(57)【要約】ここで提案されているのは、磁界（１４）を検出する装置と、磁界測定器と、電流計とが提案されており、ここでこの装置はさらに第１の横形磁気トランジスタ（１）と、第２の横形磁気トランジスタ（２）とを有しており、これらの第１および第２の横形磁気トランジスタ（１，２）は相補形に構成されている。
2004517329.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の横形磁気トランジスタ（１）を有する、磁界（１４）を検出する装置において、
該装置は、第２の横形磁気トランジスタ（２）を有しており、
前記の第１および第２の横形磁気トランジスタ（１，２）は相補形に構成されていることを特徴とする、
磁界を検出する装置。
【請求項２】
前記横形磁気トランジスタ（１，２）は、第１の横形磁気トランジスタ（１）がｎｐｎ形であり、第２の横形磁気トランジスタ（２）がｐｎｐ形であるという点で相補形に構成されている、
請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記の第１の横形磁気トランジスタ（１）は、第１の出力側（３０）と、第２の出力側（４０）とを有しており、
前記の第２の横形磁気トランジスタ（２）は、第３の出力側（３１）と、第４の出力側（４１）とを有しており、
前記の第１および第３の出力側（３０，３１）は低抵抗で接続されており、
前記の第２および第４の出力側（４０，４１）は低抵抗で接続されており、
測定ブリッジ（８０）が前記の第１および第４の出力側（３０，４１）の間に設けられている、
請求項１または２に記載の装置。
【請求項４】
前記の第１および第３の出力側（３０，３１）は相補的であり、
前記の第２および第４の出力側（４０，４１）は相補的である、
請求項３に記載の装置。
【請求項５】
前記出力側（３０，３１，４０，４１）は、前記の第１および第２の横形磁気トランジスタ（１，２）のコレクタ端子として構成されている、
請求項３または４に記載の装置。
【請求項６】
前記横形磁気トランジスタ（１，２）はモノリシックに集積して構成される、
請求項１から５までのいずれか１項に記載の装置。
【請求項７】
磁界測定器において、
請求項１から６までのいずれか１項に記載の装置を有することを特徴とする、
磁界測定器。
【請求項８】
電流測定器において、
請求項１から７までのいずれか１項に記載の装置または磁界測定器を有することを特徴とする
電流測定器。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
従来の技術
磁界センサが使用される分野の数は、殊に自動車分野においてますます増加している。磁界の測定は、殊に非接触、低損失かつ電位のない（ｐｏｔｅｎｔｉａｌｆｒｅｉ）電流の測定に利用可能である。このような例は、オルタネータおよび電気モータの電気的な動作パラメタの決定である。一般的にはミリアンペアからキロアンペア範囲までの電流を測定しなければならず、これは５〜６つのレンジからなる測定領域が必要である。
【０００２】
今日、公知であるのは、例えば導体の磁界を、例えばホールセンサ、バイポーラ磁気トランジスタ、磁気抵抗式抵抗、横形磁気−ＦＥＴ構造体などのような磁界センサによって測定することである。殊に感度の高い構成素子は、いわゆる横形磁気トランジスタであり、その機能は、２つのバイポーラトランジスタ間で磁界によって形成される非対称の電流分布に基づいている。
【０００３】
ミリアンペア領域の電流に対しては、通例はμＴ領域であるわずかな磁界のために、このような構成素子であってもその感度の限界に達してしまう。このために従来技術では微小の磁界をいわゆる束コンセントレータ（Ｆｌｕｓｓｋｏｎｚｅｎｔｒａｔｏｒ）によって増幅している。ここでは各電流計を有利に形成するか、または強磁性材料からなる磁気回路によって、磁界センサの個所において磁界をより強くするようにしている。
【０００４】
発明の利点
本発明の磁界を検出する装置、本発明の磁界測定器および本発明の電流計はこれに対して、束を集中化する補助手段を省略でき、これによってコストを節約し、かつ所要のスペースを低減できるという利点を有する。これは本発明の装置の感度を高めることによって可能である。この際に測定信号と、測定すべき磁界との間の線形関係は十分に維持される。
