特許 7234475 補助ホールデバイスを用いるホールデバイス感度の較正

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2023-02-28

(45)【発行日】2023-03-08

(54)【発明の名称】補助ホールデバイスを用いるホールデバイス感度の較正

(51)【国際特許分類】

   G01R 33/07 20060101AFI20230301BHJP

   G01R 33/02 20060101ALI20230301BHJP

   G01R 35/00 20060101ALI20230301BHJP

   G01R 15/20 20060101ALI20230301BHJP

   G01R 19/165 20060101ALI20230301BHJP

   H10N 52/00 20230101ALI20230301BHJP

【ＦＩ】

G01R33/07

G01R33/02 X

G01R35/00 M

G01R15/20 A

G01R19/165 E

H10N52/00 A

H10N52/00 S

【請求項の数】 20

(21)【出願番号】P 2020556278

(86)(22)【出願日】2019-04-10

(65)【公表番号】

(43)【公表日】2021-08-26

(86)【国際出願番号】 US2019026805

(87)【国際公開番号】W WO2019199983

(87)【国際公開日】2019-10-17

【審査請求日】2022-04-06

(31)【優先権主張番号】15/952,521

(32)【優先日】2018-04-13

(33)【優先権主張国・地域又は機関】US

(73)【特許権者】

【識別番号】507107291

【氏名又は名称】テキサス インスツルメンツ インコーポレイテッド

(74)【代理人】

【識別番号】230129078

【弁護士】

【氏名又は名称】佐藤 仁

(72)【発明者】

【氏名】アラップ ポリー

(72)【発明者】

【氏名】スリナス ラマスワミ

(72)【発明者】

【氏名】バヘル エス ハルーン

【審査官】永井 皓喜

(56)【参考文献】

【文献】特開２００２－２１３９９２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１５－１９４４５０（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平２－３０６１８３（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許出願公開第２０１７／０１９２０７８（ＵＳ，Ａ１）

【文献】米国特許出願公開第２０１７／０３６３６９３（ＵＳ，Ａ１）

【文献】特表２０１１－５１３７０６（ＪＰ，Ａ）

【文献】特表２００８－５１３７６２（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｇ０１Ｒ ３３／０２

Ｇ０１Ｒ ３３／０７

Ｇ０１Ｒ １５／２０

Ｇ０１Ｒ ３５／００

Ｈ０１Ｌ ４３／０２

Ｈ０１Ｌ ４３／０６

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

ホール効果センサ装置を動作させる方法であって、
励起コイルによって較正交番磁場を生成することと、
第１のバイアス電流を第１のホール効果センサ要素に提供して第２のバイアス電流を第２のホール効果センサ要素に提供することであって、前記第１のホール効果センサ要素が前記第２のホール効果センサ要素に近接する、前記第１のバイアス電流と前記第２のバイアス電流とを提供することと、
前記第１のホール効果センサ要素をターゲット磁場に暴露し、前記第１のバイアス電流と前記ターゲット磁場とに応答して前記第１のホール効果センサ要素によって第１のホール電圧を生成し、前記第１のホール電圧に応答してセンサ信号を生成することと、
前記第２のホール効果センサ要素を前記較正交番磁場に暴露し、前記第２のバイアス電流と前記較正交番磁場とに応答して前記第２のホール効果センサ要素によって第２のホール電圧を生成することと、
前記第２のホール電圧に応答して交流電流（ＡＣ）較正信号を生成することと、
前記ＡＣ較正信号とターゲット応答信号との間の差に応答してエラー信号を生成することと、
前記エラー信号を最小化するように前記第２のバイアス電流を調整することと、
前記調整された第２のバイアス電流を追跡するように前記第１のバイアス電流を調整することと、
を含む、方法。

【請求項2】

請求項１に記載の方法であって、
センサ出力信号を形成するために前記センサ信号をバッファすることを更に含む、方法。

【請求項3】

請求項１に記載の方法であって、
フィルタ処理されたセンサ信号を形成するために前記センサ信号をフィルタリングすることと、
フィルタ処理された較正信号を形成するために前記ＡＣ較正信号をフィルタリングすることと、
前記フィルタ処理された較正信号を前記フィルタ処理されたセンサ信号から減じることによってオフセット相殺信号を生成することと、
センサ出力信号を形成するために前記センサ信号と前記オフセット相殺信号とを組み合わせることと、
を更に含む、方法。

【請求項4】

請求項１に記載の方法であって、
前記較正交番磁場が前記励起コイルによって時間と共に周期的に生成される、方法。

【請求項5】

請求項１に記載の方法であって、
スピニング電流バイアスを前記第１のホール効果センサ要素に提供するために、前記第１のバイアス電流を切り替えることによって前記第１のホール電圧におけるオフセットを低減することを更に含む、方法。

【請求項6】

請求項１に記載の方法であって、
前記第１のホール効果センサ要素が、前記第２のホール効果センサ要素の周辺に置かれる複数のホール効果要素を含む、方法。

【請求項7】

請求項３に記載の方法であって、
スピニング電流バイアスを前記第２のホール効果センサ要素に提供するために、前記第２のバイアス電流を切り替えることによって前記第２のホール電圧におけるオフセットを低減することを更に含む、方法。

【請求項8】

請求項７に記載の方法であって、
前記スピニング電流バイアスが前記第１のホール効果センサ要素に提供されない、方法。

【請求項9】

請求項３に記載の方法であって、
前記第２のホール効果センサ要素が、前記第１のホール効果センサ要素の周辺に置かれる複数のホール効果要素を含む、方法。

【請求項10】

ホール効果センサ装置を動作させる方法であって、
励起コイルによって較正磁場を生成することと、
第１のバイアス電流を第１のホール効果センサ要素に提供して第２のバイアス電流を第２のホール効果センサ要素に提供することであって、前記第１のホール効果センサ要素が前記第２のホール効果センサ要素に近接する、前記第１のバイアス電流と前記第２のバイアス電流とを提供することと、
前記第１のホール効果センサ要素と前記第２のホール効果センサ要素とをターゲット磁場に暴露し、前記第１のバイアス電流と前記ターゲット磁場とに応答して前記第１のホール効果センサ要素によって第１のホール電圧を生成することと、
前記第２のホール効果センサ要素を前記較正磁場に暴露し、前記第２のバイアス電流と前記ターゲット磁場と前記較正磁場とに応答して前記第２のホール効果センサ要素によって第２のホール電圧を生成することと、
前記第２のホール電圧と前記第１のホール電圧との差に応答してオフセット相殺信号を生成することと、
出力信号を生成するために前記第１のホール電圧から前記オフセット相殺信号を減算することと、
固定された範囲内に前記第２のホール電圧を維持するように前記第２のバイアス電流を調整することと、
前記調整された第２のバイアス電流を追跡するように前記第１のバイアス電流を調整することと、
を含む、ホール効果センサ装置を動作させる方法。

