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技術 ホール装置のオフセット電圧を減少させる方法

出願人 アーエムエスインターナショナルアーゲー
発明者 スタイナー,ラルフハエベルリ,アンドレアススタイナー,フランツ-ペーターマイエル,クリストフ
出願日 1997年9月9日 (23年3ヶ月経過) 出願番号 1998-512265
公開日 2000年9月5日 (20年3ヶ月経過) 公開番号 2000-511642
状態 特許登録済
技術分野 磁気的変量の測定 ホール/MR素子
主要キーワード エラー発生源 垂直ホール 有限要素シミュレーション 静止電圧 ホール装置 装置端子 各接点対 等角写像
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この項目の情報は公開日時点(2000年9月5日)のものです。
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図面 (12)

課題・解決手段

この方法は、ホール装置オフセット電圧を動的に補償するのに役立つ。このホール装置は、少なくとも2つの接点対を有するプレート状の構造あるいは等角写像で得ることができる任意の他の装置のいずれかを有することができる。接点対は例えば90°だけ曲げられる。各対には、周期的に交流が供給され、それによって供給電流移相は接点対の空間移相に対応し、例えば90°である。供給電流の重ね合わせは、ホール装置で連続回転電流ベクトルを生じる。対応する端子間の電圧を同時に測定することによって、ホール電圧および周期オフセット電圧からなる信号が分離することができる。オフセット電圧は、少なくとも1つの期間にわたって信号を平均化することによって除去される。

概要

背景

概要

この方法は、ホール装置オフセット電圧を動的に補償するのに役立つ。このホール装置は、少なくとも2つの接点対を有するプレート状の構造あるいは等角写像で得ることができる任意の他の装置のいずれかを有することができる。接点対は例えば90°だけ曲げられる。各対には、周期的に交流が供給され、それによって供給電流移相は接点対の空間移相に対応し、例えば90°である。供給電流の重ね合わせは、ホール装置で連続回転電流ベクトルを生じる。対応する端子間の電圧を同時に測定することによって、ホール電圧および周期オフセット電圧からなる信号が分離することができる。オフセット電圧は、少なくとも1つの期間にわたって信号を平均化することによって除去される。

目的

効果

実績

技術文献被引用数
3件
牽制数
0件

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請求項1

円形導電領域(circular conductive area)と、前記導電領域の円周上の対向する接点対(A/B,C/D)で配置された少なくとも4つの接点(A,B,C,D)とを有するホール装置オフセットを減少させる方法であって;前記接点対が等しい空間角(spatial angles)によって互いから離隔されるか、あるいは導電領域と前記円形領域から等角写像(conformal mapping)で得られる接点対とを有するものであり;該方法が、電流(I0)を前記導電領域に印加し、それによって該電流の方向が前記領域内で回転されるステップと、前記電流(I0)に垂直な前記導電領域の両端間(across the conductive area)の電圧差を測定するステップと、少なくとも1つの回転期間(rotation period)中に測定された電圧差を平均化するステップとを含み、前記回転電流が、各接点対交流を印加することによって発生され、それによって全接点対に印加された電流の周波数が等しく、且つ接点対に印加された電流間の移相(phase shift)が、同じ接点対間の空間角に対応することを特徴とする方法。

請求項2

前記ホール装置の前記導電領域の中心と前記ホール装置が組み立てられる(constructed)基板との間の電圧が一定に保持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

前記電圧差が、電流の流れの平面内の方向に対する電流に対する角度2πn/N(これにより、nおよびNは整数であり、nは0...Nである)でサンプルされ、かつ前記ホール電圧が前記接点の重み付けられた測定電圧の和から計算されることを特徴とする請求項1あるいは2に記載の方法。

請求項4

前記ホール装置が、90°の空間角度だけ互いから離隔された2つの接点対(A/CおよびB/D)を含むことを特徴とする請求項1〜3のうち一項に記載の方法。

請求項5

前記接点対に印加された電流(IAC,IBD)が、π/4の位相角だけ互いから離隔された等しいステップで増減され、それによって形式(0,I,2I,I,0,-I,-2I,-I)の交流が発生されることを特徴とする請求項3および4に記載の方法。

