(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の対のホールセンサ素子（１Ａ，１Ｂ）と少なくとも１つの追加的な対のホールセンサ素子（２Ａ，２Ｂ；  ２Ａ，２Ｂ，３Ａ，３Ｂ）とを備えたホールセンサアレーであって、
各ホールセンサ素子（１Ａ，１Ｂ，２Ａ，２Ｂ；  １Ａ，１Ｂ，２Ａ，２Ｂ，３Ａ，３Ｂ）は４つの端子（Ｋ１，Ｋ２，Ｋ３，Ｋ４）を備え、そのうち２つの端子（Ｋ１，Ｋ３）は作動電流（Ｉoperation ）を供給するための電力供給端子として働き、２つの端子（Ｋ２，Ｋ４）はホール電圧（ＵHall）を測定するための測定端子として働き、
上記ホールセンサ素子（１Ａ，１Ｂ，２Ａ，２Ｂ；  １Ａ，１Ｂ，２Ａ，２Ｂ，３Ａ，３Ｂ）は、各対の上記２つのホールセンサ素子を流れる上記作動電流（Ｉoperation ）の電流方向が互いに略９０°の角度をなすように配置され、
上記追加的な対のホールセンサ素子（２Ａ，２Ｂ；  ２Ａ，２Ｂ，３Ａ，３Ｂ）は、それらを流れる作動電流（Ｉoperation ）の電流方向が、上記第１の対のホールセンサ素子（１Ａ，１Ｂ）を流れる作動電流（Ｉoperation ）の電流方向に対して略９０°／ｎの角度をなすように配置され、ｎはホールセンサ素子対の全体数であり、
上記ホールセンサ素子の第１の上記測定端子（Ｋ２）と上記ホールセンサ素子の第２の上記測定端子（Ｋ４）とは、ホール電圧（ＵHall）を測定するために互いに接続されており、
上記ホールセンサアレーはさらにスイッチ（Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４）を含み、かつ上記ホールセンサ素子（１Ａ，１Ｂ，２Ａ，２Ｂ）の上記各端子（Ｋ１，Ｋ２，Ｋ３，Ｋ４）は上記スイッチ（Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４）に接続され、その結果、作動電流（Ｉoperation ）を供給するための各第１および第２供給端子（Ｋ１，Ｋ３）と、ホール電圧（ＵHall）を測定するための各第１および第２測定端子（Ｋ２，Ｋ４）とが、１つの測定位相から次の測定位相に進む時に、上記ホールセンサ素子（１Ａ，１Ｂ，２Ａ，２Ｂ）を流れる上記作動電流（Ｉoperation ）の電流方向およびホール電圧のタッピング方向が略９０°回転できるように切り換えでき、
さらに制御ユニットを含み、この制御ユニットを通じて、上記ホールセンサアレーがホール信号を生成するためのスピニング電流作動において作動できるように上記スイッチ（Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４）を制御することができ、かつホール信号の真に磁界に依存する部分が維持されるように、上記ホールセンサ素子のオフセット電圧が１回転する間にほぼ相殺されるホールセンサアレーにおいて、
上記各ホールセンサ素子（１Ａ，１Ｂ，２Ａ，２Ｂ；  １Ａ，１Ｂ，２Ａ，２Ｂ，３Ａ，３Ｂ）の上記各第１供給端子（Ｋ１）は互いにかつ共通の電源（Ｕoperation ) の第１端子に対して接続され、上記各ホールセンサ素子の上記各第２供給端子（Ｋ３）は互いにかつ上記共通の電源（Ｕoperation ) の第２端子に対して接続され、その結果、上記共通の電源（Ｕoperation ) が上記ホールセンサ素子に対して上記作動電流（Ｉoperation ）を供給するものであり、
異なる対をなす上記ホールセンサ素子は幾何学的に異なることを特徴とするホールセンサアレー。
【請求項２】
請求項１に記載のホールセンサアレーであって、
上記第１供給端子（Ｋ１）は互いにワイヤ接続により電気的に接続されており、上記第２供給端子（Ｋ３）は互いにワイヤ接続により電気的に接続されており、上記第１測定端子（Ｋ２）は互いにワイヤ接続により電気的に接続されており、上記第２測定端子（Ｋ４）は互いにワイヤ接続により電気的に接続されていることを特徴とするホールセンサアレー。
【請求項３】