【０００５】
従属請求項に記載した手段によって、請求項１，７および８に記載した装置、磁界測定器および電流計の有利な発展形態および改良が可能である。
【０００６】
殊に有利であるのは、第１の横形磁気トランジスタがｎｐｎ形であり、第２の横形磁気トランジスタをｐｎｐ形であるという点において横形磁気トランジスタを相補形に構成することである。これにより相補形の２つの横形磁気トランジスタを簡単な手段で設けることができる。
【０００７】
これによってこれらの相補形の横形磁気トランジスタは、自動的なオフセット補償または温度補償にも利用可能である。
【０００８】
さらに、第１の横形磁気トランジスタが第１および第２の出力側を有しており、第２の横形磁気トランジスタが第３および第４の出力側を有しており、第１および第３の出力側が低抵抗で接続されており、第２および第４の出力側が低抵抗で接続されており、また測定ブリッジが第１の出力側と第４の出力側との間に設けられていることは有利である。これによってこの測定ブリッジの両端における電圧または電流を、磁気トランジスタが実現されている半導体チップにおいて直接取り出すことができる。その際に付加的なシャント抵抗または外部の回路は不要である。これによってＳＮ比は、単一の横形磁気トランジスタを有するＬＭＴセンサに比べて改善される。この測定ブリッジは、高感度であり、したがって例えば外部の磁界なしにゼロ点調整によって極めて高い精度で調整可能である。さらに測定ブリッジの調整、例えばオフセット補償を極めて簡単に行うことができ、これは例えば、関与する横形磁気トランジスタの動作点をわずかを変化させることによって行われる。同様に温度ドリフトも補償可能である。
【０００９】
さらに、横形磁気トランジスタがモノリシックに集積化して構成されることは有利である。これによって相補形の横形磁気トランジスタセンサ装置を１チップ上に実現することができ、これによって高感度のセンサ素子が得られる。さらにこれによって、測定ブリッジ信号の増幅に使用される評価回路をこのチップに設けることができる。さらにこれらの相補形の横形磁気トランジスタを１チップに実現するために作製時に大きな付加的コストを要しない。
【００１０】
図面
本発明の実施例を図面に示し、以下の説明において詳しく説明する。ここで、
図１は、横形磁気トランジスタを示しており、
図２は、ブリッジ式装置を有する２つの相補形の横形磁気トランジスタの組み合わせに対する概略等価回路図を示しており、
図３は、このブリッジ装置に対する極めて簡略化された等価回路図を示している。
【００１１】
実施例の説明
図１には横形磁気トランジスタ１が示されている。横形磁気トランジスタ１はＬＭＴ１とも略記される。ＬＭＴ１には第１の半導体基板層５が含まれており、これはｎｐｎ形のＬＭＴではネガティブにドーピングされる。さらにＬＭＴ１は第２の半導体基板層６を有しており、これはｎｐｎ形に対してはポジティブにドーピングされる。第１の半導体基板層５の下にはコンタクトのための第１のメタライゼーション層７が設けられている。第１のメタライゼーション層７は、ＬＭＴ１の垂直方向のコレクタを構成する。第２の半導体基板層６には第１の半導体基板領域８が埋め込まれており、これはｎｐｎ形ではネガティブにドーピングされ、ｐｎｐ形ではポジティブにドーピングされる。さらに第１の半導体基板領域８に隣接して第２の半導体基板領域９と、第３の半導体基板領域１０とが第２の半導体基板層６に埋め込まれており、第１の半導体領域８は、半導体基板領域９と、第３の半導体基板領域１０との中間に配置されている。第２および第３の半導体基板領域９および１０は、第１の半導体基板領域８と同様にドーピングされている。第１の半導体基板領域８の上には第１の金属製のコンタクト部２０が配置されており、これはＬＭＴ１のエミッタコンタクトを構成している。第２の半導体基板領域９の上には第２の金属コンタクト部３０が設けられており、これはＬＭＴの第１のコレクタを構成する。第３の半導体基板領域１０の上には第３の金属コンタクト部４０が設けられており、これはＬＭＴ１の第２のコレクタを構成する。第２の金属コンタクト部３０に並んで、第１の金属コンタクト部２０とは反対側に第４の金属コンタクト部５０が設けられており、これはＬＭＴ１の第１のベース端子を構成する。第３の金属コンタクト部４０に並んで、第１の金属コンタクト部２０とは反対側に第５の金属コンタクト部６０が設けられており、これはＬＭＴ１の第２のベース端子を構成する。