請求項6

前記4つの接点の電圧(VA,VB,VC,VD)が電流ステップ間でサンプルされ、かつ前記電圧差が、IAC=0およびIBD=2Iの場合、(VD-VC)+(VA-VB),VD-VB,(VD-VA)+(VC-VB),VC-VA,(VB-VA)+(VC-VD),VB-VD,(VB-VC)+(VA-VD)が続くシーケンスVA-VCで計算されることを特徴とする請求項5に記載の方法。

請求項7

請求項1〜6のうち一項に記載の方法によって作動されるホール装置であって;該ホール装置が、シリコン基板土に組み立てられる集積装置であり、かつ前記接点対に電流を供給し、前記電圧をサンプルし、平均化するための回路(circuitry)が同じ基板上で実現される(implemented)ことを特徴とするホール装置。

請求項8

90°だけ互いから離隔される4つの接点(A,B,C,D)を有することを特徴とする請求項7に記載のホール装置。

請求項9

前記回路が整合電流シンク対および整合電流源対を含み、該シンクおよび電流源が前記ホールフルートの4つの接点(A,B,C,D)に対して、独立してスイッチ可能であることを特徴とする請求項8に記載のホール装置。

請求項10

前記導電領域が、前記基板の平面内にある(lies)か、あるいは前記基板の平面に垂直であることを特徴とする請求項7〜9のうち一項に記載のホール装置。

--

0001

発明の分野
本発明は集積マイクロセンサ、特に、磁界を測定するセンサ(ホール装置;Hal
l devices)の分野にある。

背景技術

0002

ホール装置は、通常、プレートの形状を有するが、必ずしもプレートの形状と
は限らない。このプレートは、その周辺に少なくとも4つの電気接点を備えた導
電材料からなる。バイアス電流Iは、電流接点と呼ばれる2つの対向する接点を
介して装置に供給される。
2つの他の接点は、プレートの境界の2つの等電位点に置かれている。これらの
接点は電圧接点あるいは検出接点と呼ばれる。表面に垂直な磁界が装置に加えら
れるならば、ある電圧ホール効果により検出接点間に生じる。この電圧はホー
ル電圧と呼ばれる。ホール装置の例は、基本機能に対して接点対ACおよびBD
のみが使用される図1に示されている。

0003

ホール装置の主要な問題はそのオフセット電圧である。このオフセット電圧は
、磁界がない場合、ホール装置の検出接点での静止電圧あるいは非常に低い周波
出力電圧である。集積ホール装置のオフセット電圧の原因は、製造工程の欠陥
および材料の不均一である。最新技術によるオフセット減少方法は、スイッチ回
電流方法である。この方法は、例えば、45°だけ回転に対して対称的である
8つあるいはそれ以上の接点を有するホールプレートを使用する。電流の方向は
接点の転流によって別々に回転させるようにされる。連続ホール電圧を平均化す
ることはオフセットを減ずる。

0004

本発明の目的は、スイッチ回転電流方法[1]を簡単にし、一般化し、さらにオ
セット電圧を減少させることにある。
発明の概要

0005

本発明の方法は、ホール装置のオフセット電圧を動的補償するのに役立つ。ホ
ール装置は、円形導電領域を有するプレートのような構造および導電領域の円周
上に向かい合った接点対で配置された少なくとも4つの接点のどちらか一方を有
し、接点対は等しい空間角度で互いから離隔されるかあるいは接点対は等角写像
によってこのような円形配置から得ることができるいかなる形状も有することが
できる。この接点対は、例えば、いわゆる垂直ホール装置であってもよい。接点
対は例えば90°だけ曲げられる。各対には周期的な交流が供給され、それによ
って供給電流移相は、接点対の空間移相に対応し、例えば90°である。供給
電流の重ね合わせは、ホール装置に連続回転電流ベクトルを生じる。対応する端
子間の電圧を同時に測定することによって、ホール電圧および周期オフセット電
圧からなる信号は分離することができる。オフセット電圧は少なくとも1つの期
間にわたる信号を平均化することによって除去される。既存の方法に比べて得ら
れる長所は下記の通りである。

