(57)【要約】参照点（１０１）における磁界の第１、第２および第３の空間成分Ｂｚ，ＢyおよびＢxを検出するための測定動作中に較正可能な磁界センサ（１００）であって、磁界が、第１、第２および第３の測定磁界成分ＢＭｚ、 ＢＭｙおよびＢＭｘならびに第１、第２および第３の較正磁界成分ＢＫｚ、 ＢＫｙおよびＢＫｘを有する。磁界センサ(１００)は、参照点（１０１）における第１の空間軸ｚに対しての、第１の測定磁界成分ＢＭｚおよび第１の較正磁界成分ＢＫｚを有する第１の磁界成分Ｂｚを検出するための第１のセンサ素子構成(１０２)と、参照点（１０１）における第２の空間軸yに対しての、第２の測定磁界成分ＢＭyおよび第２の較正磁界成分ＢＫyを有する第２の磁界成分Ｂyを検出するための第２のセンサ素子構成（１０４）と、参照点（１０１）における第３の空間軸ｘに対しての、第３の測定磁界成分ＢＭｘおよび第３の較正磁界成分ＢＫｘを有する第３の磁界成分Ｂｘを検出するための第３のセンサ素子構成（１０６）とを備える。磁界センサ(１００)は、所定の電流を励磁線（１０８）に印加する際に、第１のセンサ素子構成（１０２）における第１の空間軸ｘに対して第１の所定の較正磁界成分ＢＫｚが発生し、第２のセンサ素子構成（１０４）における第２の空間軸ｙに対して第２の所定の較正磁界成分ＢＫｙが発生し、かつ第３のセンサ素子構成（１０６）における第３の空間軸ｘに対して第３の所定の較正磁界成分ＢＫｘが発生するように、第１のセンサ素子構成（１０２）、第２のセンサ素子構成（１０４）および第３のセンサ素子構成（１０６）に対して配設された励磁線（１０８）をさらに含み、３つの空間軸ｚ、ｙおよびｘは、一次独立の位置ベクトルに沿って存在する。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
参照点（１０１）における磁界の第１、第２および第３の空間成分Ｂｚ、 ＢyおよびＢxを検出するための測定動作中に較正可能な磁界センサ（１００）であって、磁界が、第１、第２および第３の測定磁界成分ＢＭｚ、 ＢＭｙおよびＢＭｘならびに／または第１、第２および第３の較正磁界成分ＢＫｚ、 ＢＫｙおよびＢＫｘを有し、該センサは、
参照点（１０１）における第１の空間軸ｚに対しての、第１の測定磁界成分ＢＭｚおよび／または第１の較正磁界成分ＢＫｚを有する第１の磁界成分Ｂｚを検出するための第１のセンサ素子構成(１０２)と、
参照点（１０１）における第２の空間軸yに対しての、第２の測定磁界成分ＢＭyおよび／または第２の較正磁界成分ＢＫyを有する第２の磁界成分Ｂyを検出するための第２のセンサ素子構成（１０４）と、
参照点（１０１）における第３の空間軸yに対しての、第３の測定磁界成分ＢＭｘおよび／または第３の較正磁界成分ＢＫｘを有する第３の磁界成分Ｂｘを検出するための第３のセンサ素子構成（１０６）と、
所定の電流を励磁線（１０８）に印加する際に、第１のセンサ素子構成（１０２）における第１の空間軸ｘに対して第１の所定の較正磁界成分ＢＫｚを発生し、第２のセンサ素子構成（１０４）における第２の空間軸ｙに対して第２の所定の較正磁界成分ＢＫｙを発生し、かつ第３のセンサ素子構成（１０６）における第３の空間軸ｘに対して第３の所定の較正磁界成分ＢＫｘを発生するように、第１のセンサ素子構成（１０２）、第２のセンサ素子構成（１０４）および第３のセンサ素子構成（１０６）に対して配設された励磁線（１０８）とを含み、
３つの空間軸ｚ、ｙおよびｘは、一次独立の位置ベクトルに沿って存在する、磁界センサ。
【請求項２】
第１のセンサ素子構成（１０２）、第２のセンサ素子構成（１０４）および第３のセンサ素子構成（１０６）を複数の動作段階で作動させることができ、第１のセンサ素子構成（１０２）、第２のセンサ素子構成（１０４）および第３のセンサ素子構成（１０６）の各々を全ての動作段階で、動作段階に起因する測定信号を与えるように実現する、請求項１に記載の磁界センサ。
【請求項３】
第１のセンサ素子構成（１０２）、第２のセンサ素子構成（１０４）および第３のセンサ素子構成（１０６）の各々が、動作段階に起因する測定信号を与えるように実現され、動作段階に起因する測定信号が第１の一次結合によって第１の合計測定値に結合されることが可能で、それにより第１の合計測定値における測定磁界成分の影響が抑えられ、または動作段階に起因する測定信号を第２の一次結合によって第２の合計測定値に結合することが可能で、それにより、第２の合計測定値における較正磁界成分の影響が抑えられる、請求項２に記載の磁界センサ。 
【請求項４】
動作段階に起因する測定信号を、第１の一次結合により第１の合計測定値に結合することができ、それにより第１の合計測定値における測定磁界成分の影響が、第１の合計測定値の１０％、１％または０．１％未満まで抑えられる、請求項３に記載の磁界センサ。
【請求項５】
動作段階に起因する測定信号を、第２の一次結合により第２の合計測定値に結合することができ、それにより、第２の合計測定値における較正磁界成分の割合が、第２の合計測定値の１０％、１％または０．１％未満まで抑えられる、請求項３に記載の磁界センサ。
【請求項６】
第１のセンサ素子構成（１０２）が、磁界センサの主表面に対して水平なホールセンサ素子を有する、請求項１から５のいずれかに記載の磁界センサ。 
【請求項７】
第１のセンサ素子構成（１０２）が磁界センサの主表面に対して水平な複数のホールセンサ素子を有し、複数の横型ホールセンサ素子の幾何学的配列は、対にされて、参照点（１０１）に対して対称であり、かつオフセットが補償された態様で磁界成分が検出できるように、ホールセンサ素子が相互に結合される、請求項１から６のいずれかに記載の磁界センサ。
【請求項８】
第２のセンサ素子構成（１０４）が磁界センサの主表面に対して垂直な２つ以上のホールセンサ素子を有し、この２以上の縦型ホールセンサ素子の幾何学的配列は、対にされて、参照点（１０１）に対して対称であり、かつオフセットが補償された態様で磁界成分が検出できるように、相互に結合される、請求項１から７のいずれかに記載の磁界センサ。
【請求項９】
第３のセンサ素子構成（１０６）が、磁界センサの主表面に対して垂直な２以上のホールセンサ素子を有し、この２以上の縦型ホールセンサ素子の幾何学的配列は、対にされて、参照点（１０１）に対して対称であり、かつオフセットが補償された態様で磁界成分が検出できるように、相互に結合される、請求項１から８のいずれかに記載の磁界センサ。
【請求項１０】
第１のセンサ素子構成（１０２）、第２のセンサ素子構成（１０４）および第３のセンサ素子構成（１０６）をスピン電流モードで作動できる、請求項１から９のいずれかに記載の磁界センサ。
【請求項１１】
参照点（１０２）における磁界の第１、第２および第３の空間成分Ｂｚ、 ＢyおよびＢxを検出することにより、測定動作中に磁界センサを較正するための方法であって、磁界が、第１、第２および第３の測定磁界成分ＢＭｚ、 ＢＭｙおよびＢＭｘならびに／または第１、第２および第３の較正磁界成分ＢＫｚ、 ＢＫｙおよびＢＫｘを有し、該方法は、
参照点における第１の空間軸ｚに対して、第１の測定磁界成分ＢＭｚおよび／または第１の較正磁界成分ＢＫｚを有する第１の磁界成分Ｂｚを検出するステップと、
参照点における第２の空間軸yに対して、第２の測定磁界成分ＢＭyおよび／または第２の較正磁界成分ＢＫyを有する第２の磁界成分Ｂyを検出するステップと、
参照点における第３の空間軸ｘに対して、第３の測定磁界成分ＢＭｘおよび／または第３の較正磁界成分ＢＫｘを有する第３の磁界成分Ｂｘを検出するステップと、
第１、第２および第３の空間軸ｚ、ｙおよびｘに対して、第１、第２および第３の較正磁界成分ＢＫｚ、 ＢＫｙおよびＢＫｘを発生するステップとを含み、第１、第２、および第３の空間軸は、一次独立の位置ベクトルに沿って存在する、方法。
【請求項１２】
検出ステップが、複数の動作段階の間に反復され、動作段階における第１の磁界成分Ｂｚ、第２の磁界成分Ｂｙおよび第３の磁界成分Ｂｘに起因する測定信号が検出される、請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
第１の合計測定値における測定磁界成分の影響が抑えられるよう、動作段階に起因する磁界成分の測定信号を第１の一次結合によって第１の合計測定値に結合するステップと、または、第２の合計測定値における測定磁界成分の影響が抑えられるよう、動作段階に起因する磁界成分の測定信号を第２の一次結合によって第２の合計測定値に結合するステップとをさらに含む、請求項１１または１２に記載の方法。
【請求項１４】
動作段階に起因する磁界成分の測定信号を、第１の一次結合により第１の合計測定値に結合するステップを、第１の合計測定値における測定磁界成分の割合が、第１の合計測定値の１０％、１％または０．１％未満まで抑えられるように行う、請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