請求項１または２のいずれかに記載のホールセンサアレーであって、１つの対をなす上記ホールセンサ素子は幾何学的に同一であることを特徴とするホールセンサアレー。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
本発明はホールセンサに関するものであり、特に、オフセット補償された磁界測定用ホールセンサアレー内の複数のホールセンサ素子の配置と制御に関するものである。
【０００２】
個々のホールセンサ素子は、一般的にｐ型ドープされた半導体基板上のｎ型ドープされたアクティブ半導体領域から成る。このｎ型ドープされたアクティブ領域は、通常、そのアクティブ領域内に対角線的に互いに対向して配置された４つの接触電極または接触端子を介し、外部の制御論理回路と接続されている。ホールセンサ素子のこの４つの接触電極は、上記アクティブ領域を通る電流を生成するための２つの対向する制御電流用接触電極と、センサ信号としてのホール電圧をタップするための２つの対向する電圧タッピング用接触電極とに分かれる。このホール電圧とは、アクティブ領域を通る電流に対して直角方向に磁界を作用させる時に発生するものである。
【０００３】
本発明の請求項１の包括句に記載のように、特定の結晶方向による妨害効果を補償するために使用される２つあるいは４つのホールセンサ素子を備えた１つのホールセンサアレーは、ヨーロッパ特許第０５４８３９１号から公知である。個々のホールセンサ素子の角度分離は、０°〜１８０°の間で調整される。この角度は、使用される半導体材料の結晶方向に依存して選択される。ヨーロッパ特許第０５４８３９１号によれば、各ホール素子は別々の電流源から電流が供給され、各素子に対して一定の電流が印加されるようになっている。ホール検出器の中の個々のホール素子においてタップオフされるホール電圧は切換段階で並列に接続される。このようにして、電流補償が起こるように、共通の値が個々の素子のホール電圧に与えられる。
【０００４】
公知のように、アクティブ領域の半導体材料の不均一性あるいは欠陥は、しばしば半導体製品の製造工程の中で、製造の本質に起因して発生するものである。非常に精錬された製造方法によっても、これらの不均一性を完全に避けることは不可能である。これらの不均一性はしばしばセンサ信号のオフセットの原因となる。これは、たとえアクティブ領域に磁界が全くかかっていない時でも、ホール電圧がタップオフされる接触電極においてセンサ信号が検出されるということを意味する。この妨害的なセンサ信号は、有効センサ信号のオフセットまたは単にオフセット信号と呼ばれる。オフセット信号の不均一性に対する強い依存性によって、従来のホールセンサ素子は、個々の素子の間でかなりのばらつきがあった。加えて、ホールセンサの感度と測定精度に対して重大な悪影響があった。そのため、オフセット補償とセンサ信号の正確な評価のために、回路への投資が必要となり、コスト高の原因となっていた。
【０００５】
いわゆるピエゾ効果は、使用される半導体材料の結晶方向に強く依存するものであるが、ホールセンサアレーの中にもう１つの問題を生み出す。上記ピエゾ効果は、外部からの力（例えばハウジングによるもの等）によって引き起こされる機械的応力により、あるいは半導体材料の結晶格子中の機械的応力により、相当なオフセット信号を生み出す可能性がある。これらの問題を克服するために、ホールセンサアレーを半導体材料の結晶方向に調和させる方法や、半導体材料の結晶方向に基づいて電流方向を適切に選択することによりピエゾ効果を補償する方法など、これまで多くの試みが成されてきた。しかしながら、これらの方法ではホールセンサアレーの製造工程が非常に複雑なものとなる。なぜなら、半導体表面の結晶の方向づけを考慮し、さらに、ホールセンサ素子の方向づけを素子同士の関係と結晶方向に対する関係との中で考慮する必要があるからである。
【０００６】
以上の従来技術に鑑み、本発明の目的は、改良されたホールセンサアレーであって、製造方法が従来ほど複雑でないものを提供することである。