0006

‐最新技術の別々に回転する電流方式の場合、異なる電流方向の数はホール
置の端子の数に制限される。連続回転電流方法は装置端子よりも多くの電流設定
の使用を可能にする。したがって、離散サンプリングの結果としてのエイリア
ング効果は著しく減少することができる。全時間連続回転の場合、これらのエイ
リアシングは完全に避けることができる。

0007

設計制約のため、ホール装置を材料の不均質性に対して敏感にする4つ以上
の端子を有するホール装置はサイズが増加する。連続回転電流方法は最少サイズ
ホールプレートに応用可能であり、したがって、材料の不均質性から生じる最低
可能オフセットが得られる。

図面の簡単な説明

0008

図1は、CMOS技術の8接点のホールプレートの顕微鏡写真である。

0009

図2は、2つのバイアス電流IAC(B,ψ)、IBD(B,ψ)および得られる連続
回転電流ベクトルI0の図を示している。

0010

図3は、I0による電圧降下VR、その直交部分VHO(B,ψ)、およ
射影VAC(B,ψ)およびVBD(B,ψ)を示している。

0011

図4は、方向ψ=0の場合の電流の流れ、バイアス電流IAC(0)=0およびI
BD(0)=I0の結果を示している。

0012

図5は、ψ=π/8の場合の電流の流れ、電流IAC(π/8)=0.383I0
およびIBD(π/8)=0,923I0の結果を示している。

0013

図6は、IAC(π/4)=0.707I0およびIBD(π/4)=0,707I0の重
ね合わせであるψ=π/4、電流の流れを示している。

0014

図7は、スイッチ回転電流(●)および連続回転電流(□)で測定されたVHO対ベ
クトルI0の方向ψの図を示している。

0015

図8は、作動状況を対称に保つ基板電圧Vsubを制御する回路を有する測定設
定を示している。

0016

図9は、(○)制御回路がある場合および(□)制御回路がない場合の感度Sa(
IAC)を示している。フルスケール非線形性(±0.6mA)は<0.2%に減少さ
れる。

0017

図10は、対称バイアス条件による残りのオフセットV0の変化を示している(
(○)制御回路がある場合および(□)制御回路がない場合)。

0018

図11は、4端子のホールプレートで8つの電流設定を測定する回路のブロ
ク図を示している。
好ましい実施例の説明

0019

磁気センサとして使用される4端子のホール装置のオフセット電圧の動的補償
の新しい方法が示されている。0°および90°位相角調波電流印加するこ
とによって、非周期的ホール電圧は空間的で周期的なオフセット電圧から分離で
きる。残りの約地磁界のオフセットが得られる。

0020

提示された方法は、チップ平面に垂直に敏感であるCMOSホール装置のため
に行われる。チップ顕微鏡写真は図1に示され、それによって基本機能に対して
接点対ACおよびBDが使用される。本例ではp基板で製造された直径が150
μmのnウェル能動領域を構成する。しかしながら、この方法は、このような
いわゆる横ホール装置に限定されない。等角写像によって得ることができる任意
のホール装置配置は、例えば、垂直ホール装置に適している。4端
子ホール装置の場合、周期バイアス電流が接点対ACおよび対BDに印加され、
その結果、下記の式が得られる。
IAC(ψ)=I0・K(ψ) (1)
TBD(ψ)=I0・L(ψ) (2)
それによって、I0はピーク電流であり、K(ψ)およびL(ψ)は周期関数である
。これにより端子電圧が生じる。

0021

VAC(B,ψ)=VRK(ψ)+VHO(B,ψ)L(ψ) (3)

0022

およびVBD(B,ψ)=VRL(ψ)+VHO(B,ψ)K(ψ)
(4)
上記の式は、電流ベクトルと同相抵抗部VR、および電流に対して90°移相
されるホールおよびオフセット電圧VHO(B,ψ)=VH(B)+V0(ψ)の重ね合わ
せからなる。周期オフセットを有するホール電圧は、下記のように対応する端子
間の電圧の重み付けられた和を測定することによって抵抗部から分離される。
VHO(B,ψ)=VAC(B,ψ)λ(ψ)
-VBD(B,ψ)κ(ψ) (5)

0023

その結果、周期重み関数λ(ψ)およびκ(ψ)は下記の関係を満たす。
λ(ψ)・L(ψ)-K(ψ)・K(ψ)=1およびλ(ψ)・L(ψ)-κ(ψ)・K(ψ)
(6)