動作段階に起因する磁界成分の測定信号を、第２の結合により第２の合計測定値に結合するステップを、第２の合計測定値における較正磁界成分の割合が、第２の合計測定値の１０％、１％または０．１％未満まで抑えられるように行う、請求項１３に記載の方法。
【請求項１６】
動作段階に起因する磁界成分の測定信号を、オフセットが補償された態様で磁界成分が検出できるように、結合するステップをさらに含む、請求項１１から１５のいずれかに記載の方法。
【請求項１７】
動作段階が、スピン電流法により実現される、請求項１１から１６のいずれかに記載の方法。
【請求項１８】
励磁電流強度、測定磁界成分または較正のための較正磁界成分を記憶するステップと、
励磁電流強度をそれぞれ較正磁界成分または磁界強度に帰するものとするステップと、
測定磁界成分と磁界強度の値の対を与えるステップとをさらに含む、請求項１１から１７のいずれかに記載の方法。
【請求項１９】
コンピュータ上で実行される、請求項１１に記載の方法を実行するためのコンピュータ上で実行されるプログラムコードを有するコンピュータプログラム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、参照点において、磁界の空間成分を検出するためのホールセンサに関し、かつ、それにおいて使用する較正および測定の方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
量および方向に関して磁界を測定する以外に、ホール効果に基くホールセンサ素子は、この技術分野では、スィッチやアクチュエータの位置を摩耗を伴わずに検出するための、無接点非接触信号発生器に使用されることが多い。他に考えられる応用分野は、ホールセンサ素子を導電トレース付近に置いて、導電トレースにおける電流により発生する磁界を検出することにより、非接触態様で導電トレースの電流を測定する、電流測定がある。実際の応用では、ホールセンサ素子は、汚染等の外部影響に対してかなり感受性が低いため、特に有用であることがわかっている。
【０００３】
この技術分野においては、いわゆる水平または横型ホールセンサ素子および縦型センサ素子の両方が知られており、図９ａは、先行技術の横型ホールセンサ素子の例を示し、図９ｂは、先行技術の縦型ホールセンサ素子を示す。
【０００４】
一般には、ホールセンサ素子は、外部制御回路に電気的に接続のために設けられた４つの接点端子を有する半導体ダイからなる。ホールセンサ素子の４つの接点端子のうち、２つの接点端子は、活性半導体領域により動作電流印加のために設けられ、他の２つの接点端子は、ホール電圧を検出するために設けられる。動作電流保持半導体ダイを、インダクションＢ（ベクトル）を有する磁界に対し露出した場合、磁界内を移動する帯電キャリアに作用する「ローレンツ力」により生じる、電流路のずれが起こる。ホール電圧は、電流の流れる方向に直角にかつ活性半導体領域にかけられた磁界に対して直角に生じる。
【０００５】
基本的に図９ａに示す通り、先行技術による横型ホールセンサ素子９００は、典型的には、ｐ型をドープした半導体基板９０４上のｎ型をドープした半導体領域９０２からなる。チップ表面（ｘ−ｙ平面）に平行に配設されるホールセンサを横型と呼ぶ。
【０００６】
ｎ型ドープの活性領域９０２は、通常、それぞれ対抗する対で活性領域９０２に配設される４つの接点電極９０６ａ〜ｄを介して外部制御または評価論理に接続される。明瞭化のため、制御または評価論理は、それぞれ図９には図示されていない。４つの接点電極９０６ａ〜ｄは、活性領域９０２を介して電流ＩＨを発生するために設けられた２つの対抗する制御電流接点電極９０６ａおよび９０６ｃに細分化され、かつ、さらには、活性領域９１０における電流の流れおよびセンサ信号として印加される磁界に直角をなす磁界Ｂ（ベクトル）の付与により生じるホール電圧ＵＨをタッピングするために設けられる２つの対抗する電圧タッピング接点電極９０６ｂおよび９０６ｄに細分化される。異なる接点電極の間に電流ＩＨを印加し、応じて電流の流れに直角をなす他方の接点電極にホール電圧ＵＨをタッピングすることで、補償方法が実現でき、数回の測定サイクルにわたる生産の許容誤差等によりホールセンサに生じる許容誤差の補償を行うことができる。
【０００７】
図９ａに示す横型ホールセンサ素子９００から分かるとおり、接点端子９０６ａ〜ｄの間に活性領域が規定され、この活性領域が有効長さＬと有効幅Ｗとを有するようになっている。図９ａに示す横型ホールセンサ９００は、半導体構造を製造するための従来のＣＭＯＳ（相補型金属酸化膜半導体）プロセスにより比較的容易に製造できる。
【０００８】
さらに、先行技術では、横型ホールセンサ素子とは別に、いわゆる縦型ホールセンサ素子構成の実現例が知られており、これもＣＭＯＳプロセス等の標準的半導体製造技術の利用が可能である。縦型ホールセンサ素子９２０の一例の基本を図９ｂに示す。縦型とは、チップ表面の平面（Ｘ−Ｙ平面）に対して直角を成す平面をさす。図９ｂに示す、縦型ホールセンサ素子９２０においては、好ましくはｎ型ドープの活性半導体領域９２２が、ｐ型ドープの半導体基板９２４におけるウェルという形で延在し、活性半導体領域９２２が深さＴを有する。図９ｂに示すとおり、縦型ホールセンサ素子は、３つの接点領域９２６ａ〜ｃを有し、これらは半導体基板９２４の主表面上で境を接している。接点端子９２６ａ〜ｃは、すべてこの活性半導体領域９２２内にある。これら３つの接点領域により、縦型ホールセンサ素子のこの変形例を、３ピンセンサとも呼ぶ。
【０００９】
こうして、図９ｂの縦型ホールセンサ素子９２０は、活性半導体領域９２２の主表面に沿って３つの接点領域９２６ａ〜ｃを有し、接点領域９２６ａは、接点端子Ａに接続され、接点領域９２６ｂは、接点端子Ｂに接続され、接点領域９２６ｃは、接点端子Ｃに接続される。２つの接点端子ＡおよびＣ間に電圧が印加されると、活性半導体領域９２２を介する電流ＩＨが生じ、電流ＩＨおよび磁界Ｂ（ベクトル）に直角を成すホール電圧ＵＨを接点端子Ｂで測定することができる。活性半導体領域９２２の有効領域は、活性半導体領域９２２の深さＴおよび給電接点電極９２６ｂおよび９２６ｃ間の距離Ｌによって予め定められる。
【００１０】
横型および縦型ホールセンサならびに汚染、非対称性、圧電効果、老朽化の影響等の装置の許容誤差から生じるオフセットを減じるための方法、たとえばスピン電流法が、非特許文献１等の文献によりすでに知られている。スピン電流により作動される縦型センサは、たとえば特許文献１および特許文献２に記載されるように、２つまたは４つの個別のセンサから構成されることが多い。
【００１１】
さらに、３ピン縦型ホールセンサ素子の変形例以外に、いわゆる５ピン縦型ホールセンサ素子があり、これもまた特許文献１および特許文献２に記載される。この５ピンホールセンサ素子においても、個々の装置の許容誤差により補償される測定をいくつかの測定段階にわたって、ある補償法で行うことが可能であり、たとえばここでもスピン電流法を使用することができる。
【００１２】
スピン電流技術は、あるクロック周波数でホールセンサ素子でのホール電圧を検出するために測定方向を連続的にたとえば９０°周期的に回転させ、３６０°の一回転全部のすべての測定信号にわたって合計することから成立する。こうして、２つずつ対にされた４つの接点領域を有するホールセンサ素子においては、接点対の各々を給電のための制御電流接点領域としてかつスピン電流段階によってはホール信号をタッピングするための測定接点領域の両方として使用される。こうして、スピン電流段階またはスピン電流サイクルそれぞれにおいて、動作電流（制御電流ＩＨ）が、２つの関連する接点領域の間を流れ、互いに関連する他の２つの接点領域で、ホール電圧がタッピングされる。
【００１３】
次のサイクルでは、測定方向は、さらに９０°回転され、それにより前のサイクルでホール電圧をタッピングするために使用した接点領域は、こんどは制御電流を供給するために使用されるようになる。４つすべてのサイクルまたは段階にわたって合計することで、製造または材料により生じるオフセット電圧は、相互に概ね打ち消し合い、それによって信号のうち実際に磁界に依存する部分のみが残る。この工程も、多数の接点対に適用することができ、たとえば４つの接点対（８つの接点領域を有する）で、スピン電流段階を周期的に４５°で回転させて、３６０°一回転をする間の測定信号をすべて合計する。
【００１４】
横型ホールセンサでは、４つのセンサを使うことが多く、適切な構成では、オフセットを空間スピン電流動作によりかなり大量にさらに減らすことができる。これについては、たとえば特許文献３を参照。
【００１５】