【請求項11】

請求項１０に記載の方法であって、
スピニング電流バイアスを前記第２のホール効果センサ要素に提供するために、前記第２のバイアス電流を切り替えることによって前記第２のホール電圧におけるオフセットを低減することを更に含む、方法。

【請求項12】

請求項１０に記載の方法であって、
前記較正磁場が 前記励起コイルによって時間と共に周期的に生成される、方法。

【請求項13】

請求項１０に記載の方法であって、
前記第２のホール効果センサ要素が、前記第１のホール効果センサ要素の周辺に置かれる複数のホール効果要素を含む、方法。

【請求項14】

ホール効果センサ装置であって、
第２のホール効果センサに近接して置かれる第１のホール効果センサと、
前記第１のホール効果センサに結合される第１のバイアス電流源と、
前記第２のホール効果センサに結合される第２のバイアス電流源であって、前記第１のバイアス電流源が前記第２のバイアス電流源を追跡するように配置される、前記第２のバイアス電流源と、
前記第２のホール効果センサに近接して置かれる励磁コイルと、
前記第２のホール効果センサの出力と前記第２のバイアス電流源の制御入力との間に結合されるフィードバック回路と、
を含む、ホール効果センサ装置。

【請求項15】

請求項１４に記載のホール効果センサ装置であって、
前記第１のホール効果センサが、前記第２のホール効果センサの周辺に置かれる複数のホール効果要素を含む、ホール効果センサ装置。

【請求項16】

請求項１５に記載のホール効果センサ装置であって、
前記第１のホール効果センサにおいてスピニングバイアス電流を生成するスイッチング回路要素を更に含む、ホール効果センサ装置。

【請求項17】

請求項１４に記載のホール効果センサ装置であって、
前記第１のホール効果センサからの出力と前記第２のホール効果センサからの出力とを受信するように結合されるオフセット相殺回路であって、オフセット相殺出力を有する、前記オフセット相殺回路と、
前記第１のホール効果センサからの出力を受信し、前記オフセット相殺出力を受信するように結合される減算器回路であって、前記第１のホール効果センサからのオフセット補正出力を提供する出力を有する、前記減算器回路と、
を更に含む、ホール効果センサ装置。

【請求項18】

請求項１７に記載のホール効果センサ装置であって、
前記フィードバック回路が、前記第１のホール効果センサからの出力と前記第２のホール効果センサからの出力とを受信するように結合される減算器を含み、前記減算器が前記第２のバイアス電流源の前記制御入力に結合される出力を有する、ホール効果センサ装置。

【請求項19】

請求項１７に記載のホール効果センサ装置であって、
前記第２のホール効果センサが、前記第１のホール効果センサの周辺に置かれる複数のホール効果要素を含む、ホール効果センサ装置。

【請求項20】

請求項１９に記載のホール効果センサ装置であって、
前記第２のホール効果センサにおいてスピニングバイアス電流を生成するスイッチング回路要素を更に含む、ホール効果センサ装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本願は、ホール効果デバイスに関し、より具体的にはホール効果デバイスの較正に関する。

【背景技術】

【0002】

ホール効果センサは、低いコスト、小さな面積、及び容易な統合可能性に起因して、媒体感度磁気センサの業界の選択肢である。しかしながら、すべての半導体ホール効果センサは、不整合、ドーピング変動、及び望ましくない圧電効果などの、製造プロセスの非理想性の結果として生じるオフセットに悩まされる。「スピニング電流」と呼ばれる技法は、厳しい帯域幅の規模縮小を犠牲にして、オフセットを部分的に低減する。なおも残余オフセットは、多くの適用例において確度を限定するのに充分な大きさである。また、残余オフセットは、温度、パッケージング、応力、変動、及びエージングなどの要因に依存してドリフトする。

【0003】

いわゆる「ホール効果」は、磁場が電流に対して垂直に向くときに発生する。典型的なホールセンサは、通常、導電性材料のストリップ又はプレートを含み、プレートを介して電流が流れる。磁場の成分がプレートに対して垂直なようにプレートが磁場内に置かれるとき、プレート内に、磁場の方向及び電流フローの方向の両方に対して垂直な方向のホール電圧が発生する。

【0004】

半導体ホール効果センサは、典型的に、シリコンから生成される感知要素を含む。ここれらのデバイスの磁気感度は、感知要素を構築するために用いられる材料の電子移動度、ミューに直接関係し、これによって制限される。シリコンは、典型的にはおよそ１５００ｃｍ２／（Ｖｓ）の電子移動度を有する。

【発明の概要】

【0005】

記載される例において、ホール効果センサが、一次ホール効果センサ要素及び補助ホール効果センサ要素を含む。或る範囲の温度及び他の要因にわたって補助ホール電圧をほぼ一定に維持するように、補助ホール効果センサのバイアス電流を制御するためにフィードバックループにおいて用いられる補助ホール電圧を生成するために、既知の磁場が補助ホール効果センサに印加される。同じ範囲の温度及び他の要因にわたって一次ホール効果センサの感度をほぼ一定に維持するように、補助ホール効果センサのバイアス電流を追跡するために、一次ホール効果センサのためのバイアス電流が制御される。