この目的は、請求項１に記載のホールセンサアレーにより達成される。
【０００８】
本発明は以下の知見を基礎とする。すなわち、対をなす個々のホールセンサ素子を上記のように幾何学的に配置し、既に予め補償されたオフセット信号を供給可能とすることにより、ホールセンサアレー内のセンサ信号のオフセット影響度を大幅に減少させることができるという発見である。ホールセンサ素子を本発明にしたがって配置し、かつ互いにワイヤ接続することで、測定されたホール電圧が半導体材料の結晶方向による影響を受けないようにすることができる。
【０００９】
本発明によれば、ホールセンサ素子はいわゆる「スピニング電流」(spinning current)モードで作動される。スピニング電流作用においては、測定方向が特定のクロック周波数で例えば９０°ずつ回転するなど、１つの周期で連続的に回転する。すなわち、作動電流がある１つの電極から対向する接触電極へと流れ、ホール電圧がこの作動電流を横断する方向の接触電極によってタップオフされた後に、次の周期、すなわち次の測定位相または測定段階（measurement phase ）では測定方向が９０°回転する。個々の測定位相において測定されたホール電圧は、正確に極性が付されかつ加重された適切な合算または減算により評価される。個々の測定位相において依然として含まれているオフセットはさらに減少させることができ、あるいは１回転する間にオフセット電圧はほぼ相殺されることになる。その結果、ホール信号の真に磁界に依存する部分が維持されることになる。
【００１０】
本発明に係るホールセンサ素子の方向づけと相互のワイヤ接続により、もはや半導体材料の結晶方向を考慮する必要がなくなる。その結果、半導体材料の結晶方向に依存するピエゾ効果が測定されたホール電圧に与える影響を、完全に効率良く除去することができる。
【００１１】
半導体材料の結晶方向とその不均一性および不規則性とに強く依存するオフセット信号は、本発明に係るホールセンサアレーにより効果的に除去される。そのため、このホールセンサアレーによって感度と測定の正確さの点で相当な改善を達成することができる。また、本発明のホールセンサアレーにおいては、正確な評価およびセンサ信号のさらなる処理に必要な回路の複雑さを減少させることができる。
【００１２】
ホールセンサアレーのセンサ信号のオフセット影響度がより低くなり、感度と測定の正確さとが改善されたので、その結果として、測定されたホール電圧の利用可能な分解能が増大することになる。
【００１３】
本発明のホールセンサアレーのさらなる長所として、以下の点が挙げられる。すなわち、ホールセンサ素子が互いに確実にワイヤ接続されていることから、１つの共通の作動電流を全てのホールセンサ素子に対して印加することができ、さらに、ホールセンサ素子の全てのホール信号に対して１つの共通のタップオフを行うことができる。そのため、ホールセンサアレーにおける回路の複雑さをさらに減少させることが可能になる。また、各センサ素子に対して個別の作動電流を１つずつ供給する必要や、各センサ素子のホール電圧を個別に測定する必要もなくなる。その結果、追加的な回路部品、例えば追加的なスイッチ，電流源，供給線等が必要でなくなる。さらに、評価回路の複雑さも簡素化できる。
【００１４】
本発明の望ましい実施例を、以下に添付図面を参照しながらさらに詳細に説明する。
図１は本発明に係る４個のホールセンサ素子を備えたホールセンサアレーの概要図であり、
図２ａ−ｃは本発明に係るホールセンサ素子の他の幾何学的実施例およびその配列を示す概要図であり、
図３ａ−ｂは本発明に係るホールセンサ素子の他の幾何学的配列を示す概要図である。
【００１５】
２組のホールセンサ素子を備えたホールセンサアレーの一般的な構造を図１を参照しながら説明する。