磁界をいくつかの空間方向に関して測定する場合、多くは、別々のホールセンサ素子を使用する。磁界の３つの空間方向を検出するためにたとえば別々のセンサを使用することは、一般に測定予定の磁界が１点ではなく異なる３点で測定されるという問題を引き起こす。図１０は、この様子を示し、図１０において、３つのホールセンサ１００２，１００４および１００６が示される。第１のホールセンサ１００２は、ｙ空間成分を検出するために設けられ、第２のホールセンサ１００４は、ｚ空間成分を検出するために設けられ、かつ第３のホールセンサ１００６は、ｘ空間成分を検出するために設けられる。個々のセンサ１００２，１００４および１００６は、個々のセンサのそれぞれおよそ中心で、磁界の対応する空間成分を測定する。
【００１６】
個々のセンサは、また、いくつかのホールセンサ素子から構成することができる。図１０は、各々４つのホールセンサ素子を有する３つの個別のホールセンサを例示し、図１０では、例として測定する磁界のｚ成分を検出する横型ホールセンサ１００４を想定し、かつ縦型ホールセンサ１００２と１００６は各々測定する磁界のｙまたはｘ成分を検出する。図１０に例示する空間磁界成分を検出する構成は、磁界が１点ではなく、個々のセンサのそれぞれ中心で測定されるという問題がある。このため、異なる位置で検出された磁界センサの磁界成分に基いては磁界の評価が正確にできず、改変は避けられない。
【００１７】
ホールセンサ素子による磁界の検出および評価の他の局面は、個々の素子の較正である。先行技術によれば、ホールセンサ素子は、概ね、個々のセンサの測定点に規定される磁界の発生を可能にする、所謂励磁線が設けられており、測定されたホール電圧を規定された磁界と、比較又は関連付けて、その後センサの較正を行う。
【００１８】
励磁導体は、ホールセンサにおける人工的磁界の発生を可能にし、それにより単純な基板試験、すなわち基板の直接上での試験および動作中の自己試験ならびに感受性の較正を可能にする。これについては、非特許文献２を参照。これは、動作中のセンサの自己監視が可能なため、自動車産業や医学技術等、安全性が重要な分野において、特に興味深い。
【００１９】
たとえば、図１０に例示するように磁界の空間成分を検出するためにいくつか個別のセンサを使用する場合、個々のセンサは、すべて較正のための励磁線をそれぞれ必要とし、かつ個々のセンサは、さらに個別に較正される。結果として、較正の作業は個々のセンサ素子の数にあわせて増減し、３つの磁界成分を空間的に検出する場合には、１つのセンサの較正作業に対して３倍に作業が増える。
【００２０】
磁界の評価、すなわち１点での測定を可能にする１つの方法は、スイス連邦工科大学ローザンヌ校の３Ｄセンサの使用であり、これについては、非特許文献３を参照。図１１は、半導体基板１１０２上に実現される、ホールセンサ１１００を模式的に示す。まず、３Ｄセンサは、４つの接点領域１１０４ａ〜ｄを有し、半導体基板１１０２では、これらの領域にわたって、電流を印加する。さらに、３Ｄセンサは、４つの測定接点領域１０６ａ〜ｄを有しており、これらの領域を介して、異なる磁気成分を検出することができる。配線１１１０を、図１１の右側に示す。４つの演算増幅器１１１２ａ〜ｄから構成される図示された配線は、個々の磁界成分に比例するホール電圧を評価して、それぞれの成分を信号Ｖｘ，ＶｙおよびＶｚという形で端子１１１４ａ〜ｃで出力する。
【００２１】
図示のセンサは、規定された外部で発生した磁界によってしか較正することができず、個別の励磁線を有していないという問題がある。さらに、その構造と動作モードにより、このセンサをスピン電流法等の補償法とともに作動させることはできない。また、図１１の構造のもう１つの問題は、半導体材料の汚染、接点配置の非対称性、結晶構造のばらつき等によって、この半導体装置がオフセット電圧を有する点である。これらは、それぞれスピンニング電流に適した補償配線によって抑制することはできない。こうして、センサは、合焦点で磁界成分を測定するが、高いオフセットを有しかつ制限された態様でしか正確な測定に適さない。図１２は、補償（スピン電流）に適した３Ｄセンサを示し、このセンサは、測定点で、空間磁界成分を検出する。これについては、非特許文献４、非特許文献５に記述される。図１２の上の部分は、３つの個別のセンサからなる図１０の３Ｄセンサを示す。図１２の上の部分は、空間磁界成分を検出するための３つの別個のセンサ１００２，１００４および１００６を示す。図１２の底部は、個々のセンサの別の構成を示す。この構成では、センサ１００４の測定点は、図１２の構成１２００の中心にあるので、センサ１００４は、変わらないままである。さらに、２つの個別のセンサ１００２および１００６は、分離することができる個別の素子からなる。センサ１００２は、２つのセンサ部１２０２ａおよび１２０２ｂにさらに分けられ、センサ素子１００４の中心の周りに対称に配設される。センサ１００６で同様の方法を行い、それによりこのセンサもそれぞれの空間軸に沿って、センサ素子１００４の中心の周りに対称に配設された２つのセンサ部１２０６ａと１２０６ｂに分けられる。個々のセンサ素子を対称に配設することで、磁界が構成の幾何学的中心にある１点で検出される。この構成の１つの欠点は、センサがいくつかの励磁線にわたってのみ較正できることである。以下では、図１２の下の部分の構成１２００については、較正のない画素セルと呼ぶことにする。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００２２】
【特許文献１】ＤＥ１０１５０９５５
【特許文献２】ＤＥ１０１５０９５０
【特許文献３】ＤＥ１９９４３１２８
【非特許文献】
【００２３】
【非特許文献１】Ｒ．Ｓ．ポポヴィッチ、「ホール効果装置、磁気センサおよび半導体の特徴付け」、アダム・ヒルガー、１９９１年、ＩＳＢＮ０−７５０３−００９６−５
【非特許文献２】ヤネス・トロンテル、「混合信号処理による集積磁気センサの最適化」、第１６回、ＩＥＥＥ予稿集、Ｖｏｌ．１
【非特許文献３】Ｃ．スコット、Ｒ．Ｓ．ポポヴィッチ、「集積３Ｄホール磁界センサ」、会議Transducers ’99、６月７日から１０日、仙台、日本、ＶＯＬ．１、第１６８頁から１７１頁、１９９９年
【非特許文献４】エンリコ・シューリッヒ、「ＣＭＯＳ技術における高感受性縦型ホールセンサ」
【非特許文献５】アルトング・ゴルレ・ヴェルラグ・コンスタンツ、２００５年、ＥＰＦＬ論文Ｎ°３１３４(２００４年) からの再版、ＩＳＳＮ１４３８−０６０９、ＩＳＢＮ３−８６６２８−０２３−８ＷＷ１８５ｆｆ
【発明の概要】
【００２４】
本発明の目的は、参照点で磁界成分を空間的に検出するための磁界センサを提供することである。その許容誤差は、好ましくは、高い信頼度で、苦もなく較正できるスピン電流動作によって、異なる動作段階における測定により効率的に補償でき、較正は測定動作中に実行でき、オン・ウエハテスト中および動作中の両方で、苦もなく効率的にテストすることができる。
【００２５】
この目的は、請求項１に記載の測定動作中に較正可能な磁界センサおよび請求項１１に記載の測定動作中に磁界センサを較正するための方法により達成される。
【００２６】
本発明は、参照点における磁界の第１、第２および第３の空間成分Ｂｚ、 ＢyおよびＢxを検出するための測定動作中に較正可能な磁界センサであって、磁界が、第１、第２および第３の測定磁界成分ＢＭｚ、 ＢＭｙおよびＢＭｘならびに第１、第２および第３の較正磁界成分ＢＫｚ、 ＢＫｙおよびＢＫｘを有するセンサを提供し、該センサは、参照点における第１の空間軸ｚに対しての、第１の測定磁界成分ＢＭｚおよび第１の較正磁界成分ＢＫｚを有する第１の磁界成分Ｂｚを検出するための第１のセンサ素子構成と、参照点における第２の空間軸yに対しての、第２の測定磁界成分ＢＭyおよび第２の較正磁界成分ＢＫyを有する第２の磁界成分Ｂyを検出するための第２のセンサ素子構成と、参照点における第３の空間軸xに対しての、第３の測定磁界成分ＢＭｘおよび第３の較正磁界成分ＢＫｘを有する第３の磁界成分Ｂｘを検出するための第３のセンサ素子構成を備える。磁界センサは、所定の電流を励磁線に印加する際に、第１のセンサ素子構成における第１の空間軸ｚに対して第１の所定の較正磁界成分ＢＫｚが発生し、第２のセンサ素子構成における第２の空間軸ｙに対して第２の所定の較正磁界成分ＢＫｙが発生し、かつ第３のセンサ素子構成における第３の空間軸ｘに対して第３の所定の較正磁界成分ＢＫｘが発生するように、第１のセンサ素子構成、第２のセンサ素子構成および第３のセンサ素子構成に対して配設された励磁線をさらに含み、３つの空間軸ｚ、ｙおよびｘは、一次独立の位置ベクトルに沿って存在する。
【００２７】