【図面の簡単な説明】

【0006】

【図1】例示のホール効果センサを示す図である。

【0007】

【図2】図１の例示のホール効果センサの動作を図示する。

【0008】

【図3】ホール効果センサの等価電気モデルである。

【0009】

【図4】補助ホール効果センサを備える一次ホール効果センサのセットの例示の配置を図示する。

【0010】

【図5】図４のホール効果センサの例示のセットのための較正回路要素を図示するブロック図である。

【0011】

【図6】図４のホール効果センサを含む基板の等角図である。

【0012】

【図7】補助ホール効果センサを備える一次ホール効果センサのセットの他の例示の配置を図示する。

【図8】補助ホール効果センサを備える一次ホール効果センサのセットの他の例示の配置を図示する。

【図9】補助ホール効果センサを備える一次ホール効果センサのセットの他の例示の配置を図示する。

【図10】補助ホール効果センサを備える一次ホール効果センサのセットの他の例示の配置を図示する。

【0013】

【図11】ホール効果センサの例示のセットのためのオフセット補正回路要素と共に、較正回路要素の別の例を示すブロック図である。

【0014】

【図12A】図１１の回路要素における様々なポイントの周波数応答曲線を図示する。

【図12B】図１１の回路要素における様々なポイントの周波数応答曲線を図示する。

【図12C】図１１の回路要素における様々なポイントの周波数応答曲線を図示する。

【図12D】図１１の回路要素における様々なポイントの周波数応答曲線を図示する。

【0015】

【図13】補助較正ホール効果センサを備える一次ホール効果センサのセットの動作を示すフローチャートである。

【0016】

【図14】ホール効果センサを用いる例示のシステムを図示する。

【発明を実施するための形態】

【0017】

図面において、一貫性のために同様の要素は同様の参照番号によって示される。

【0018】

開ループ及び閉ループの較正方法は、様々な状況において適用される。こうした状況の一つは、ホール効果磁場センサの較正にある。ホール効果磁場センサは、磁場を測定するために用いられ得る固体磁気センサデバイスである。ホール効果磁場センサの適用には高確度が必要であるが、プロセス変動、温度、及びパッケージ応力変化を伴う感度における変動及びドリフトを受ける。ホール効果センサが示す複雑な温度依存性に対する制御のための従来のソリューションは、いわゆる「開ループ」温度補償回路要素構成を実装することである。プロセス変動の各部分の感度の微調整（又は、「トリミング」）が成され得、温度及び応力についての感度の変化は、オンチップ温度及び応力センサ並びに事前評価補償テーブルを用いることによって補償され得る。この手法には、費用の掛かる個々のデバイスの多地点特徴化、及び経時的な再較正が必要である。センサの較正のための磁場励起は、オンチップ電流コイル又は外部磁場源を用いてつくることができる。しかしながら、測定されるべき信号が較正信号と干渉する可能性があるため、較正はデバイスがオフラインである（動作中でない）ときにのみ実行可能である。

【0019】

開ループ技法の代替として、外部磁場が無いときに連続的較正を行なうために閉ループ方法が実装されている。閉ループ較正は、通常、既知の磁場をデバイスに印加し（既知の温度不感受性電流を、オンチップ／オフチップコイル／センサ近くの他の適切なトレースを介して流すなど）、その後、センサ出力を所望の応答と比較し、コンパレータ誤差を最小化するためにセンサ感度／利得を調節する、というように働く。その結果、開ループ較正よりも大幅に高い確度となる。

【0020】

ホール効果センサの従来の閉ループ較正に伴う問題は、ホール効果センサ近くの較正電流が、動作温度を変化させるのに充分な熱を発生させる可能性があり、結果として感度を変化させ、一次測定に影響を与えることである。また、閉ループ較正は、外部磁場が無いときにうまく作動することが実証されているが、実世界での応用例において干渉を完全になくすことは簡単ではなく、磁気的に遮蔽された環境におけるオフライン較正を必要とし得る。

【0021】

改良された閉ループ較正技法が、２０１６年１月１４日に出願された、アラップ ポリー（Arup Polley）らによる「広帯域信号を用いる閉ループデバイス較正」という名称の米国特許第９，８１０，７５９号に記載されており、これは、参照により本明細書に組み込まれる。しかしながら、そこに記載されている技法は、較正励磁信号について、制限されたホールセンサシステム帯域幅の割り当てを必要とし得る。帯域内励磁信号が出力に容量結合し得る。較正励磁信号と測定されている外部磁場との相関が生じる場合、較正誤差が生じ得る。コイル加熱効果は、反対の磁場をつくるためにホール効果センサにわたる２つの別個のループなどの、複雑なループ設計の使用を妨げる可能性がある。

【文献】米国特許第９，８１０，７５９号

【0022】

本明細書に記載する較正技法の実施形態は、従来の閉ループ較正技法が遭遇する様々な問題を避けることができる。一次ホール効果センサの利得を較正するために、別個の整合されるホール効果センサを用いることができる。このようにして、交流電流（ＡＣ）較正／励磁信号が、一次ホール効果センサの信号帯域を外れるより高い周波数を有し得る。補助ホール効果センサは、一次ホール効果センサデバイスよりも多くの利用可能な帯域幅を有するため、高周波数磁場並びに複素周波数ホッピング技法が容易に適用され得る。この技法において、ホール効果センサ要素から妥当な距離だけ離れた位置にある単一の大きなコイルが用いられ得、したがって加熱効果を大幅に低減させることができる。別個の補助チャネルは、閉ループ較正機能を提供するために、帯域内信号及び高周波数較正信号のデカップリングを提供する。

【0023】

本明細書に記載される別の例示のホール効果センサが、閉ループ較正機能に加えて閉ループオフセット較正機能を含み得る。

【0024】

図１は、例示の水平ホール効果センサデバイス１００の図である。図２は、ホール効果センサ１００の等角図である。ホール効果センサの一般概念は、本明細書では詳細に記載しない。上記のように、「ホール効果」は磁場が電流に対して垂直に向くときに生じる。磁場は、導体にわたって、磁場の方向及び電流フローの方向の両方に対して垂直な方向に、ホール電圧と呼ばれる電圧差を生成する。ホール電圧を測定することによって、磁場の大きさを判定することが可能である。