0024

特に、-κ(ψ)=K(ψ)=sinψおよびλ(ψ):L(ψ)=cosψであるならば
、接点対ACおよびBDに印加された電流は下記のように90°だけ移相された
正弦曲線である。
IAC(ψ)=|I0|・sinψ (7)
IBD(ψ)=|I0|・cosψ (8)

0025

重ね合わせにより、ホールプローブ図2)に連続回転電流ベクトルI0が生
じる。得られる電圧VRおよびVHOは図3に示される。対応する端子間の電圧か
ら、
VAC(B,ψ)=VRsinψ+VHO(B,ψ)cosψ
(9)
VBD(B,ψ)=VRcosψ+VHO(B,ψ)sinψ
(10)

0026

VHO(B,ψ)の値は、

0027

VHO(B,ψ)=VAC(B,ψ)cosψ-VBD(B,ψ)sinψ (11)

0028

1つの期間にわたってVHO(B,ψ)を平均化することにより、オフセットV
0(ψ)を無視できるψとは無関係なその成分に減じる。

0029

図4図6において、電流の流れの有限要素シミュレーションは方向ψの異な
る値に対して示される。このシーケンスは、連続回転電流方法がスイッチ方法の
一般化であることを示している。

0030

信号VHO(B,ψ)は連続的に使用でき、[1]に記載された離散サンプリング方
法よりもより詳細なオフセット動作(図7)の研究を可能にする。しかしながら、
残りのオフセット電圧V0=VHO(0,ψ)を評価するために、nε{1...N}の
場合、ψ=2πn/Nのような限られた期間当たりの測定数はかなりのオフセッ
ト減少に十分である。増加する測定点の数に関して、エイリアシング効果サン
プリング定理に従って減少されるので、V0は減少する。絶対感度Saを使用し
て、相等するオフセットB0=V0/Saは0.1ガウス(10μT)よりも小さく
なるように計算される。

0031

測定のために使用される配置は図8に示される。制御回路は、ホール装置の中
心と基板との電圧差一定値に保持する。感度Sa(IAC)およびSa(IBD)(図
9)は線形関数になる。したがって、VH(B)=Sa・|B|のより高次調波
全然発生されない。さらに、ホール装置は対称的にバイアスされ、より低い残り
のオフセットV0(図10)を生じる。

0032

本発明の方法はダイナミックオフセット削減に対する改良された概念を構成す
る。本エラー発生源(基板電圧を制御する限定精度、バイアス電流を測定する限
定精度および得られる電圧)はオンチップ回路により改良される。

0033

図11は、小さいホールプレートの設計を可能にし、さらに著しくオフセット
を減少する(図7を参照)4つの接点だけを有するホールプレートで8つの電流設
定値のホール電圧を測定できる回路の実
施例を示している。この回路は、ホールプレートの端子の各々に対してスイッチ
することができる2つの整合電流源および2つの調整整合電流シンク(左側)から
なる。積分増幅器(図の右側)は、ホール電圧を取り出すのに適切な差電圧数値
を求める。適当なスイッチ設定値のシーケンスによって、印加される電流は、下
記のとおりである。
IAC={0,I,2I,I,0,-I,-2I,-I}およびIBD=
{2I,I,0,-1,-2I,-I,0,I} (12)

0034

4つの接点の電圧は下記のシーケンスで数値が求められる。

0035

VHO=mean{VA-VC,(VD-VC)+(VA-VB),VD-VB,(VD-VA)+(Vc-VB),
VC-VA,(VB-VA)+(VC-VD),VB-VD,(VB-VC)+(VA-VD)}
(13)

0036

これは、簡単なスイッチ、増幅器およびローパスフィルタによって実行するこ
とができる。ホールプレートのバイアス電圧の制御に関しては、整合対の一方が
全て4つのホールプレート接点の共通モード電圧によって調整されるのに対して
、他方の対は電流基準として使用される。
参照文
[1]A.A.Bellekom and P.J.A.Munter,“Offset Reduction in Spinning Curren
t Hall Plates,”Sensor andMaterials 5,253,1994

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