発明の目的は、参照点における磁界の第１、第２および第３の空間成分Ｂｚ、 ＢyおよびＢxを検出することにより、測定動作中に磁界センサを較正するための方法により解決され、磁界が、第１、第２および第３の測定磁界成分ＢＭｚ、 ＢＭｙおよびＢＭｘならびに第１、第２および第３の較正磁界成分ＢＫｚ、 ＢＫｙおよびＢＫｘを有し、該方法は、参照点における第１の空間軸ｚに対して、第１の測定磁界成分ＢＭｚおよび第１の較正磁界成分ＢＫｚを有する第１の磁界成分Ｂｚを検出するステップと、参照点における第２の空間軸yに対して、第２の測定磁界成分ＢＭyおよび第２の較正磁界成分ＢＫyを有する第２の磁界成分Ｂyを検出するステップとを含む。方法は、さらに、参照点における第３の空間軸ｘに対して、第３の測定磁界成分ＢＭｘおよびの第３の較正磁界成分ＢＫｘを有する第３の磁界成分Ｂｘを検出するステップと、第１、第２および第３の空間軸ｚ、ｙおよびｘに対して、第１、第２および第３の較正磁界成分ＢＫｚ、 ＢＫｙおよびＢＫｘを発生するステップとを含み、第１、第２、および第３の空間軸は、一次独立の位置ベクトルに沿って存在する。
【００２８】
本発明は、ある１点で磁界の成分を検出しかつスピン電流法等の補償法とともに作動させることが可能な、好ましくは対称に対にされる異なる磁界センサの空間的構成により、単一の励磁線により生じた較正磁界を付与することにより、動作中にこれを較正する可能性が提供されるとする知見に基く。本発明の磁界センサは、測定磁界と較正磁界に同時に存在することが可能で、かついくつかの測定段階からなる測定法、好ましくはスピン電流において作動させることができる。
【００２９】
個々の段階の測定結果の第１の結合により、測定予定の磁界から生じた測定成分の抽出が可能になり、かつ較正磁界から生じる成分および装置の許容誤差から生じる成分の両方が実質的に排除される。さらに、個々の測定段階の測定結果の第２の結合により、較正磁界から生じる測定成分の抽出が可能になり、測定予定の磁界の成分が実質的に排除される。
【００３０】
発明の磁界センサおよび発明の方法は、スピン電流法など従来の補償法を使用する場合でも、較正のためにあらたな測定段階を追加する必要がないという利点がある。
【００３１】
その幾何学的形状のため、すべての空間方向に較正磁界成分を発生する励磁線が給電され、すなわち較正磁界は、個々の測定段階からの測定結果の２つの結合が、記載の態様でできるような方向決めがされている。こうして、較正磁界の発生および方向が補償法の測定段階に適用されるかまたはこれに組み込まれる。これは、構成が単一の励磁線しか必要としないため、単純で、複雑でない試験の選択肢を発明の磁界センサが提供する点で有利である。たとえば、いくつかの発明の磁界センサの励磁線を継続接続にして、オンウエハテストでともに試験することもできる。
【００３２】
また、発明の磁界センサおよび方法は、動作中に磁界センサを較正でき、かつあらたなハードウエアや作業時間を必要としない点が有利である。たとえば、個々の測定段階の測定結果を、マイクロコントローラやプロセッサでそれぞれ結合したり評価して、追加の作業は一回の計算作業にとどめる。測定磁界成分および較正成分は、各々、同時にかつ補償された態様で得られる。これは、磁界センサを連続的に較正できたり調節できかつその機能性を測定の量または質に関して妥協する必要なく同時に監視できるため、自動車産業や医療技術などセキュリティが重要な応用には特に有利である。
【００３３】
本発明の好ましい実施例につて以下に添付の図面を参照して説明する。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】本発明による測定動作中に較正可能な磁界センサの実施例によるホールセンサ素子の模式構成図である。
【図２】本発明の磁界センサの実施例における較正方法を示すための模式的磁力線の断面図である。
【図３】本発明の他の実施例によるホールセンサ素子の模式構成図である。
【図４ａ】本発明の補償方法を示すための実施例におけるホールセンサ素子の模式的配線図および等価図である。
【図４ｂ】本発明の補償方法を示すための実施例におけるホールセンサ素子の模式的配線図および等価図である。
【図４ｃ】本発明の補償方法を示すための実施例におけるホールセンサ素子の模式的配線図および等価図である。
【図４ｄ】本発明の補償方法を示すための実施例におけるホールセンサ素子の模式的配線図および等価図である。
【図５】本発明の磁界センサの他の実施例によるホールセンサ素子の他の構成を示す図である。
【図６】較正方法を示すための他の実施例によるホールセンサ素子の模式構成図である。
【図７】他の実施例による較正法を示すための模式構成図である。
【図８】空間磁界成分を検出するためのいくつかのセンサ素子の配列の実施例の図である。
【図９ａ】先行技術による横型ホールセンサ素子の模式構造図である。
【図９ｂ】先行技術による縦型ホールセンサ素子の模式構造図である。
【図１０】先行技術による磁界成分を空間的に検出するための個々のセンサの模式構成図である。
【図１１】先行技術による磁界の空間成分を検出するための他の３Ｄセンサの図である。
【図１２】１点で空間磁界を検出するための個々のホールセンサ素子の模式構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００３５】
なお、以下の説明に関しては、異なる実施例内の等しいまたは類似する機能素子については同じ参照番号を付与し、以下の様々な実施例内において交換可能とする。
【００３６】
第１の実施例による動作中に較正可能な磁界センサ１００の発明の構造について図１を参照して説明する。図１は、参照点１０１で磁界を検出するための発明の磁界センサ１００の実施例を示す。また、図１は、第１のセンサ素子構成１０２、第２のセンサ素子構成１０４および第３のセンサ素子構成１０６を示す。また、励磁線１０８が図１に示される。
【００３７】
磁界センサは、たとえば、構成のｘ−ｙ平面に対して平行な主表面を有する基板上に実現でき、ｚ成分は、それに直角をなす。応じて、磁界は、各々測定磁界成分ＢMｚ、ＢMｙおよびＢMｘおよび較正磁界成分ＢKｚ、ＢKｙおよびＢKｘからなる３つの成分Ｂz、ＢｙおよびＢｘに分けられる。
【００３８】
図１に示すとおり、参照点１０１で電流密度の磁界Ｂ（ベクトル）の第１、第２および第３の空間成分Ｂz、ＢｙおよびＢｘを検出するために、磁界センサ１００は、参照点１０１で、第１の空間軸ｚに関する第１の測定磁界成分ＢMｚおよび第１の較正磁界成分ＢKｚを有する第１の磁界成分Ｂzを検出するための第１のセンサ素子構成１０２を有する。一実施例では、センサ素子構成１０２は、測定点が参照点１０１にある横型ホールセンサ素子により実現されることが好ましい。
【００３９】
また、磁界センサ１００は、参照点１０１で、第２の空間軸ｙに関する第２の測定磁界成分ＢMｙおよび第２の較正磁界成分ＢKｙを有する第２の磁界成分Ｂｙを検出するための第２のセンサ素子構成１０４を有する。一実施例では、センサ素子構成１０４は、参照点１０１に対して対称な対にされた、いくつかの縦型ホールセンサ素子の配列により実現されることが好ましい。また、磁界センサ１００は、参照点１０１で、第３の空間軸ｘに関する第３の測定磁界成分ＢＭｘおよび第３の較正磁界成分ＢＫｘを有する第３の磁界成分Ｂｘを検出するための第３のセンサ素子構成１０６を備える。一実施例では、センサ素子構成１０６は、参照点１０１に対して対称な対にされたいくつかの縦型ホールセンサ素子の配列により実現されることが好ましい。
【００４０】
励磁線１０８へ所定の電流を印加すれば、第１のセンサ素子構成１０２における第１の空間軸ｚに対する第１の所定の較正磁界成分ＢKzが発生し、第２のセンサ素子構成１０４における第２の空間軸ｙに対する第２の所定の較正磁界成分ＢKｙが発生し、かつ第３のセンサ素子構成１０６における第３の空間軸ｘに対する所定の較正磁界成分ＢKｘが発生するよう、磁界センサ１００の励磁線１０８は、第１のセンサ構成１０２、第２のセンサ構成１０４および第３のセンサ構成１０６に関して、配設されることが好ましく、この３つの空間軸、ｚ、ｙおよびｘは、一次独立の位置ベクトルに沿って存在する。
【００４１】
図１の実施例では、３つの空間軸ｚ、ｙおよびｘの位置ベクトルは直交し、かつ３つのセンサ素子構成は、その直交成分である、Ｂｚ＝ＢＭｚ＋ＢＫｚ、 Ｂｙ＝ＢＭｙ＋ＢＫｙおよびＢｘ＝ＢＭｘ＋ＢＫｘによる磁界を検出する。簡素化のため、ここでかつこれ以降の記述においては、磁界は、その成分Ｂｚ、ＢｙおよびＢｘによって、直交して配列されたセンサ素子構成によって検出されるものとする。本発明の他の実施例では、センサ素子は、測定磁界の空間成分を完全に検出できる限り、基本的にどの方向に配列されてもよい。
【００４２】
図２は、較正磁界成分ＢＫｚ、ＢＫｙおよびＢＫｘの生成を説明するための磁界センサ１００の断面図である。図２の断面図では、中央に第１のセンサ素子構成１０２が見られ、第２のセンサ素子構成１０６の断面が見られ、その断面は、各々第１のセンサ素子構成１０２の左と右に見える。基板の主表面（ｘ−ｙ平面）に関して、第２のセンサ素子構成１０６の上には、励磁線１０８がある。励磁線１０８の幾何学的形状、すなわち長さと寸法は、印加電流がわかっているので、励磁線１０８に帰することができる所定の磁気較正電流密度ＢＫｚ、ＢＫｙおよびＢＫｘが存在するように選択される。較正電流密度は、電流ＩＥおよび高さ、幅、厚さ、材料、相対位置等の励磁線１０８の幾何学的形状または特性それぞれにより規定される態様で調整でき、かつセンサ素子構成は、関連ホール電圧を決定しかつ関連付けすることにより較正され得る。磁気較正電流密度がわかっていれば、それにより発生するホール電圧を関連付け、こうして磁界センサを較正可能にすることができる。
