アナログ−デジタルコンバーターおよび他の補助的電子手段は、本記載とは無関係であり、従って図中に示していない。
【００４５】
「スピニング」が、上記４つのスイッチング状態と一致する４つの段階を含むという事実に起因して、本明細書中に記載されるホールセンサーは、４つの段階の各サイクルの後、出力値を供給できるであろう。代表的な測定値をより迅速に得るために、スタッガード処理を使用することが可能である。この場合、スイッチング手段１１２および１１３の出力は、３つのセクション１１４、１１５および１１６を含む遅延ラインに接続される。発振器１１１の制御下で、各スイッチング状態の間に、スイッチングデバイス１１２および１１３からの出力信号は、この遅延ラインに供給される。前記スイッチングデバイス１１２および１１３の出力、並びに、遅延ラインの３つのセクション１１４、１１５および１１６の各々の出力は、加算手段１１７に接続され、この加算手段１１７は、発振器１１１の制御下で、各スイッチング状態の間に、スイッチング特徴１１２および１１３の出力信号、並びに、遅延ラインのセクション１１４、１１５および１１６からの出力信号を合計する。ホールセンサーの出力１１８において、加算手段１１７は出力信号を供給し、この出力信号は、平均測定値（その平均は発振器１１１の周波数と共に移動する）を表示する。
【００４６】
図２〜５は、明確にする目的で参照番号および文字を用いておらず、上述した４つそれぞれのスイッチング状態についての、図１の４つのホールプレート１０１〜１０４を示している。図２〜５において、矢印は、プレート１０１〜１０４を通過し、同時に、スイッチング手段１０６および１０７の上記４つのスイッチング状態の間に電圧源１０５を通過する電流を示している。
【００４７】
図３および５からは、一緒に示された電流が、１回巻(single turn)のコイルを有するループを通る電流に対応することが理解できる。プレート１０１〜１０４は制限されたサイズのものなので、ループの平面中の磁束の積分は、電流の方向とは関係なく、ゼロと等しくはないであろう。結果として、図３および５に示される状況において、この電流は、外部磁場の測定に対して悪影響を持つ残留磁場を生じる。
【００４８】
図６は、ホールプレート１０１〜１０４を示しており、これらは、端子Ａ１、Ａ２、Ｂ１、Ｂ２のグループ配向がサブプレート配向に対向するような様式となるように、配置されかつ結合された配線を備えた端子Ａ１、Ａ２、Ｂ１、Ｂ２を有している。結果として、組み合わされたプレートの中心にくるサブプレートの端子は、端子（図６中のＡ１、Ａ２）の同じ対のためのスイッチング手段１０６および１０７の、２つの異なる端子に交互に接続されている。
【００４９】
図７〜１０は、図２〜５と同様に、プレート１０１〜１０４を通過し、同時に、スイッチング手段１０６および１０７の４つのスイッチング状態中に電圧源１０５を通過する電流の方向を示す矢印を使用する。
【００５０】
図７および９中に示される状況は、図２および４中に示される状況と対応する。
【００５１】
図８および１０中に示される状況は、図３および５中に示される状況と対応するように見える。しかし、図８および１０中に示される状況では、ホールプレートの有限な表面領域にわたる電流によって発生した磁束の積分は最小である（理想的な条件下および外部磁場なしではゼロ）。結果として、これらの電流は、サブプレート中の残留磁場を（実質的に）生じず、結果として、これらは外部磁場の測定に対して悪影響を有さない。この理由のために、図６中に示されるサブプレートの配置が好ましい。
【００５２】
サブプレート１０１〜１０４の間の、およびそれらの周囲の、配線の種々のセクション中の電流もまた、サブプレート中の残留磁場を引き起こす能力を有するように見え、これは、配線の配置に応じて、外部磁場の測定に対して悪影響を有する。図１１は、最小の残留磁場を生じる配線の配置(arrangement)を示す。従って、図１１中に示される配線の配置が好ましい。同様の結果を得るために、配線の他の配置にも同じことが当てはまる。
【００５３】