【００１２】
図１では様々な電流の方向が記入されており、これらはＬＭＴ１の動作時に流れる電流である。ここではｎｐｎ形に対する電流の方向を示した。ｐｎｐ形ではこれらの電流の方向は逆と考えることができる。ｎｐｎ形のＬＭＴ１では第１の電流１１は、垂直方向にエミッタ領域８から、すなわち第１の半導体基板領域８から下方に流れる。第１の電流１１はＬＭＴ１の入力電流に相応し、これはエミッタ端子２０を介して供給される。動作時にコレクタ端子３０，４０は同電位にあり、第２の電流１２がエミッタ領域８から第２のコレクタ領域９、すなわち第１の半導体基板領域９に向かって発生し、さらに第３の電流１３がエミッタ領域８から第２のコレクタ領域１０、すなわち第２の半導体基板領域１０に向かって発生する。磁界１４が存在しない場合、第２の電流１２および第３の電流１３の大きさは同じである。磁界１４が存在する場合、この磁界は、図面において磁界１４における十字によって示した図の面に垂直に入り込む成分を有し、第１および第２の電流１２，１３についての対称性が崩れる。すなわちこれらの電流の一方が大きくなる。
【００１３】
図２には２つの相補形ＬＭＴ素子の組み合わせの概略等価回路図が示されている。ここで第１のＬＭＴ１はｎｐｎ形であり、第２のＬＭＴ２はｐｎｐ形である。第１のＬＭＴ１は、図１から既知の参照符号を有しており、そこではエミッタは２０，第２のベース端子は５０，第２のベース端子は６０，第１のコレクタ端子は３０、また第２のコレクタ端子は４０であった。第２のＬＭＴ２は相補形に作製されており、しかも本願発明では例えばｐｎｐ形として作製されている。したがって第２のＬＭＴ２はエミッタ２１、第１のベース端子５１および第２のベース端子６１、ならびに第１のコレクタ３１と第２のコレクタ４１を有する。第１のＬＭＴ１は第１の出力側および第２の出力側を有し、第２のＬＭＴ２は第３の出力側および第４の出力側を有する。本発明では、第１のＬＭＴ１の第１のコレクタ３０が第１の出力側を構成し、さらに第１のＬＭＴ１の第２のコレクタ４０が第２の出力側を構成し、さらに第２のＬＭＴ２の第１のコレクタ３１が第３の出力側を構成し、第２のＬＭＴ２の第２のコレクタ４１が第４の出力側を構成する。２つのＬＭＴ１，２の２つの第１のコレクタ３０，３１は低抵抗で接続されている。すなわち第１および第３の出力側が低抵抗で接続されている。さらにＬＭＴ１，２の第２のコレクタ４０，４１は低抵抗で接続されている。すなわち第２および第４の出力側が低抵抗で接続されている。さらに第１の出力側と第４の出力側（ないしはこの逆）とが、また第２の出力側と第３の出力側とが測定ブリッジ８０によって互いに接続されている。ＬＭＴ１の垂直方向のコレクタ７は図２では図示されていない。それはこれが、この回路の機能の説明および基本的なＬＭＴ機能に必要不可欠ではないからである。
【００１４】
２つのＬＭＴ素子１，２の４つのエミッタコレクタ抵抗は測定ブリッジを構成しており、これは例えば外部の磁界１４なしに調整され、測定ブリッジの変化は、磁界があれば極めて精確に決定することができる。
【００１５】
この回路は原理的にディスクリートの構成部材から組み立てることができる。ここで殊に有利であるのは、この相補形ＬＭＴ装置を単一チップにおける本発明の装置として実現することである。本発明の利点は、測定ブリッジの両端の信号を直接、電流としても、電圧としても共に取り出せることである。従来技術による慣用のＬＭＴセンサは、一般的に横形コレクタの出力側に外部抵抗が必要であり、これによってコレクタ電流の電圧降下が測定され、磁界によって誘導される変化がここから決定されるのである。この結果、一般的にＳ／Ｎ比が、外部の回路によって損なわれてしまう。これは例えば抵抗のノイズに起因して発生する。これらの作用は、相補形ＬＭＴセンサチップにおいて、ブリッジ８０で直接利用することのできる測定信号により回避することができる。これによって感度が高まるだけでなく、Ｓ／Ｎ比も単一のＬＭＴ素子の場合よりも改善される。