【００４３】
磁気較正電流密度がわかっていれば、それにより発生したホール電圧を関連付けることができ、こうして磁界センサを較正可能にすることができる。
【００４４】
説明した実施例では、電流ＩＥが励磁線を流れ、図２の断面図では、電流が右の励磁線１０８を介して構成に流れ込みかつ再び励磁線１０８を介して左側へ出ると仮定する。励磁線１０８を介して流れる電流は、磁界を発生させ、その磁界線が図２の励磁線１０８を中心にした同心円２００により示される。センサ素子構成１０２には、全ての磁界線２００が同じ方向に散在していることがわかる。さらに、図２に示すセンサ素子構成の断面図には、逆の意味でも磁界線２００が散在する。同様に、これは、明瞭化のために図２では図示を省略した、配列がセンサ素子構成１０６と等価な第３のセンサ素子構成１０４にも当てはまる。個々のセンサ素子構成に散在する磁界線２００のパターンおよび磁界線２００の配向は、励磁線１０８で発生させた磁界でセンサ素子構成１０２の較正が可能であることを示す一方、第２および第３のセンサ素子構成１０４および１０６の較正には、反対に作用する磁界線の補償が必要であることがわかる。
【００４５】
図２からわかるとおり、磁界センサの較正および測定磁界の検出は、さまざまな動作段階で行うことが可能で、その間、励磁電流は、異なる極性（方向）が考えられ、かつセンサ素子構成は、交互にホール電圧を付与する。第１、第２および第３のセンサ素子構成１０２、１０４および１０６は、さまざまな動作段階で作動させることができ、全ての動作段階で、第１、第２および第３のセンサ素子構成１０２、１０４および１０６の各々がその動作段階に起因する測定信号を付与し、これら動作段階に起因する測定信号は、測定磁界成分の影響が、第１の合計測定値においては抑えられるよう、第１の一次結合により第１の合計測定値に結合され、または較正磁界成分の影響が第２の合計測定値においては抑えられるように、動作段階に起因する測定信号を、第２の一次結合により第２の合計測定値に結合することができる。第１または第２の合計測定値それぞれにおける、測定磁界成分または較正磁界成分のそれぞれの影響は、第１および第２の合計測定値の１０％、１％または０．１％を下回るようにすることができる。動作段階および異なる較正磁界成分または測定磁界成分の検出それぞれについて、他の好ましい実施例について、図３および図４を参照しながら、以下に説明することにする。
【００４６】
このため、本発明の他の好ましい実施例について、図３に示す。図３は、本発明の磁界センサ１００の好ましい実施例を示す。同様に、磁界センサ１００は、参照点１０１を中心に配置された第１のセンサ素子構成１０２と、第２のセンサ素子構成１０４と、第３のセンサ素子構成１０６とを含む。また、磁界センサ１００は、励磁線１０８を含む。図３の構成では、センサ素子構成１０４および１０６は、各々、参照点１０１に対して対称な対１０４ａｂと１０４ｃｄまたは１０６ａｂと１０６ｃｄに配列される４つの個別のセンサ素子を有する。
【００４７】
図３に示す実施例では、センサ素子構成１０４および１０６は、たとえば縦型ホールセンサ素子の配列により実現することが可能である。図３の実施例における第２のセンサ素子構成１０４は、４つの個別のセンサ素子１０４ａ〜ｄにより構成される。同じように、第３のセンサ素子構成１０６は、４つの好ましくは等しいセンサ素子１０６ａ〜ｄにより構成される。１０４a〜ｄおよび１０６ａ〜ｄ等の個別のセンサ素子を使用することで、補償配線において個々の素子を配線することが可能になる。
【００４８】
図４は、縦の個々の素子の発明による配線を示し、かつ補償概念の原理を説明する図である。図４ａＩは、たとえば、素子１０４ａ〜ｄを有する第２のセンサ素子構成１０４における４つの縦型ホールセンサ素子の配線を示す図である。図４ａＩに示す構成では、縦型３ピンホールセンサ素子が使用され、これらは図３による１つの軸上に配線されることが好ましい。図４ａＩは、２つの縦型ホールセンサ素子対１０４ａｂと１０４ｃｄを示す。２つのセンサ素子１０４ａと１０４ｂは、センサ素子対１０４ａｂを構成し、２つのセンサ素子１０４ｃと１０４ｄがセンサ素子対１０４ｃｄを構成する。この実施例では、１つの縦型ホールセンサ素子対が各々図３に従う参照点１０１を中心として対称に配列される磁界成分を検出するためのセンサを構成する。センサ素子対１０４ａｂと１０４ｃｄは、たとえば磁界のＢｙ成分を検出する。
【００４９】
２つの縦型ホールセンサ素子対１０４aｂと１０４ｃｄは、構造についてこれ以降、縦型ホールセンサ素子対１０４ａｂを対象に説明できるように、同じ構造になっている。このことは、たとえば磁界のＢｘ成分を検出するホールセンサ素子対１０６ａｂおよび１０６ｃｄにもあてはまる。縦型ホールセンサ素子対１０４ａｂは、２つの縦型ホールセンサ素子１０４ａおよび１０４ｂから構成される。好ましくは、全ての縦型ホールセンサ素子が、各々３つの接点領域を有し、ここで想定する実施例の構成では、外部接点１１５および１１６ならびに内部接点１１７および１１８が電気的に相互に結合されており、かつ接点１９および１２０が、ホール電圧を検出するために実現される。図４ａＩに示すように、全体で、４つの接点端子Ｔ０〜Ｔ３があり、これにより２つのセンサ素子構成１０４ａｂおよび１０４ｃｄが並列に接続される。電流ＩＨが接点端子Ｔ０およびＴ２の間に印加されると、図４ａＩに示すように、それぞれの成分を有する磁界が存在する場合、接点端子Ｔ１とＴ３の間でホール電圧ＵＨを測定することができる。
【００５０】
第２の縦型ホールセンサ素子対１０４ｃｄの構造は同じである。ただし、接点端子Ｔ０〜Ｔ３の位置が縦型ホールセンサ素子対１０４ａｂに対して１つずれている。つまり、接点１１５および１１６が端子Ｔ１に結合され、接点１１７および１１８が端子Ｔ３に結合され、接点１１９が端子Ｔ２に接続され、かつ接点１２０が端子Ｔ４に接続される。
【００５１】
縦型ホールセンサ素子対１０４ｃｄにおける接点端子Ｔ０およびＴ２の間に電流が印加されると、構成は分圧器として機能しかつ端子Ｔ１とＴ３との間ではホール電圧は測定できない。ブリッジ電圧は、装置の許容誤差または異質性等が発生する場合にのみＴ１とＴ３の間で測定可能である。これは、センサ素子対１０６ａｂおよび１０６ｃｄにもあてはまる。
【００５２】
図４ａＩＩは、図４ａＩに示すホールセンサ素子対構成の電気的等価図である。図４ａＩにおいては、説明目的で、個々の接点端子Ｔ０とＴ３との間のそれぞれのオーム抵抗が、点線で示される。第１の縦型ホールセンサ素子対１０４ａｂについては、接点領域１１５と接点端子Ｔ１に接続された接点領域１１９との間に抵抗Ｒ11が生じ、接点端子Ｔ１と接点領域１１７との間に抵抗Ｒ12が生じ、接点領域１１８と接点端子Ｔ３に接続された接点領域との間に抵抗Ｒ13が生じ、かつ接点領域Ｔ３に接続された接点領域と接点領域１１６との間に抵抗Ｒ14が生じる。同様に、縦型ホールセンサ素子対１０４ｃｄについての等価な抵抗器が、抵抗Ｒ21、Ｒ22、Ｒ23、およびＲ24により示される。
【００５３】
図４ａＩＩは、センサ素子対１０４ａｂと１０４ｃｄのそれぞれの端子Ｔ０〜Ｔ３の並列接続を有する電気的等価図であり、これは、ホイートストーンブリッジに相当する。図４ａＩに示す配線に基づき、磁界が存在せず、接点端子Ｔ０とＴ２との間に電圧Ｕが印加され、それにより電流Ｉが印加されたと仮定すれば、第１の測定段階である、測定段階０において、接点端子Ｔ１とＴ３の間に以下の式（１）で表す電圧が生じる。
【００５４】
【数１】
2010500536.tif 000003
【００５５】
図４ｂＩは、測定段階１の、２つの縦型ホールセンサ素子対１０４ａｂおよび１０４ｃｄの配線を示す。電圧Ｕに対して接点端子Ｔ１およびＴ３の間に電流が印加され、縦型ホールセンサ素子対１０４ａｂは、今度は分圧器として機能し、一方、縦型ホールセンサ素子対１０４ｃｄは、端子ｔ０，Ｔ２でホール電圧を供給する。
【００５６】
図４ｂＩＩは、磁界が存在しないと仮定した、測定段階１におけるセンサ素子構成の電気的等価図である。測定段階１について端子Ｔ０とＴ２の間には以下のような結果が得られる。
【００５７】
【数２】
2010500536.tif 000004
【００５８】
同様に、図４ｃＩは、測定段階２の構成を示す。電流Ｉを端子Ｔ２とＴ０間の電圧Ｕに対して印加して、縦型ホールセンサ素子対１０４ｃｄが、測定段階２における分圧器として機能し、縦型ホールセンサ素子対１０４ａｂが、測定段階０に対して逆極性の方向に作動される。
【００５９】