種々の代替的実施形態が添付の特許請求の範囲の範囲内で可能であることは、本記載および特許請求の範囲を読めば当業者に明白となるであろうことに留意すべきである。例えば、複数のホールプレートを、本明細書中に記載されかつ図中に示されたものとは異なる位置および異なる配向で互いに対して配置することが可能である。特許請求の範囲の範囲内で、ホールプレートを、その主面(main plane)を基板の主面に対して垂直にさえして配置すること、および、その端子を、ホールプレートの単一のエッジに沿って基板の主面に配置することが可能であり、その場合、１つの端子対に属する端子は、他の端子対に属する端子と交替する。
【図面の簡単な説明】
【００５４】
【図１】図１は、本発明によるホールセンサーの変形実施形態を線図的に示しており、本発明による方法が実施されている
【図２】図２は、後者の配向の種々の様相における、図１中に示されるセンサーのホールプレート中に生じる電流を線図的に示している。
【図３】図３は、後者の配向の種々の様相における、図１中に示されるセンサーのホールプレート中に生じる電流を線図的に示している。
【図４】図４は、後者の配向の種々の様相における、図１中に示されるセンサーのホールプレート中に生じる電流を線図的に示している。
【図５】図５は、後者の配向の種々の様相における、図１中に示されるセンサーのホールプレート中に生じる電流を示している。
【図６】図６は、図１中に示されるホールプレートの周囲およびそれらの間の配線並びに配線を伴ったそれらの端子の別の変形実施形態を図示している。
【図７】図７は、図６中に示されるようなそれらの配線および端子を使用した場合にホールプレート中で生じる電流を図示している。
【図８】図８は、図６中に示されるようなそれらの配線および端子を使用した場合にホールプレート中で生じる電流を図示している。
【図９】図９は、図６中に示されるようなそれらの配線および端子を使用した場合にホールプレート中で生じる電流を図示している。
【図１０】図１０は、図６中に示されるようなそれらの配線および端子を使用した場合にホールプレート中で生じる電流を図示している。
【図１１】図１１は、図１中に示されるホールプレートの周囲およびそれらの間の配線並びに配線を伴ったそれらの端子の好ましい変形を図示している。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【手続補正書】
【提出日】平成17年6月14日(2005.6.14)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ホールセンサーを使用して磁場の実体を測定するための方法であって、
該ホールセンサーは、少なくとも１つのホールプレート（１０１、１０２、１０３、１０４）を備え、該ホールプレートは、互いから一定の距離に位置する端子（Ａ１、Ａ２、Ｂ１、Ｂ２）の２つの対（（Ａ１、Ａ２）、（Ｂ１、Ｂ２））のグループを含んでおり、
励起信号がソースから一方の端子対へと供給され、該実体の表示を形成する検出信号が、処理回路によって、他方の端子対から取り出され、
該ソースが、センサーの使用にとって無視できるインピーダンスの電圧源（１０５）であり、該処理回路が、該検出シグナルを短絡電流として出すことに対し無視できる入力インピーダンスを有することを特徴とする、
前記方法。
【請求項２】
前記実体についての４つの測定値を提供するために、該実体の測定が、各場合における４つのサブ測定のサイクルで実施され、前記各プレートの端子対は、電圧源および処理回路に交互に接続され、電圧源の極性が、２つのサブ測定の間、他の２つのサブ測定に対して逆転されることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記処理回路が、検出信号の処理の前に、該検出信号を増幅することを特徴とする、請求項２に記載の方法。
【請求項４】
４つの測定値の処理が、２つのサブ測定の測定値の極性の逆転を有し、そのために、電圧源の極性が、他の２つのサブ測定に対して逆転され、かつ、他の２つのサブ測定の測定値と、逆転された極性を有する２つの測定値とが合計されることを特徴とする、請求項２又は３に記載の方法。
【請求項５】
ｎ型シリコン半導体材料から作られたホールプレートが使用されることを特徴とする、請求項２〜４のうちの１項に記載の方法。
【請求項６】
前記半導体ホールプレートが、シリコン半導体材料の（１００）結晶面と一致する基板表面を生じさせたプロセスを用い、ｎ型シリコン半導体材料で作られる場合に、