【００１６】
図３にはこのブリッジ装置に対する極めて簡略化された等価回路図が示されている。ここでは第１のエミッタコレクタ抵抗３２に、第１のＬＭＴ１のエミッタ端子２０と第１のコレクタ端子３０との間の抵抗が相応する。第２のエミッタコレクタ抵抗４２には、第１のＬＭＴ１のエミッタ端子２０と第２のコレクタ端子４０との間の抵抗が相応する。さらに第３のエミッタコレクタ抵抗３３には、第２のＬＭＴ２のエミッタ２１と第１のコレクタ端子３１との間の抵抗が相応する。さらに第４のエミッタコレクタ抵抗４３には、第２のＬＭＴ２のエミッタ端子２１と第２のコレクタ端子４１との間の抵抗が相応する。チップ面に対して横方向に外部の磁界１４が存在すると、２つのＬＭＴ１，２の各々において、第１のコレクタ３０，３１と、第２のコレクタ４０，４１との間で電流分布が変化する。これは図３の各コレクタエミッタ区間３２，４２，３３，４３における抵抗変化に相応する。適用に応じて２つの相補形ＬＭＴ１，２を、測定すべき磁界１４に有利に配向することができる。磁界１４が抵抗ブリッジ８０に及ぼす影響は、相補形ＬＭＴ１，２の互いの相対的な位置、例えばチップレイアウトによって、またはコレクタ３０，４０ないしは３１，４１を電気的に有利に結合することによって適用固有に選択可能である。
【００１７】
分離されているｎｐｎ形およびｐｎｐ形のＬＭＴ１，２の電気接続をチップ作製の後にはじめて、例えばボンディングワイヤ、リードフレーム、フレキシブルシート（Ｆｌｅｘｆｏｌｉｅ）などによって形成する場合、汎用のセンサ素子を作製することができ、その測定ブリッジは適用条件に相応して後付けではじめて接続される。種々異なって配向されたｎｐｎおよびｐｎｐ形の複数のＬＭＴを有するチップも考えられ、これらのうちの例えば２つが選択され、応用の要求に応じて有利な測定ブリッジに接続される。
【００１８】
少なくとも２つのＬＭＴセンサ１，２がブリッジ回路に関与しているため、種々の測定手法を実現可能である。２つのＬＭＴ素子１，２は、これらが同じ磁界１４に曝されるように配置し、これによってこの磁界の作用が加算されるようにすることができる。しかしこれらのセンサを配置して、これらがセンサが、例えば差分値または基準値測定のために別個の磁界を「感じ」、すなわち検出することも可能である。したがって応用に応じて本発明のブリッジ回路は、極めてフレキシブルに使用できるのである。
【００１９】
精度および分解能に対する高い要求により、相応にセンサのゼロ点オフセットの調整および安定性に対して高い要求が課される。本発明の高精度の測定ブリッジ装置は、相応する精度の高い調整の要求に対して殊に有利である。それはこのような測定ブリッジは極めて精確に調整できるからである。さらにオフセットおよび温度ドリフトは、４つのコレクタエミッタ区間３２，４２，３３，４３のうちの１つにおける動作点をわずかに調整することによって比較的に容易に補償可能である。
【００２０】
本発明の装置では、基板コレクタ７を有しないＬＭＴ構成素子も使用される。
【００２１】
本発明では例えば、上記の装置が磁界測定器として構成されることがあり、ここでこのような磁界測定器は、２つのＬＭＴ１，２からなる上記の装置以外にさらに評価回路ないしは駆動制御回路を含む。
【００２２】
さらに高感度の磁界センサないしは磁界測定器または本発明の装置は、電流測定に使用され、ここでは電流が流れる導体のまわりの磁界が利用される。
【図面の簡単な説明】
【図１】
横形磁気トランジスタを示す図である。
【図２】
ブリッジ式装置を有する２つの相補形の横形磁気トランジスタの組み合わせに対する概略等価回路図である。
【図３】
図２のブリッジ装置に対する極めて簡略化された等価回路図である。
【国際公開パンフレット】
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【国際調査報告】
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