【0025】

本例において、ホール効果センサ要素１０２は、既知の又は後に開発される半導体製造技法を用いて、基板１２０上に製造され得る。ホール効果センサの感度を決定する主要な要因は、高電子移動度である。ホール効果センサに特に適した材料は、ヒ化ガリウム（ＧａＡｓ）、ヒ化インジウム（ＩｎＡｓ）、リン化インジウム（ＩｎＰ）、アンチモン化インジウム（ＩｎＳｂ）、グラフェンなどである。

【0026】

コンタクト領域１０４、１０６は、ホール効果センサ要素層を介してバイアス電流１１０を提供するため、及び結果として生じるホール電圧１１２を感知するために、要素層１０２と接して形成される。

【0027】

ホール効果要素１０２は、図１に示されるように、従来の十字形にパターン化され得る。他の実施形態において、八角形又はほぼ八角形、三角形又はほぼ三角形、四つ葉形又はほぼ四つ葉形、円形又はほぼ円形などの、他の要素形状がパターン化され得る。同様に、コンタクトパッド１０４、１０６及び対応する配線の数は、要素層１０２のジオメトリに応じて所与の適用例に合うように変更され得る。

【0028】

本例において、ホール電圧１１２は式（１）によって表され得る。
Ｖ_Ｈａｌｌ＝Ｉ_ｂｉａｓＢ_Ｚ／ｎｔｅ （１）
上式で、
Ｉ_ｂｉａｓ＝形状を横切る電流
Ｂ_Ｚ＝形状に垂直な磁場
ｎ＝電荷キャリア密度
ｔ＝ホール要素の厚み
ｅ＝素電荷
である。

【0029】

この設計は、結果としておよそ３００Ｖ／ＡＴ（ボルト／アンペア×テスラ）の感度を生じさせる。例えば、１ｍＴ場における１００μＡのバイアス電流で、およそ３０μＶのホール電圧が生成されることになる。チャネル抵抗はおよそ５．７ｋオームであり得る。

【0030】

図２は、例示の感知構成において、ホール効果要素１０２の上に置かれた磁石２３０を図示する。磁石は、感知するためにホール効果要素１０６に対してターゲット磁場を提供する。バイアス電流１１０の流れに関して垂直に又は幾分垂直なようにホール要素１０２に侵入する磁石２３０からの磁束線２３２は、コンタクト１０６にわたって形成されるホール効果電圧１１２を生成する。

【0031】

図３は、水平ホール効果センサ１００などのホール効果センサデバイスの電気的等価物を図示する概略図である。このモデルにおいて、バイアス電流が、ポートＮにおいて注入され、ポートＳにおいて除去され、ホール電圧が、ポートＷ及びＥにわたって測定されるものと想定する。バイアス電流への有効チャネル抵抗Ｒ１、及びホール電圧パスにおけるチャネル抵抗Ｒ０が存在する。また、ホイートストンブリッジ抵抗効果が、抵抗器Ｒ２～Ｒ５によって表される。通常、たとえ最新式のリソグラフィ及び製造プロセスであっても、ホイートストンブリッジ型の電気モデルにおける不可避の抵抗不整合に起因して、大きなオフセットが存在する。これらの抵抗効果の各々及びすべてが、オフセット電圧ドリフトに寄与するために時間及び温度と共に変動し得る。

【0032】

「スピニング電流」と呼ばれるバイアス電流補償技法を用いて、オフセットを少なくとも部分的に低減させ得る。本技法において、バイアス電流は、ホール要素上のコンタクトＮ、Ｓ、Ｅ、Ｗの少なくとも２つの異なるペアに順次提供される。供給される電流の重ね合わせは、ホール効果センサデバイスにおける連続的なスピニング電流ベクトルを生じさせる。対応する端子間の電圧を同時に測定することによって、ホール電圧及び周期オフセット電圧を含む信号を分離することができる。少なくとも１周期にわたって信号を平均することによって、オフセット電圧をなくし得る。

【0033】

図４は、補助較正ホール効果センサ４０５を備える、４つの一次ホール効果センサ４０１～４０４のアレイ４００の例示的配置を示す。本例において、４つの一次ホール効果センサ４０１～４０４は「クワッドホール効果センサ」と呼ばれ得る。ホール効果センサアレイ４００は、重心を画定する単一の中央ホール効果センサ要素４０５を含み、重心の周辺に、直交して結合されるクアッドホール効果センサ要素が配置される。単一のホール効果センサ４０５及び直交して結合されるクワッドホール効果センサの各々は、通常、それら独自の対称性に関して、及びホール効果センサアレイ４００の他の要素の対称性に関して、同様の形状（例えば、八角形）、組成、及び機能である。こういった要素の各々は対称構成で配置されて、例えば、ホール効果センサアレイ４００の各要素に対する磁場の効果が、ホール効果センサアレイの他の要素の各々に対するそれぞれの効果と実質的に類似するようにされる。直交して結合されたクワッドホール効果センサのスイッチされるバイアス電流フローの方位は、φ＝０などの単一スイッチング位相について例示される。

【0034】

動作において、単一のホール効果センサ４０５は、磁場に応答して高帯域幅ホール効果電圧を生成する。例えば、単一のホール要素４０５はスピニング電流技法を用いてバイアスされないため、単一のホール要素４０５は磁場に応答して高帯域幅ホール効果電圧を生成する。対照的に、近接する周辺に配置される直交して結合されたクワッドホール効果センサは、スピニング電流技法を用いてバイアスされ、この場合、直交して結合されたクワッドホール効果センサ要素のバイアス電流は、北方向、東方向、南方向、及び西方向などの４方向の各々に切り替えられる。直交して結合されたクワッドホール効果センサのバイアス電流は、スイッチング位相の変化に応答したバイアス電流の方向の変化にかかわらず、バイアス電流の方向が各方向に等しい数の電流フローを有するように切り替えられる。本例は、各スイッチング位相上の各方向に一つの電流フローを有する。