図４ｃＩＩは、電気等価図であり、これも、磁界が存在しないと仮定している。この場合、端子Ｔ１とＴ３との間に以下の結果が得られる。
【００６０】
【数３】
2010500536.tif 000005
【００６１】
図４ｄＩは、測定段階３における、2つの縦型ホールセンサ素子対１０４ａｂと１０４ａの配列を示す図である。測定段階３では、電流Ｉが接点端子Ｔ３とＴ１との間に印加され、縦型ホールセンサ素子対１０４ａｂが、分圧器として機能するようになっている。測定段階１と比べると、縦型ホールセンサ素子対１０４ｃｄは、逆極性の方向に作動される。図４ｄＩＩは、電気的等価図であり、端子Ｔ０とＴ２の間に以下のような結果が生じる。
【数４】
2010500536.tif 000006
【００６２】
式（１）から（４）によれば、
【数５】
2010500536.tif 000007
および
【数６】
2010500536.tif 000008
【００６３】
となる。これは、個々の量測定段階からの測定電圧を加算することにより、予想されるオフセット電圧を補償することができることを意味する。この電流の供給が接点端子を介して回転するため、これはまたスピン電流のことも意味する。こうして、上記の方法により、汚染、非対称性、圧電効果、老朽化等の装置の許容誤差から生じるばらつきを補償することができる。式（１）〜（６）は、センサ素子の特定の抵抗値についてなんらの仮定も行われていないので、いずれの抵抗値についても、これが可能であることを示す。
【００６４】
また、図４ａ〜ｄでは、一方の測定段階において各々１つの縦型ホールセンサ素子対しか活性状態にないが、他方は分圧器として切り替えられる。図２を参照して、これは、個別の測定段階において、センサ素子構成１０６の一方側のみが磁界線２００に反応し、他方は現在付与されている磁界とは無関係の分圧器として機能することを意味する。
【００６５】
こうして、図３による実施例においては、縦型３ピンホールセンサ素子対を第２のセンサ素子構成１０４および第３のセンサ素子構成１０６を実現するために使用することが好ましい。図４ａ〜ｄに基き記述した測定段階は、ホールセンサ素子の空間方向に関係なく実施することができる。縦型３ピンセンサを使用して、スピン電流法を採用するため、すなわち補償法で、縦型３ピンセンサを作動させるには、動作中に２つの単純な素子を使用する必要がある。
【００６６】
図３に示す、本発明の一実施例によれば、２つの縦型３ピンホールセンサ素子対を並列に接続する。これらは、これら２つがセンサとしてホール電圧を供給するように常に接続され、一方、他の２つは分圧器として機能し、オフセットを抑制する。たとえば、測定段階０で、制御電圧を接点端子Ｔ０とＴ２との間に印加し、図４ａＩを参照して、このことにより縦型ホールセンサ素子対１０４ａｂにおける接点端子Ｔ１およびＴ３の間に、ホール電圧ＵＨが形成される。縦型ホールセンサ素子対１０４ｃｄは、接点が１段階ずれており、分圧器としてのみ動作し、かつホール電圧には寄与しない。縦型ホールセンサ素子対１０４ｃｄの信号は、オフセットを抑えるためのみに使用される。
【００６７】
測定段階１において、制御電圧が、接点端子Ｔ１とＴ３との間に印加される。これにより、縦型ホールセンサ素子対１０４ｃｄでホール電圧が形成され、縦型ホールセンサ素子対１０４ａｂは、分圧器としてのみ機能するという効果がある。測定段階２は、測定段階０と等価であり、制御電圧は、接点端子Ｔ２とＴ０との間に印加される。縦型ホールセンサ素子対１０４ａｂは、ホール電圧を発生し、センサ２は、再び分圧器として機能する。同様に、測定段階３は、測定段階１と等価であり、制御電圧が接点端子Ｔ３とＴ１との間に印加される。そして、縦型ホールセンサ素子対１０４ａｂが、分圧器として機能し、かつ縦型ホールセンサ素子対１０４ｃｄがホール電圧を発生する。
【００６８】
本発明におけるセンサには３ピンホールセンサを使用することが好ましい。基本的には、他の縦型ホールセンサ、たとえば、４ピン、５ピン、６ピン等の縦型ホールセンサとして実現される個々のセンサ素子を発明の範囲において使用することができる。重要なのは、これを動作段階において異なる感度で作動させることができること、または動作のそれぞれの動作モードによって異なる感度を発生できるということだけである。ここで、図４の実施例に関して、例として説明した、対称に構成された個々のセンサ素子および対称に構成された個々のセンサ素子の配線が可能である。たとえば、本発明の一実施例においては、５ピンセンサを使用することが可能で、５ピンの個別のセンサ素子をすでにスピン電流モードでかつ様々な感度の両方で作動させることができるため、５ピンの個々の素子ひとつひとつが発明のセンサ素子構成を実現する。この実施例では、対称配列された５ピンの個別センサ素子を異なる感度で同時に作動させ、反対に配向される較正磁界成分が互いに完全に補償し合わない様にし、かつ較正磁界成分および／または測定磁界成分が抽出されるようになっている。本発明によれば、２つの対称に配列されたセンサ素子は、測定量をそれぞれ結合することにより、個々の動作段階から抽出することが可能な様々な動作段階における測定磁界成分と較正磁界成分の両方を検出するのにも適している。こうして、このセンサは動作中にも較正することができる。
【００６９】
参照点で磁界の空間成分を検出するため、並びに較正および測定方法の発明の思想の記述を簡素化するため、それぞれ較正磁界または測定磁界のｙおよびｘ方向の成分を検出するための縦型３ピンセンサ素子に基く磁界センサの実現およびそれぞれのｚ方向の成分を検出するための横型センサ素子について説明する。基本的に、発明の磁界センサおよび発明の方法は、様々な個別のセンサ素子の他の組み合わせによっても可能である。
【００７０】
図５は、本発明の他の実施例による磁界センサ１００の他の実施例を示す図である。図５において、第１のセンサ素子構成１０２、第２のセンサ素子構成１０４および第３のセンサ素子構成１０６は、点線で示す。また、図５は、励磁線１０８を示す図である。前述の実施例に関してすでに述べたとおり、３つのセンサ素子構成１０２，１０４および１０６を実現するために個々の素子が接続される。こうして、たとえば、図４ａ〜ｄを参照して述べた３ピン縦型ホールセンサ素子およびホールセンサ素子対により第２のセンサ素子構成１０４および第３のセンサ素子構成１０６が実現される。図５では、第２のセンサ素子構成１０４を、４つの縦型ホールセンサ素子１０４ａ〜ｄにより実現し、第３のセンサ素子構成１０６を縦型ホールセンサ素子１０６ａ〜ｄにより実現する。
【００７１】
ここまで、横型ホールセンサにより実現されるものとして説明した第１のセンサ素子構成１０２は、図５による実施例では、４つの個別の素子１０２ａ〜ｄを有する。こうして、図５に示す磁界センサ１００は、４つの横型ホールセンサ１０２ａ〜ｄ並びに８つの好ましくは縦型の３ピンホールセンサ１０４ａ〜ｄおよび１０６ａ〜ｄの組み合わせである。好ましい実施例においては、それぞれのセンサにより測定される測定平面が相互に直交しているが、一般に条件としては、個々のセンサの測定平面が一次独立の位置ベクトルに沿っていて、すべての空間方向の磁界成分を検出できれば十分である。
【００７２】
図４に示す一実施例では、４つの縦型３ピンホールセンサ素子１０４ａ〜ｄおよび１０６ａ〜ｄを図５の表面に接線をなす各軸について使用し、すべてのセンサを中心または参照点１０１を中心に対称に配列する。縦型ホールセンサ素子は、上記の通り接続され、かつ上記の測定段階０〜３に従いスピン電流動作で作動させるものとする。発明の較正可能な磁界センサおよび較正方法をより詳しく説明するため、励磁線１０８にも測定段階中に、電流を供給する。
【００７３】
図６は、再び図５の磁界センサ１００の実施例を示し、説明を明瞭にするため、動作モードを説明するために関連の参照番号のみを示す。図６では、電流は励磁線１０８を介して流れ、こうして較正磁界が発生する。図６においては、較正磁界の磁界線の方向を示す矢印が、すべての縦型ホールセンサ素子の隣に存在する。また、図６のホールセンサ素子対１０６ｃ〜ｄ等のひとつのホールセンサ素子対内の２つの縦型３ピンホールセンサ素子は、スピン電流モードで作動させることを想定する。
【００７４】
図７は、センサ素子１０６ｂ，１０６ｄ，１０２ｃおよび１０２ｄに関して磁界線２００のパターンを再び示す図である。発生する磁界が、あるときは正の方向にまたあるときは負の方向に、縦型ホールセンサ素子１０６ｂおよび１０６ｄに作用するので、一本の励磁線での励磁は、当初無理のように思われる。縦型３ピンホールセンサ素子１０６ａ〜ｄおよび１０４ａ〜らｄの、スピン電流動作、すなわち測定段階０〜３における動作のモードを考えれば、ひとつの測定段階で、１つのホールセンサ素子対が各々分圧器として機能して、磁界成分を検出しないのは明らかである。
【００７５】