望ましくはｐ型ドープされた１枚の半導体基板の上に、４つの矩形状のアクティブ半導体領域が形成される。これらの領域は通常ｎ型ドープされている。このｎ型ドープされたアクティブ領域のコーナー部には、望ましくは接触電極Ｋ１，Ｋ２，Ｋ３，Ｋ４が配置され、これらの電極は一般的にはｎ+ ドーピングにより得ることができる。ｎ型ドープされたアクティブ領域の接触電極Ｋ１，Ｋ２，Ｋ３，Ｋ４は、互いに対角的に対向する位置に配置されて対をなしており、２つの接触電極Ｋ１，Ｋ３は作動電流を供給する働きを持ち、他の２つの接触電極Ｋ２，Ｋ４はホール電圧をタップオフする働きを持つ。アクティブ領域は個々のホールセンサ素子１Ａ，２Ａ，１Ｂ，２Ｂを構成する。図１に示された４つのホールセンサ素子を持つホールセンサアレーにおいては、ホールセンサ素子１Ａと１Ｂおよびホールセンサ素子２Ａと２Ｂが、それぞれホールセンサ素子の対を構成する。
【００１６】
図１に示された実施例では、２つのホールセンサ素子の対が１つの正方形板の中にあり、各ホールセンサ素子の対が対角的に配置されている。しかしながら、ホールセンサアレーの中において１つの対をなす２つのホールセンサ素子の配置は、上下あるいは左右に並んだ状態に配置することも可能である。
【００１７】
本発明に係るホールセンサアレーの望ましい実施例においては、個々のホールセンサ素子１Ａ，２Ａ，１Ｂ，２Ｂがそれぞれ備える接触電極Ｋ１，接触電極Ｋ２，接触電極Ｋ３，接触電極Ｋ４は、それぞれ同士が並列でかつ中間スイッチなしにワイヤ接続されている。図１においては、ホールセンサ素子１Ａ，２Ａ，１Ｂ，２Ｂの接触電極Ｋ１と接触電極Ｋ３とは供給電流用接点を構成し、一方、接触電極Ｋ２と接触電極Ｋ４とはホール電圧を測定するための測定端子となっている。個々のホールセンサ素子内における作動電流を供給するための接触電極とホール電圧を測定するための接触電極との配置は、各場合において、供給された作動電流の方向がタップされたホール電圧の方向に対して直角となるように配置されている。
【００１８】
本発明においては、各対をなす２つのホールセンサ素子内を流れる作動電流の方向は、互いに対して９０°となるように方向づけられている。第２のホールセンサ素子対を流れる電流方向は、第１のホールセンサ素子対を流れる電流方向に対して４５°の角度をなしている。
【００１９】
本発明に係るホールセンサアレーの実際の製品においては、各対をなす２つのホールセンサ素子内を流れる作動電流方向が互いに対してなす角度は、理想的な９０°からはずれて例えば８０°〜１００°の範囲内になるよう方向づけられることも可能である。この範囲内の角度であれば、本発明の視点からすれば略９０°とみなすことができる。同様に、第２のホールセンサ素子対を流れる電流が第１のホールセンサ素子対を流れる電流に対してなす角度は、例えば４０°〜５０°の範囲内で選択可能であり、この範囲内の角度は略４５°に等しいと見なすことができる。しかし注意すべきは、ホールセンサアレーで達成されるオフセット補償は、最適と考えられる理想角度、すなわち９０°と４５°からのずれ幅が大きいほど減少するであろうということである。
【００２０】
ホールセンサ素子１Ａ，２Ａ，１Ｂ，２Ｂの互いに確実にワイヤ接続された接触電極Ｋ１，Ｋ２，Ｋ３，Ｋ４は、スイッチＳ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４に接続され、これらのスイッチはいずれも４つの位置、すなわち接触電極Ｋ１，Ｋ２，Ｋ３，Ｋ４と繋がる位置の中で切換可能になっている。これらのスイッチＳ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４により、接触電極Ｋ１，Ｋ２，Ｋ３，Ｋ４は、それぞれ作動電流Ｉoperation を供給する電流供給端子として、あるいはホール電圧ＵHallを測定する測定端子として動作するために、同期してスイッチ切り換えすることが可能である。
【００２１】