【0035】

図５は、図４の例示のクワッドホール効果センサ４００についての較正回路要素を図示するホール効果センサデバイス５００のブロック図である。ホール効果センサデバイス５００は、本明細書に示されるトランジスタ並びにアナログ及びデジタル回路要素の他の構成要素を形成するために、既知の又は後に開発される半導体製造技法を用いて、シリコンなどの基板上に製造され得る。複数のデバイスが基板上に形成され、その後、個別のダイを形成するために切り離され得る。ダイは、後により大きなシステムにおいて用いられ得る構成要素を形成するために、既知の又は後に開発されるパッケージング技法を用いて、封止されるか又は他の方法でパッケージ化され得る。

【0036】

本例において、バイアス電流ジェネレータ５１２は、クワッドホール効果センサアレイ４０１～４０４において上記で説明したスピニング電流技法（ＳＣＴ）配置を形成するために、スイッチング回路を介してバイアス電流を提供する。クワッドホール効果センサアレイ４０１～４０４によって生成されたホール電圧は、アナログフロントエンド（ＡＦＥ）増幅器５１０によって受け取られ、クワッドホール効果センサアレイ４０１～４０４上に当たるターゲット磁場を表す出力信号５１１を生成する。ＡＦＥ増幅器５１０は、クワッドホール効果センサ４０１～４０４の各々の出力に結合される複数の入力を含み得る。ＡＦＥ増幅器５１０は、出力信号５１１から高周波数干渉を除去するために低域フィルタを含み得る。例えば、低域フィルタは、１０ｋＨｚから５００ｋＨｚの範囲内などの、或る周波数より上の周波数をフィルタ除去するように設計され得る。

【0037】

ＡＦＥ増幅器５１０は、既知の又は後に開発されるアナログ回路技法を用いて製造され得る。いくつかの例において、デジタル出力を生成するためにアナログ－デジタルコンバータを含み得る。

【0038】

ＳＣＴは、公称動作温度、プロセス変動、及びパッケージ応力レベルにおいて許容し得る程度に低いオフセット電圧を有する標準ホール出力５１１を生成する。上記で説明したように、閉ループ較正ループを用いて、広範な動作温度、プロセス変動、及びパッケージ応力にわたって測定感度を維持し得る。本例において、コイル５２１などの励磁構造が、クワッドホール効果センサ４００を含む基板上に製造される。励磁コイル５２１は、クワッドホール効果センサアレイ４００を囲むように構成され得るが、コイル５２１を介して流れる電流に起因してクワッドホール効果センサアレイ４００の加熱を生じさせないように充分離して置かれ得る。クワッドホール効果センサ４００を含む基板上に電流源５２０も製造され得る。電流源５２０は、コイル５２１において高周波数ＡＣ電流を生成するように設計され、高周波数ＡＣ電流は、既知の磁場強度を有する高周波数磁場を生成する。

【0039】

バイアス電流源５１３は、補助ホール効果センサ４０５に提供されるバイアス電流５１４を生成する。ホール効果センサ４０５は、較正コイル５２１によって生成されるバイアス電流５１４及び磁場に応答してホール電圧を生成し、これは、ＡＦＥ５１５によって増幅及び復調される。次いで、ＡＦＥ５１５からの出力が、「所望の応答」電圧と呼ぶこともある基準電圧５１７と比較される。コンパレータ５１６は、ＡＦＥ５１５の出力及び所望の応答５１７を比較し、バイアス電流源５１３を制御するために用いられ得るフィードバック信号５１８を生成する。このようにして、バイアス電流５１４の大きさを調整することによって、或る範囲の動作温度、プロセス変動、及びパッケージ応力にわたって、所望の応答電圧５１７にほぼ等しいＡＦＥ５１５の出力を維持するために、閉ループが形成される。

【0040】

バイアス電流源５１２は、フィードバック信号５１８にも結合され、クワッドホール効果センサアレイ４００に提供されるバイアス電流の大きさをバイアス電流５１４に比例して調整するように設計される。このようにして、クワッドホール効果センサアレイの出力は、温度、プロセス変動、及びパッケージ応力を補償するように調整される。

【0041】

較正電流源の周波数５２０は、クワッドホール効果センサ４００の予期される動作範囲より上で動作するように設計され得る。このようにして、クワッドホールアレイセンサ４００上で励磁コイル５２１によって生成される磁場の効果は、ＡＦＥ５１０によってフィルタ除去され得る。

【0042】

別の例において、較正電流源５２０の周波数は、クワッドホール効果センサ４００の予期される動作範囲より下で動作するように設計され得る。このようにして、クワッドホールアレイセンサ４００上でコイル５２１によって生成される磁場の効果は、ＡＦＥ５１０と共に含まれる高域フィルタによってフィルタ除去され得る。

【0043】

図６は、図４のクワッドホール効果センサ４００を含む基板６００の等角図である。本例において、基板６００は、図５に関して上記でより詳細に説明したような、クワッドホール効果センサ４００及び補助ホール効果センサ４０５を製造するために既知の又は後に開発される製造技法を用いて製造されたシリコンダイであり得る。コイル５２１は、既知の又は後に開発される製造技法を用いて、基板６００上の一つ又は複数の金属層上に製造され得る。図５に示される追加の回路要素も、既知の又は後に開発される半導体処理技法を用いて基板６００上に製造され得る。

【0044】

本例において、励磁コイル５２１は、加熱の影響を大幅に低減させるために、ホール効果センサ要素から妥当な距離離れて置かれる単一の大きなコイルとして示されている。別の例において、励磁コイルがホール効果センサにより近接して置かれ得る。別の例において、励磁コイルが、周辺一次ホール効果センサに重なるように置かれ得る。

【0045】

このようにして、一次ホール効果センサ要素に用いられる周波数帯域を外れたＡＣ較正信号５０６が生成され得る。これにより、較正ニーズのために一次ホール効果センサ帯域幅を割り当てるいかなる必要性もなくされる。これにより、一次ホール効果センサ要素によって生成される帯域内ホール電圧信号への較正信号の容量結合もなくし得る。

【0046】

高周波数磁場並びに複素周波数ホッピング技法は、本明細書で説明する較正技法によって提供されるよりも多くの利用可能帯域幅を伴う較正プロセスに容易に用いられ得る。これにより、較正誤差を生み出す可能性のある、較正信号と外部入力磁気信号との相関を避けることができる。