スピン電流動作で作動させる２つの縦型ホールセンサ素子対が、１つのセンサ素子構成において交互にのみ活性化されるので、単独の励磁線１０８を使用することが可能である。励磁線の電流は、個々の測定段階で切り替えられ、その励磁方向が変更され、それぞれの活性状態で同じ方向にホールセンサ素子対を励磁する。横型センサ１０２ｃおよび１０２ｄについては、それらは、一方の測定段階では正方向に、もう一方の測定段階では負の方向に励磁されることを意味する。したがって、完全なセンサが動作可能になるように、スピン電流動作の４つの段階すべてを考える必要がある。
【００７６】
以下の表において発明の構成の制御を示す。制御電圧の列では、制御電流印加の端子を示し、ホールタッピングの列では、ホール電圧がタッピングされる端子を示し、励磁の列では、励磁電流の極性を示し、ホール電圧の列では、ホール電圧の符号を示し、かつ残りの２つの列では、較正磁界の較正磁界成分の極性を示す。
【００７７】
【表１】
2010500536.tif 000009
【００７８】
励磁線１０８は、測定段階０における正の電流を給電され、測定段階１と２では負の電流を給電され、測定段階３では再び正の電流を給電される。このことは、較正が実行されている間に、ホール電圧が測定できるという効果がある。縦型ホールセンサ素子１０４ａ〜ｄおよび１０６ａ〜ｄについては、測定段階０と１の間に励磁線１０８の符号の変更が起こり、同じ方向にそれぞれ活性の縦型ホールセンサ素子に較正磁界が印加される。また、縦方向ホールセンサ素子１０４ａ〜ｄおよび１０６ａ〜ｄに関して、測定段階０〜１から測定段階２〜３に較正磁界の符号の変更が起こり、それにより４つすべてのスピン電流段階を加算すると、相互に相殺し合う較正磁界成分が生じる。４つの測定段階の間に、４つの測定されたホール電圧ＵＨを加算する場合には、符号を訂正する方式で、実際のホール電圧を加算するので、この過程においては、測定磁界に起因し得る部分だけが残る。
【００７９】
横型ホールセンサ素子１０２ａ〜ｄに関しては、較正磁界は、同方向にすべての横型ホールセンサ素子に印加される。これは、励磁線１２０８における電流の符号が変わるたびに、それぞれの較正磁界成分と起因測定電圧の符号の変更が生じることを意味する。これも、４つのスピン電流段階で測定されるすべての測定信号を加算する際に、較正磁界の部分が相互に相殺し合い、測定磁界の部分が建設的な形で重なり、かつ理想的な場合においては、較正磁界について調節されるという効果を有する。実際には、合計測定値の１０％、1％または０．１％を下回るオーダの許容誤差の範囲までの較正磁界成分の減少が可能である。
【００８０】
測定を行っている間、すなわち、磁界センサが磁界内にある時に、較正を行うことを可能にするため、同じ工程を適用する。縦型ホールセンサ素子１０４ａ〜ｄおよび１０６ａ〜ｄに関しては、較正磁界は、測定段階０および１においては正の方向に付与され、一方、測定段階２および３においては、活性の縦型ホールセンサ素子に対して負の方向に較正磁界が付与される。そこで、最初の２つの段階からの測定信号を加算し、かつ、次の２つの測定段階の測定信号を減算することにより、較正ホール電圧を得ることができる。これにより、測定される実際の信号が得られるが、これは、単に互いに相殺し合う、測定磁界に帰する測定信号を意味し、一方、較正磁界に起因する測定信号のみが建設的な態様で重なる。個々の測定段階からの測定信号をそれぞ結合させて、他に測定する磁界が同時に存在する場合でも、較正磁界成分を抽出することができる。
【００８１】
横型ホールセンサ素子１０２ａ〜ｄに関しては、較正磁界は、測定段階０および３において、正の方向に印加され、かつ測定段階１および２においては負の方向に印加される。較正磁界に起因する較正ホール電圧は、こうして、測定段階０および３の測定信号を加算し、かつ、測定段階１および２の測定信号を減算することにより得ることができる。この場合、理想的な場合では、測定磁界成分が互いを完全に打ち消しあうので、それぞれ結合させることにより、較正磁界にのみ起因する測定信号を抽出することができる。実際には、合計測定値の１０％、1％または０．１％を下回るオーダの許容誤差の範囲まで測定磁界成分を減少させることができる。
【００８２】
４つのスピン電流測定段階において測定された測定信号を加算することによりすべてのホールセンサにおいて、測定磁界成分に起因する測定信号が得られる。
【００８３】
最大ホール電圧＝個々の測定段階０〜３の信号の合計
【００８４】
較正磁界成分を抽出するために、４つの測定段階または、スピン電流段階それぞれからの測定信号を以下の通り加算する。
【００８５】
縦型センサの較正磁界成分＝測定段階０+測定段階１-測定段階２-測定段階３。
【００８６】
横型センサの較正磁界成分＝測定段階０−測定段階１-測定段階２+測定段階３。
【００８７】
原則的には、励磁電流の極性を逆転させ、かつ測定段階を交換することにより他の結合の選択肢を提供することができる。本発明によれば、一般に、それぞれ測定信号の異なる結合により、測定磁界成分をより少ない較正磁界成分で、または較正磁界成分をより少ない測定磁界成分で抽出することが可能である。測定磁界に起因する測定信号成分は理論的にはこの一次結合により排除され、１つの較正磁界成分のみが残る。実際の応用においては、測定磁界の影響は、較正磁界成分を抽出する記載のタイプの一次結合によりかなり抑制することができる。他の一次結合によれば、オフセットが補償された測定磁界成分を抽出するため較正磁界成分を概ね抑制することが可能である。実際には、合計測定値の１０％、1％または０．１％を下回るオーダでの割合まで較正磁界成分を減少させることができる。
【００８８】
図８は、第１のセンサ素子構成１０２の他の実施例の図である。図８は、２つの横型ホールセンサ素子対を各々正方形に配置し、個々の横型ホールセンサ素子対が参照点１０１に対して対角線上に配列される実施例を示す図である。ここで、第１のセンサ素子構成１０２は、全部で４つの横型ホールセンサ素子１０２ａ〜ｄからなる。また、すべてのホールセンサ素子１０２ａ〜ｄは、４つの接点電極Ｋ１〜Ｋ４を有する。図８に示す実施例では、個々のホールセンサ素子１０２ａ〜ｄの接点電極Ｋ１、接点電極Ｋ２、接点電極Ｋ３および接点電極Ｋ４が並列に接続され、介在するスィッチなしに互いに直結されている。この図では、ホールセンサ素子１０２ａ〜ｄの接点電極Ｋ１および接点電極Ｋ３は、電流印加接点を構成し、一方、ホールセンサ素子１０２ａ〜ｄの接点電極Ｋ２および接点電極Ｋ４は、ホール電圧を検出するための測定端子を提供する。動作電流を供給するための接点電極とホール電圧を検出するための接点電極とが個々のホールセンサ素子に配設され、印加された動作電流の電流方向がそれぞれタッピングされたホール電圧の方向に対して直角をなすようになっている。
【００８９】
本件の構成では、各ホールセンサ素子対の２つのホールセンサ素子、すなわち１０２ａおよび１０２ｄまたは１０２ｂおよび１０２ｃにおける動作電流方向は、相互に９０°回転させる。第２のホールセンサ素子対の電流方向は、第１のホールセンサ素子対の電流方向に関して４５°の角度でオフセットされている。
【００９０】
本発明のホールセンサ構成の実際の実現例では、すべての対の２つのホールセンサ素子における動作電流方向が、相互に対して回転させられる角度が、９０°という理想的な値からずれる可能性があり、たとえば８０°から１００°という範囲にわたることが可能で、この範囲の角度は、本実施例の観点からは、実質的に９０°という角度として考えることができる。ホールセンサ素子１０２ａ〜ｄの結線された接点電極Ｋ１、Ｋ２、Ｋ３およびＫ４が、各々、４つの位置、すなわち接点電極Ｋ１，Ｋ２，Ｋ３およびＫ４の間で切り替え可能なスィッチＳ１，Ｓ２，Ｓ３およびＳ４に接続される。スィッチＳ１〜Ｓ４で、接点電極Ｋ１〜Ｋ４は、動作電流ＩBを供給するための電源端子として、またはホールセンサ構成の個々の測定段階におけるホール電圧ＵＨを検出するための測定端子としてともに切り替えることができる。こうして、スィッチを切り替えることにより、第１のセンサ素子構成１０２においてスピン電流法を行うことが可能になる。
【００９１】
原則的には、他の実施例も可能である。ここに明示的に説明していないホールセンサ構成の他の実施例は、たとえば、２対を超える数のホールセンサ素子を使用するものなどが考えられる。これは、一般に２つまたは４つのホールセンサ素子の使用に限定されるわけではない、縦型ホールセンサ素子構成についてもあてはまる。より多い数のホールセンサが使用された場合でも、図８の実施例の場合と同様、各対の２つのホールセンサ素子における電流方向は相互に９０°実質的にオフセットさせることが可能である。ここで、１対の２つのホールセンサ素子もホールセンサ素子の寸法に関して幾何学的に等しくかつ密に近接している必要があり、かつ、全体のセンサ構成において相互に下、隣、または対角線上に配列することができる。構成の幾何学的形状に関しては、ある一定の許容誤差の範囲において、測定する参照点を中心とした対称にすることが必要である。２以上のホールセンサ素子対の電流方向は、互いに対してかつ９０°／ｎの角度で回転しており、ｎは使用されるすべてのホールセンサ素子対の数であり、２以上である。たとえば、３つのホールセンサ素子が使用される場合、個々のホールセンサ素子対における電流の方向は、実質的に３０°の角度でオフセットされることになる。センサ構成のセンサ素子対は、相互に隣に配設されるか、または、二次対角に配列され、ホールセンサ素子が、できるだけ相互に近接して対にされている。