プレートの結晶面におけるその配向が、シリコン半導体材料の［０１０］結晶軸またはそれと等価な［００１］結晶方向に対して、各端子対の端子間の真直ぐな接続ラインが一致するか或いは直角になっているような該プレートが用いられることを特徴とする、請求項５に記載の方法。
【請求項７】
４つのホールプレートが共通のシリコン基板に統合されており、該統合は、各ホールプレートの端子のグループが、該プレートの主面に対する垂線に関して、他方の端子のグループに対し、それぞれ９０°、１８０°および２７０°回転されるような様式にてなされており、かつ、異なるグループの同じ端子が、隣接するプレートに対して異なる配向に従って互いに接続されていることを特徴とする、請求項２〜６のうちの１項に記載の方法。
【請求項８】
ホールプレートが正方形のフォーメーションで配置されており、それらの端子のグループの配向は、１つのホールプレートから隣接するホールプレートに向かって見る方向が、一方のホールプレートの端子のグループが他方のホールプレートの端子のグループに対して９０°回転される方向と対向するような配向であることを特徴とする、請求項７に記載の方法。
【請求項９】
ホールプレートへの配線、ホールプレートからの配線およびホールプレート間の配線が、電圧源（１０５）から流れる電流および電圧源（１０５）へと流れる電流がホールプレートの主面において互いを実質的に相殺する磁場を生成するような様式で配置されることを特徴とする、請求項７〜８のうち１項に記載の方法。
【請求項１０】
ｐ型シリコンからなる下層の基板とｐ型シリコンからなるトップ層との間に位置するｎ型シリコンの層を有するホールプレートが、使用されることを特徴とする、請求項１〜９のうち１項に記載の方法。
【請求項１１】
処理回路が、４つの連続するサブ測定全てに対する測定値を保存し、各サブ測定については、最後に得られた４つの測定値が合計されて、変数のための処理された測定値を与えることを特徴とする、請求項２〜１０のうち１項に記載の方法。
【請求項１２】
ホールセンサーを使用して磁場の実体を測定するための装置であって、
該ホールセンサーは、少なくとも１つのホールプレート（１０１、１０２、１０３、１０４）を備え、該ホールプレートは、互いから一定の距離に位置する端子（Ａ１、Ａ２、Ｂ１、Ｂ２）の２つの対（（Ａ１、Ａ２）、（Ｂ１、Ｂ２））のグループを含んでおり、
一つの端子対は、励起信号を該一方の端子対へ供給するためのソースに接続されており、他の端子対は、該他の端子対から検出信号を取り出しかつ該検出信号を処理するための処理回路に接続され、
該ソースが、センサーの使用にとって無視できるインピーダンスの電圧源（１０５）であり、該処理回路が、該検出シグナルを短絡電流として取り出すことに対して無視できる入力インピーダンスを有することを特徴とする、
該装置。
【請求項１３】
スイッチング手段が配置されており、該手段は、請求項１〜１１のうち１項に記載の方法に従って、端子対と、ソースおよび処理回路との間において、該端子対を、ソースおよび処理回路へ、交互に接続するものであることを特徴とする、請求項１２に記載の装置。
【請求項１４】
４つのホールプレートが正方形のフォーメーションにて備えられかつ単一の基板に統合され、
これらホールプレートの端子のグループは、次の様式にて配向されており、即ち、これらプレートの主面に対する垂線に関して、あるホールプレートの端子の１つのグループが、隣接するホールプレートの端子のグループに対して、一つのホールプレートに他のホールプレートが続く方向とは反対の方向へと、９０°回転され、かつ、隣接するプレートに対して異なる配向に一致して、同じ端子が互いに接続されていることを特徴とする、請求項１２または１３に記載の装置。
【請求項１５】
配線が、ホールプレートの端子に接続されており、
電圧源（１０５）から流れる電流および電圧源（１０５）へと流れる電流がホールプレートの主面において互いを実質的に相殺する磁場を生成するような配置を、該配線が有している、請求項１２〜１４のうち１項に記載の装置。
【国際調査報告】
2007502965.tif 000014
2007502965.tif 000015
2007502965.tif 000016