【0047】

本明細書で説明する技法は、ホール効果センサ要素４００の周りの妥当な距離にある単一の大きな励磁コイル５２１のみを必要とし、そのため、較正コイル５２１によって生じる加熱の影響が大幅に低減され得る。

【0048】

図７は、補助較正ホール効果センサ７０５を備える一次ホール効果センサのセット７００の別の例示の配置を図示する。この例では、ホール効果センサ要素７０１～７０５は十字形である。また、矢印は一つのスイッチング位相についてのＳＣＴ電流方位の別の例を図示する。

【0049】

補助ホール効果センサ７０５、及び周辺一次ホール効果センサの各々は、通常、それら独自の対称性に関して、及びホール効果センサアレイ７００の他の要素の対称性に関して、同様の形状、組成、及び機能である。こういった要素の各々は対称構成で配置されて、例えば、ホール効果センサアレイ７００の各要素に対する磁場の効果が、ホール効果センサアレイの他の要素の各々に対するそれぞれの効果と実質的に類似するようにする。一次ホール効果センサの切り替えられたバイアス電流フローの方位は、φ＝０などの単一スイッチング位相について図示されている。

【0050】

図８は、補助較正ホール効果センサ８０５を備える一次ホール効果センサのセット８００の別の例示の配置を図示する。この例では、ホール効果センサ要素８０１～８０５は正方形である。また、矢印は一つのスイッチング位相についてのＳＣＴ電流方位の別の例を図示する。

【0051】

補助ホール効果センサ８０５、及び周辺一次ホール効果センサの各々は、通常、それら独自の対称性に関して、及びホール効果センサアレイ８００の他の要素の対称性に関して、同様の形状、組成、及び機能である。こういった要素の各々は対称構成で配置されて、例えば、ホール効果センサアレイ８００の各要素に対する磁場の効果が、ホール効果センサアレイの他の要素の各々に対するそれぞれの効果と実質的に類似するようにされる。一次ホール効果センサの切り替えられたバイアス電流フローの方位は、φ＝０などの単一スイッチング位相について図示されている。

【0052】

図９は、補助較正ホール効果センサ９０９を備える一次ホール効果センサのセット９００の別の例示の配置を図示する。この例では、ホール効果センサ要素９０１～９０９は八角形であるが、図４に比べて追加の要素が存在する。また、矢印は一つのスイッチング位相についてのＳＣＴ電流方位の別の例を図示する。

【0053】

補助ホール効果センサ９０９、及び周辺一次ホール効果センサの各々は、通常、それら独自の対称性に関して、及びホール効果センサアレイ９００の他の要素の対称性に関して、同様の形状、組成、及び機能である。こういった要素の各々は対称構成で配置されて、例えば、ホール効果センサアレイ９００の各要素に対する磁場の効果が、ホール効果センサアレイの他の要素の各々に対するそれぞれの効果と実質的に類似するようにされる。一次ホール効果センサの切り替えられたバイアス電流フローの方位は、φ＝０などの単一スイッチング位相について示される。

【0054】

図１０は、補助較正ホール効果センサのセット１０１３～１０１５を備える一次ホール効果センサのセット１０００の別の例示の配置を図示する。この例では、ホール効果センサ要素１００１～１０１６は十字形である。また、矢印は一つのスイッチング位相についてのＳＣＴ電流方位の別の例を図示する。この例では、ＳＣＴは、矢印によって示されるように、補助ホール効果センサのセット１０１３～１０１６にも適用され得る。

【0055】

補助ホール効果センサのセット１０１３～１０１６、及び周辺一次ホール効果センサの各々は、通常、それら独自の対称性に関して、及びホール効果センサアレイ１０００の他の要素の対称性に関して、同様の形状、組成、及び機能である。こういった要素の各々は対称構成で配置されて、例えば、ホール効果センサアレイ１０００の各要素に対する磁場の効果が、ホール効果センサアレイの他の要素の各々に対するそれぞれの効果と実質的に類似するようにされる。一次ホール効果センサの切り替えられたバイアス電流フローの方位は、φ＝０などの単一スイッチング位相について示される。

【0056】

様々な対称アレイの例が本明細書において示されたが、これらは他の構成を制限するものとみなすべきではない。例えば、より多数又はより少数の要素を用いることもできる。様々なＳＣＴ実装及びスイッチングシーケンスが用いられ得る。別の例において、非対称アレイが用いられ得る。それぞれの場合において、補助ホールセンサ要素に提供されるバイアス電流は、図５のフィードバック信号５１８に類似する閉ループ信号に応答して調整される。同様に、それぞれの場合において、一次ホール効果センサ要素の各々に提供されるバイアス電流は、図５で説明するようなフィードバック信号における変化を追跡するように調整される。

【0057】

図１１は、較正回路要素の別の例を含むホール効果センサシステム１１００を図示するブロック図である。図１２Ａ～図１２Ｄは、図１１の回路要素における様々なポイントの電圧対周波数応答曲線を図示する。

【0058】

この例はオフセット補正回路要素も含む。この例では、単一の一次ホール効果センサ１１０１のみが、補助ホール効果センサ要素１１０２～１１０５のアレイによって囲まれる。また、この本例では５つの八角形のホール効果センサ要素が示されているが、他の例ではより多いか又はより少ない要素のアレイを用いることができ、また、図７～図１０に図示されるように、異なる形状の要素を用いることもできる。

【0059】

この例では、一次ホール効果センサ１１０１はオフセット制御にＳＣＴを用いない。これにより、センサシステム１１００に当たる高周波数ターゲット磁場に応答して、高帯域幅ホール電圧信号１１０７が生成され得る。バイアス電流源１１２２によってバイアス電流が提供される。ホール電圧信号は、プリアンプ１１０８の入力に提供される。図１２Ａは、ホール効果センサ１１０１によって生成されるホール電圧信号１１０７の周波数応答を図示する。図１２Ａの線１２０７によって示されるように、高帯域幅ホール電圧信号１１０７は著しいオフセットを有し得る。例えば、例示のホール効果センサにおいて、およそ１ｍＴ（ミリテスラ）と同等のオフセットが存在し得る。この例では、図１２Ａの１２０１において示されるように、受け入れ可能なオフセットは、５０μＴ未満とすべきである。