【００９２】
要するに、測定動作中に較正可能な磁気３Ｄポイントセンサに関する発明の概念については、本発明の実施例の磁気センサも単一の励磁導体しか必要としないと言える。本件は、３つの磁界成分すべてが１点で非常に良好な近似値で測定でき、装置の許容誤差、半導体材料の汚染、半導体材料における構造的非均一性などで発生するオフセットを、たとえばスピン電流の原理により補償することができ、かつそのため測定値は、ほとんどオフセットなして得られる点が有利である。任意数の巻き線を有し得る励磁ループを使用することにより、３つ全部のセンサのオンチップテストである単純な基板テストが可能になる。また、測定磁界成分に起因する測定信号部分および較正磁界成分に起因する測定信号部分の両方をかなり減らすことができるため、個々の測定段階からの測定信号を結合することにより、測定動作を行っている間に自己テストを行うことが可能である。こうして、動作中に、この磁界センサにおける感度較正を行うことができる。別々の評価電子部品を有する３つのセンサ全てが故障する可能性は極めて低いので、励磁ループ自体をテストすることもできる。
【００９３】
さらに、本発明について、縦型３ピンホールセンサを例にとって説明したが、発明は、一般にこれらのセンサについてのみ限定されるわけではない。たとえば、５ピンホールセンサ（たとえば特許文献１および特許文献２を参照）または一般にいずれのセンサを使用することも可能で、円形または円弧型の構成も可能である。磁界センサの幾何学的形状については、使用するセンサ素子構成が各々共通の参照点で磁界を検出する必要があり、これは、上記の説明と同様、対にして参照点を中心に対称に配置することで実質的に達成可能である。補償方法と較正方法を意味する測定方法は、こうしてそれぞれのホールセンサおよびその幾何学的形状に適用することができる。
【００９４】
なお、状況に応じて、発明の方法はソフトウエアでも実現できる。これは、それぞれの方法を実行するようプログラマブル・コンピュータ・システムおよび／またはマイクロコントローラと協働可能な、電気的に読み出し可能な制御信号を用いて、特に、ディスクまたはＣＤ等のデジタル記憶媒体上で実現可能である。一般には、本発明は、コンピュータプログラム製品がコンピュータおよび／またはマイクロコントローラ上で実行される場合に、機械読み出し可能なキャリア上に記憶された発明の方法を実行するためのプログラムコードを有するコンピュータプログラム製品からも構成される。言い換えれば、本発明は、方法を実施するためのプログラムコードを有する、コンピュータおよび／またはマイクロコントローラ上で実行されるコンピュータプログラムとしても実現できる。
【符号の説明】
【００９５】
１０１  参照点、１０２、１０４、１０６  センサ素子構成、１０８  励磁線。
【図１】
2010500536.tif 000010
【図２】
2010500536.tif 000011
【図３】
2010500536.tif 000012
【図４ａ】
2010500536.tif 000013
【図４ｂ】
2010500536.tif 000014
【図４ｃ】
2010500536.tif 000015
【図４ｄ】
2010500536.tif 000016
【図５】
2010500536.tif 000017
【図６】
2010500536.tif 000018
【図７】
2010500536.tif 000019
【図８】
2010500536.tif 000020
【図９ａ】
2010500536.tif 000021
【図９ｂ】
2010500536.tif 000022
【図１０】
2010500536.tif 000023
【図１１】
2010500536.tif 000024
【図１２】
2010500536.tif 000025
【手続補正書】
【提出日】平成20年6月5日(2008.6.5)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２１】
図示のセンサは、規定された外部で発生した磁界によってしか較正することができず、個別の励磁線を有していないという問題がある。さらに、その構造と動作モードにより、このセンサをスピン電流法等の補償法とともに作動させることはできない。また、図１１の構造のもう１つの問題は、半導体材料の汚染、接点配置の非対称性、結晶構造のばらつ
き等によって、この半導体装置がオフセット電圧を有する点である。これらは、それぞれスピンニング電流に適した補償配線によって抑制することはできない。こうして、センサは、合焦点で磁界成分を測定するが、高いオフセットを有しかつ制限された態様でしか正確な測定に適さない。図１２は、補償（スピン電流）に適した３Ｄセンサを示し、このセンサは、測定点で、空間磁界成分を検出する。これについては、非特許文献４、非特許文献５に記述される。図１２の上の部分は、３つの個別のセンサからなる図１０の３Ｄセンサを示す。図１２の上の部分は、空間磁界成分を検出するための３つの別個のセンサ１００２，１００４および１００６を示す。図１２の底部は、個々のセンサの別の構成を示す。この構成では、センサ１００４の測定点は、図１２の構成１２００の中心にあるので、センサ１００４は、変わらないままである。さらに、２つの個別のセンサ１００２および１００６は、分離することができる個別の素子からなる。センサ１０0２は、２つのセンサ部１２０２ａおよび１２０２ｂにさらに分けられ、センサ素子１００４の中心の周りに対称に配設される。センサ１００６で同様の方法を行い、それによりこのセンサもそれぞれの空間軸に沿って、センサ素子１００４の中心の周りに対称に配設された２つのセンサ部１２０６ａと１２０６ｂに分けられる。個々のセンサ素子を対称に配設することで、磁界が構成の幾何学的中心にある１点で検出される。この構成の１つの欠点は、センサがいくつかの励磁線にわたってのみ較正できることである。以下では、図１２の下の部分の構成１２００については、較正のない画素セルと呼ぶことにする。
ドラガナ・Ｒ.ポプヴィッチ他は、非特許文献６の中で、半導体チップに集積された三次元ホールセンサについて記載する。また、磁界センサの配線についても、それにより温度変化等により生じる測定許容誤差を補償することができるとして記載する。
特許文献４は、参照磁界を介して較正可能な一次元磁界センサを記載する。これによれば、参照磁界発生器は、測定磁界とは周波数がかなり違う交流磁界を発生する。下流信号処理により、それぞれ測定または参照磁界成分を分離することにより、センサの較正または温度効果の補償がそれぞれ可能になる。所謂ホールダイと呼ばれる横型磁界センサが磁界センサとして使用される。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２２】
【特許文献１】ＤＥ１０１５０９５５
【特許文献２】ＤＥ１０１５０９５０
【特許文献３】ＤＥ１９９４３１２８
【特許文献４】ＥＰ１６３７８９８Ａ１
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２３】
【非特許文献１】Ｒ．Ｓ．ポポヴィッチ、「ホール効果装置、磁気センサおよび半導体の特徴付け」、アダム・ヒルガー、１９９１年、ＩＳＢＮ０−７５０３−００９６−５
【非特許文献２】ヤネス・トロンテル、「混合信号処理による集積磁気センサの最適化」、第１６回、ＩＥＥＥ予稿集、Ｖｏｌ．１
【非特許文献３】Ｃ．スコット、Ｒ．Ｓ．ポポヴィッチ、「集積３Ｄホール磁界センサ」、会議Transducers ’99、６月７日から１０日、仙台、日本、ＶＯＬ．１、第１６８頁から１７１頁、１９９９年
【非特許文献４】エンリコ・シューリッヒ、「ＣＭＯＳ技術における高感受性縦型ホールセンサ」
【非特許文献５】アルトング・ゴルレ・ヴェルラグ・コンスタンツ、２００５年、ＥＰＦＬ論文Ｎ°３１３４(２００４年) からの再版、ＩＳＳＮ１４３８−０６０９、ＩＳＢＮ３−８６６２８−０２３−８ＷＷ１８５ｆｆ
【非特許文献６】ドラガナ・Ｒ・ポプヴィク他、「平面ホール効果のない集積ホールプローブを用いた三軸テスラメータ」
【国際調査報告】
2010500536.tif 000026
2010500536.tif 000027
2010500536.tif 000028
2010500536.tif 000029
2010500536.tif 000030
2010500536.tif 000031