本発明に係るホールセンサアレーのさらなる実施例（明白に図示せず）は、ホールセンサ素子対を３つ以上備えることができる。この場合でも、各対をなす２つのホールセンサ素子を流れる作動電流の方向は、互いに対してほぼ９０°となるよう方向づけられる。ここでも、各対の２つのホールセンサ素子は幾何学的に同様で、かつホールセンサ素子の寸法と比較して互いに近接して配置されるべきであり、それらは１つの完全なセンサアレーの中で、上下，左右，あるいは対角線に沿って配置することができる。２つあるいはそれ以上のホールセンサ素子対を流れる電流の方向は、それぞれ他の対の電流方向に対して略９０°／ｎの角度をなすよう方向づけられる。ここで、ｎは用いられたホールセンサ素子対の全体数であり、ｎ≧２となる。例えば、もし３つのホールセンサ素子対が使用されたとすると、各ホールセンサ素子対を流れる電流の方向は互いに対して略３０°の角度をなす。センサアレーの素子対は、互いに隣接するか対角線に沿って配置され、ホールセンサ素子対は互いにできるだけ近づけて配置される。
【００２２】
上記配置において、作動電流Ｉoperation （または供給電圧）を供給するための接触電極と、ホール電圧ＵHallをタップするための接触電極は、それぞれ並列にかつ中間スイッチなしにワイヤ接続されている。
【００２３】
図１のような、本発明による２対またはそれ以上の対のホールセンサ素子を持つホールセンサアレーでは、ホールセンサ素子の幾何学的配置の結果として、各測定位相で予め補償済のオフセット信号を既に生み出している。このことは、例えば後段に設けられる増幅器が容易に飽和しないので、その増幅器をより高い増幅度で作動させることができることを意味する。作動電流方向の循環的な切換（例えばスピニング電流作動）と、個々の測定位相において信号に対して正確に極性を付しかつ加重する適切な合算あるいは減算を施すことで、スピニング電流作動の間、個々の測定位相で依然として残っている予め補償済のセンサ信号のオフセット影響度は、さらに減少する。なぜなら、半導体材料の中に存在する不均一性や応力によるセンサ信号のオフセット影響度は、実質的に排除されるからである。
【００２４】
ここでは、センサの特定の幾何学的配列が有利となる。なぜなら、４つの端子のみを備えた単一のホールセンサ素子のオフセット影響度は、別の幾何学的配列を持つホールセンサ素子、例えば８個の接触電極を備えたホールセンサ素子のオフセット影響度よりも小さいからである。その結果、循環的な切換や加重の後でも残留する結果的なオフセット影響度もまた小さくなる。ホールセンサアレーへの幾何学的な配列とスピニング電流法の適用により、本発明にかかる配列は極めて小さなオフセット影響度を持つホール電圧を提供する。このホール電圧はまた、ホールセンサアレーの製造過程において使用された結晶方向からの影響もなく、さらにこの結晶方向に対するホールセンサ素子の方向づけからの影響もない。
【００２５】
ホールセンサアレーは通常モノリシック集積素子として作られる。このモノリシック集積素子は、ホールセンサアレーだけでなく、ホールセンサ素子に対する電流供給手段およびホール電圧のための評価電子回路をも備える。この回路配列を製造するために一般的な基礎となるものは、公知のバイポーラまたはＭＯＳ製造プロセスを用いた伝統的なシリコン半導体技術である。本発明に係る配列によれば、ホールセンサ素子としてのシリコンが持つ次の公知の２つの欠点を克服できる。すなわち、１つはホール感度の低さおよびピエゾ効果の影響の大きさであり、これらはセンサ信号のオフセット影響を招く。もう１つは、半導体材料の不均一性による影響である。
【００２６】
上述のように、個々のホールセンサ素子が持つ接触電極Ｋ１，Ｋ２，Ｋ３，Ｋ４をそれぞれ並列接続することにより、ここで述べるホールセンサアレーは出力端子を４つしか備えていない。比較的簡素な回路によって、これらの出力端子の中で１つの測定位相から次の位相へと切り換えることが可能であり、またそれらを評価電子回路へと接続することも可能である。この固定ワイヤ接続により、上述のようなオフセット補償に関する長所を得ることができるだけでなく、上記回路を簡素にすることも可能になる。その結果、これらのホールセンサアレーの製造が、従来のホールセンサと比較してより簡単で安価にできるようになる。
【００２７】