【0060】

プリアンプ１１０８の出力が、アンチエイリアスフィルタ（ＡＡＦ）１１０９に提供される。ＡＡＦ １１０９は、ナイキスト周波数を上回る周波数のパワーを低減させることによって、サンプリング定理をほぼ又は完全に満たすように、信号の帯域幅を制約するために用いられ得る。ＡＡＦ １１０９の出力が、スイッチドキャパシタ（ＳＣ）復調器１１１１に提供される。ＳＣ復調器１１１１は、スピニング電流バイアス技法を用いるホールセンサ１１０１の出力の離散時間復調技法を実装する。また、ＳＣ復調器１１１１は、低帯域出力１１１２を減算器１１１３の入力に提供する。

【0061】

この例では、４つの補助ホール効果センサ要素１１０２～１１０５は、一次ホール効果センサ１１０１の周辺に配列される。それらは、低帯域幅の低オフセットホール電圧を生成するために、補助バイアス電流源１１２２によるＳＣＴを用いてバイアスされる。本例において、各補助ホール効果センサ１１０２～１１０５は、プリアンプ１１１５の入力に提供される低帯域幅較正信号を生成するため、各対応する補助ホール効果センサ上に当たる較正された磁場を生成するために、励磁信号１１０６によって各々駆動される、別個のコイル１１３２～１１３５によって囲まれる。

【0062】

コイルは、図６に関して説明したものと同様に、ホール効果センサにわたって形成され得る、金属層などの一つ又は複数の導電層上に製造され得る。コイルは、いくつかの例において各補助ホール効果要素の周辺となるように配置され得る。他の例において、コイルは、各それぞれの補助ホール効果センサ要素に部分的に又は完全に重なるように配置され得る。較正磁場の大きさは、コイルの数及びコイルに提供される励磁電流によって決定される。この例では各コイルは２４の巻き数を有し得るが、他の例では異なる数の巻き数が用いられ得る。より多くの巻き数は、より強い磁場を生成するが、より大きな電圧励磁信号を必要とし得る。

【0063】

コイルは固定周波数励磁電流１１０６によって励磁され得る。本例において、図１２Ｂに示されるように励磁周波数は１０ｋＨｚであるが、他の例では、より高い又はより低い周波数が用いられ得る。いくつかの例において、励磁場とターゲット磁場との間の任意の相関を低減するために周波数ホッピング技法が用いられ得る。

【0064】

プリアンプ１１１５の出力が、アンチエイリアスフィルタ（ＡＡＦ）１１１６に提供される。ＡＡＦ １１１６は、ナイキスト周波数を上回る周波数のパワーを低減させることによって、サンプリング定理をほぼ又は完全に満たすように信号の帯域幅を制約するために用いられ得る。ＡＡＦ １１１６の出力が、スイッチドキャパシタ（ＳＣ）復調器１１１７に提供される。本例において、較正バイアス源１１２３はおよそ１０ｋＨｚの周波数で動作し、励磁コイルは、およそ２００μＴの磁束強さを有する磁場を生成するように設計される。結果として生じる信号は、図１２Ｂの１１１８において示される。この低帯域幅信号は、図１２Ｂの１２０２において示されるように、４つの補助ホール効果センサ要素１１０２～１１０５に適用されるＳＣＴに起因して、低オフセットを有する。

【0065】

減算器１１１３は、図１２Ｃに示される１０ｋＨｚの較正信号１２１８及び図１２Ｃに示されるオフセット相殺信号１２０３を含む信号１１１４を生成するために、高オフセット信号１１１２から低オフセット信号１１１８を減じる。

【0066】

ＳＣ復調Ｄ１（１１１７）は、ホールクワッド１１０２～１１０５の出力を復調するために必要である。ＳＣ復調Ｄ１（１１１７）は、復調と共に、高周波数磁気信号の何らかの望ましくないエイリアシングも生成し得る。エイリアシング効果が同一であり、結果として減算器１１１３によって完全な相殺が提供され得るように、高帯域幅パス（ホール１１０１）におけるＳＣ復調器１１１１も、同じＳＣ復調器構成を用いる。

【0067】

利得較正モジュール１１２０は、信号１１１４を受信し、或る範囲の温度、パッケージ応力、及びプロセスパラメータにわたって、較正信号１１１８の振幅をほぼ固定された値に維持するように、制御バイアス電流源１１２３に返送されるバイアス制御信号１１２１を生成する。バイアス電流源１１２２は、バイアス電流源１１２３を追跡するように構成され、それによって、同じ範囲の温度、パッケージ応力、及びプロセスパラメータにわたって、一次ホール効果センサ要素１１０１の感度を維持する。所望の応答方法が、較正信号１１０６によって励磁されるホールクワッド１１０２～１１０５に適用される。したがって、利得較正はホールクワッド１１０２～１１０５に適用可能である。近接及び対称配置に起因して、ホール効果センサ要素１１０１の利得／感度はホールクワッド１１０２～１１０５と同じであるものと想定し得る。

【0068】

ＡＡＦ １１１９は、信号１１１４を受信し、較正信号成分をフィルタ除去し、図１２Ｃに示されるオフセット相殺成分１２０３をプリアンプ１１０８の入力に提供する。プリアンプ１１０８は、高帯域幅の低オフセット出力信号１１０９を形成するために、ホール電圧信号１１０７からオフセット相殺成分１２０３を減じる。図１２Ｄは、図１２Ｄの１２０４において示される５０μ未満のオフセットを伴う出力信号１１０９の周波数応答を図示する。この例ではプリアンプ１１０８は減算論理を含むが、別の例において、オフセット相殺信号１２０３とホール効果センサ１１０１からの出力とが、別個の減算回路において組み合わされ得る。

【0069】

別の例において、プリアンプ１１０８／１１１５において帯域幅制限を構成することによって、ＡＡＦ １１１０及び／又はＡＡＦ １１１６を省くことができる。代替として、前述のように、２つのＳＣ復調器１１１１、１１１７及び減算器１１１３を用いることによって、エイリアシング効果を相殺し得る。

【0070】

図１３は、図５におけるホール効果センサデバイス５００又は図１１におけるホール効果センサデバイス１１００などの、補助較正ホール効果センサを備える一次ホール効果センサのセットの動作を図示するフローチャートである。

【0071】

１３０２において、一次バイアス電流が一次ホール効果センサに提供され、補助バイアス電流が補助ホール効果センサに提供される。一次ホール効果は、図５における要素４０１～４０４などの複数の要素であり得、又は、図１１における要素１１０１などの単一の要素であり得る。補助ホール効果センサは、図５における要素４０５などの単一の要素であり得、又は、図１１における要素１１０２～１１０５などの複数の要素であり得る。

【0072】

１３０４において、一次ホール効果センサは、図２における磁束線２３２又は図１４におけるターゲット磁束線１４０３などの、ターゲット磁場に曝露される。一次ホール効果センサ及び補助ホール効果センサは、図４～図１１に示されるように互いに近接して配置され、したがって補助ホール効果センサもターゲット磁場に曝露されることになる。補助ホール効果センサは、図５におけるコイル５２１又は図１１におけるコイル１３３２～１３３５などの、補助ホール効果センサに近接して配置される励磁コイルによって生成される高周波数較正磁場にも曝露される。一次ホール効果センサは、ホール効果センサの近接に起因して、較正磁場にも曝露され得る。

【0073】

１３０６において、補助ホール効果センサによって生成されるホール電圧によって、高周波数ＡＣ較正信号が生成される。

【0074】

１３０８において、ＡＣ較正信号は、励磁コイル、及び励磁コイルに提供される励磁電流の量に基づく、所望の又は「予期される」結果と比較されて、エラー信号を形成する。

【0075】

１３１０において、補助バイアス電流はエラー信号を最小化するように調整される。これには、或る範囲の温度、パッケージ応力、及びプロセス変動にわたって安定したホール電圧を生成するように補助ホール効果センサの感度を制御する効果がある。

【0076】

１３１４において、一次バイアス電流は補助バイアス電流を追跡するように調整される。これには、同じ範囲の温度、パッケージ応力、及びプロセス変動にわたって安定したホール電圧を生成するように一次ホール効果センサの感度を制御する効果がある。

【0077】

１３１６において、図１１におけるデバイス１１００などのいくつかの例は、一次ホール効果デバイスによって生成される信号と補助ホール効果デバイスによって生成される信号とを比較することによって形成されるオフセット相殺信号を用いて、出力信号におけるオフセットを低減し得る。ＡＣ較正信号は、図１１の１１１９において示されるように、このオフセット相殺信号からフィルタ除去され得る。

【0078】

本プロセスは、連続して又はほぼ連続して行われ得る。例えば、１３０４において、較正磁場は或る時間期間の間励磁され、その後、或る時間期間の間オフにされ、周期的に反復され得る。

【0079】

いくつかの例において、較正磁場の周波数は一次ホール効果センサの動作帯域幅より高くし得る。図１１におけるデバイス１１００などの他の例において、一次ホール効果センサの帯域幅ははるかに大きい場合があり得、較正信号は一次ホール効果センサの帯域幅内の周波数を有し得る。いくつかの例において、較正磁場の周波数は、ターゲット磁場との相関を最小化するために時間と共に異なる周波数にホッピングし得る。

【0080】

このようにして、或る範囲の温度、パッケージ応力、プロセス変数などにわたって安定して動作可能なホール効果センサデバイスが提供される。

【0081】

システム例
図１４は、本明細書で説明するようなホール効果センサ１４０４を含み得る、例示のシステムを示す。本例において、ホール効果センサ１４０４は、図５又は図１１に記載されるセンサに類似し得る。ホール効果センサ１４０４は、例えば、スタンドアロン型パッケージを形成するように封止され得る。この例は、電流１４０１を搬送する配線１４００を含むシステムを図示する。磁場が電流搬送場を囲む。ホール効果センサ１４０４が置かれる領域を介してターゲット磁束１４０３を導くように、磁束コア１４０２が配線の周辺に配置され得る。図５のデバイス５００及び図１１のデバイス１１００について上記で説明したように、或る範囲の温度及び他のパラメータにわたってホール効果センサ１４０４の感度が安定しているため、配線１４００を介して流れる電流１４０１が正確に判定され得る。

【0082】

配線１４０１及びホール効果センサ１４０４は、例えば、直流電流（ＤＣ）－ＤＣコンバータの一部とし得る。ＤＣ－ＤＣコンバータは、高電圧を或るレベルから別のレベルに変換するように設計され得る。効率良く動作するために、コンバータ内を流れる電流の正確な測定が求められる。

【0083】

他の実施形態
本明細書において説明する例では、十字形のデバイスが図示されている。他の実施形態において、八角形又はほぼ八角形、三角形又はほぼ三角形、四つ葉形又はほぼ四つ葉形、円形又はほぼ円形など、他の要素形状がパターン化され得る。同様に、コンタクトパッド及び対応する配線の数は、ジオメトリに応じて所与の適用例に合うように変更され得る。

【0084】

本明細書で説明される例は、中央のホール効果要素の周りに対称的に配置される４つ又はそれ以上のホール効果要素を含む。しかしながら、いくつかの他の例において、単一の補助ホール効果センサと対にされる単一の一次ホール効果センサなど、より少ない数のホール効果要素が用いられ得る。

【0085】

本説明において、「結合」という用語及びその派生語は、間接、直接、光学、及び／又はワイヤレスの電気接続を意味する。したがって、第１のデバイスが第２のデバイスに結合する場合、その接続は、直接的な電気接続を介するもの、他のデバイスおよび接続を介した間接的な電気接続を介するもの、光学電気接続を介するもの、及び／又はワイヤレス電気接続を介するものであり得る。

【0086】

特許請求の範囲内において、記載された実施形態における改変が可能であり、また他の実施形態が可能である。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12A】

【図12B】

【図12C】

【図12D】

【図13】

【図14】