本発明の概念を明確化するために、本発明に係るホールセンサ素子の他の配置例を以下に説明する。ここで確認するが、１つの対をなすホールセンサ素子は幾何学的に互いに同一でなければならず、一方、別の対をなすホールセンサ素子とは異なる幾何学形状を持ってもよい。その結果、ホールセンサアレーの個々の適用条件あるいは適用分野について、最適な製品を準備することが可能になる。
【００２８】
図２ａはホールセンサ素子対１Ａ，１Ｂと他の対２Ａ，２Ｂとがそれぞれ隣接して配置され、これら両方の対のホールセンサ素子が同一の幾何学的形状を持つ参考例を示す。
図２ｂはホールセンサ素子対１Ａ，１Ｂと他の対２Ａ，２Ｂとがそれぞれ隣接して配置され、一方の対のホールセンサ素子が他の対のホールセンサ素子と異なる幾何学的形状を持つ実施例を示す。
図２ｃはホールセンサ素子対１Ａ，１Ｂと他の対２Ａ，２Ｂとがそれぞれ対角線的に配置され、一方の対のホールセンサ素子が他の対のホールセンサ素子と異なる幾何学的形状を持つ実施例を示す。
【００２９】
個々のホールセンサ素子対の配置例としてさらに有利な可能性を持つものは、個々のホールセンサ素子の中心点が１つの円周上に位置するように配置するものである。
図３ａは２つのホールセンサ素子対１Ａ，１Ｂと２Ａ，２Ｂとの幾何学的な配置の参考例を示す。接続線Ｌ１，Ｌ２は、それぞれ１対をなす２つのホールセンサ素子の幾何学的中心点を結ぶ仮想接続線である。これら２つのホールセンサ素子対１Ａ，１Ｂと２Ａ，２Ｂとのそれぞれの接続線Ｌ１，Ｌ２は、点Ｍにおいて交差し、この点Ｍはホールセンサアレー全体の幾何学的中心点を示している。この幾何学的配置においては、個々のホールセンサ素子１Ａ，１Ｂ，２Ａ，２Ｂの中心点が、点Ｍを中心とする想像上の円周Ｕ上に、対称的に並んでいる。
【００３０】
図３ｂは３つのホールセンサ素子対の幾何学的な配置の参考例を示す。接続線Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３は、それぞれ１対をなす２つのホールセンサ素子の幾何学的中心点を結ぶ仮想接続線である。これら３つのホールセンサ素子対１Ａ，１Ｂと２Ａ，２Ｂと３Ａ，３Ｂとのそれぞれの接続線Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３は、点Ｍにおいて交差し、この点Ｍはホールセンサアレー全体の幾何学的中心点を示している。この幾何学的配置においては、個々のホールセンサ素子１Ａ，１Ｂ，２Ａ，２Ｂ，３Ａ，３Ｂの中心点が、点Ｍを中心とする想像上の円周Ｕ上に、対称的に並んでいる。
【００３１】
上述の全てのホールセンサアレーは、上述の簡素な回路に係る長所と、改善されたオフセット特性とを提供する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る４個のホールセンサ素子を備えたホールセンサアレーの概要図である。
【図２ａ】ホールセンサ素子の両方の対が同一の幾何学的形状を持つ参考例およびその配列を示す概要図である。
【図２ｂ】一方の対のホールセンサ素子が他の対のホールセンサ素子と異なる幾何学的形状を持つ実施例およびその配列を示す概要図である。
【図２ｃ】一方の対のホールセンサ素子が他の対のホールセンサ素子と異なる幾何学的形状を持つ他の実施例およびその配列を示す概要図である。
【図３ａ】参考例に係るホールセンサ素子の他の幾何学的配列を示す概要図である。
【図３ｂ】参考例に係るホールセンサ素子の他の幾何学的配列を示す概要図である。
【符号の説明】
１Ａ，１Ｂ，２Ａ，２Ｂ，３Ａ，３Ｂ    ホールセンサ素子
Ｋ１，Ｋ２，Ｋ３，Ｋ４                接触電極
【図１】
0003790475.tif 000002
【図２ａ】
0003790475.tif 000003
【図２ｂ】
0003790475.tif 000004
【図２ｃ】
0003790475.tif 000005
【図３ａ】
0003790475.tif 000006
【図３ｂ】
0003790475.tif 000007