JP2004257995A - 3次元磁気検出装置および半導体装置 - Google Patents
3次元磁気検出装置および半導体装置 Download PDFInfo
- Publication number
- JP2004257995A JP2004257995A JP2003051929A JP2003051929A JP2004257995A JP 2004257995 A JP2004257995 A JP 2004257995A JP 2003051929 A JP2003051929 A JP 2003051929A JP 2003051929 A JP2003051929 A JP 2003051929A JP 2004257995 A JP2004257995 A JP 2004257995A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- magnetic
- dimensional
- substrate
- magnetic detection
- detecting
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Withdrawn
Links
Images
Landscapes
- Hall/Mr Elements (AREA)
- Measuring Magnetic Variables (AREA)
Abstract
【課題】水平方向および垂直方向の磁場を検出するに際して、磁気収束板を用いることに起因して生じる検出感度のずれを解消すると共に、垂直方向の磁場検出に対するS/N比を向上させる。
【解決手段】X1〜X4は水平磁場におけるX方向の磁場強度を検出する磁気検出素子、Y1〜Y4はY方向の磁場強度を検出する磁気検出素子である。磁気検出素子Z1〜Z8も磁気収束板FCの端部領域に配置されている。垂直磁場成分に関しては、磁場は同方向から各磁気検出素子Xi,Yi,Ziに入射するため、全ての磁気検出素子からの出力を加算することにより、垂直磁場強度に対応した出力が得られる。ここで、(全ての磁気検出素子の合計数)≧{(前記基板に水平な面方向の磁場に対する前記磁気収束板の磁気増幅率)×(1対当たりの磁気検出素子数)}−1とする。
【選択図】 図1
【解決手段】X1〜X4は水平磁場におけるX方向の磁場強度を検出する磁気検出素子、Y1〜Y4はY方向の磁場強度を検出する磁気検出素子である。磁気検出素子Z1〜Z8も磁気収束板FCの端部領域に配置されている。垂直磁場成分に関しては、磁場は同方向から各磁気検出素子Xi,Yi,Ziに入射するため、全ての磁気検出素子からの出力を加算することにより、垂直磁場強度に対応した出力が得られる。ここで、(全ての磁気検出素子の合計数)≧{(前記基板に水平な面方向の磁場に対する前記磁気収束板の磁気増幅率)×(1対当たりの磁気検出素子数)}−1とする。
【選択図】 図1
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、3次元磁気検出装置、および、この3次元磁気検出装置を搭載した半導体装置に関するものである。
【0002】
さらに詳述すると本発明は、地磁気などを検出するのに好適な、磁気収束板および基板上に形成された複数の磁気検出素子を有する3次元磁気検出装置、ならびに、この3次元磁気検出装置を搭載した半導体装置に関するものである。
【0003】
【従来の技術】
従来から、磁気センサとしては、ホール効果を利用したホール素子、磁気抵抗素子ならびにこれらの素子とICを組み合わせたホールIC、フラックスゲートなどが知られている。
【0004】
また、このような磁気センサを応用して、3次元的に地磁気を検出する方法、並びにその信号処理方法が特許文献1(特開2002−196055号公報)に開示されている。この特許文献1は、「3軸磁気センサ、全方位磁気センサおよびそれらを用いた方位測定方法」を開示するものであって、基板を本体として形成され、基板と平行な平面に規定される磁気ベクトルの2軸成分を検出するフラックスゲート型磁気センサと、磁気ベクトルの基板とは垂直な方向の成分を検出するホール素子と、基板の傾斜角を検出する傾斜センサと、CPUとを含み、ハイブリッドICとして一体に構成されたハイブリッド磁気センサが記載されている。
【0005】
さらに、特許文献2(特開2002−71381号公報)には、磁場の方向を3次元で決定することができる磁場方向検出センサとして、平らな形状を有する1個の磁場コンセントレータと、少なくとも第1のホール効果素子および第2のホール効果素子、又は、少なくともホール効果素子の第1のグループおよび第2のグループとを備え、ホール効果素子が磁場コンセントレータの端部領域に配置されていることが記載されている。
【0006】
【特許文献1】
特開2002−196055号公報(第1頁、図3)
【0007】
【特許文献2】
特開2002−71381号公報(第1頁、図1)
【0008】
【発明が解決しようとする課題】
このように、特許文献1では、フラックスゲートセンサとホール素子を別々に基板上に配置したいわゆるハイブリッド構成によって3次元の磁場を検出する発明が開示されている。しかしながら、この特許文献1に開示されている発明では、センサと信号処理回路がハイブリッド構成によって配置されることから、実装面積が大きくなることは避けられない問題であった。特に近年に至り、3次元の地磁気センサを携帯端末に搭載し、携帯端末の方位に地図の方位を合わせて表示する位置情報システムが実用化されているが、携帯端末のように、実装面積が非常に限られているようなシステムでは、センサがより小型であることが必要とされている。
【0009】
また、特許文献2では、磁気収束板の端面に複数のホール素子を配置し、水平方向の磁場の角度を検出するとともに、さらにホール素子を配置して垂直方向の磁場を同時に検出する3次元の磁気センサが開示されている。この特許文献2によれば、水平方向の磁場に関しては、磁気収束板が磁束密度を増幅するため、磁場感度が向上してS/N比(信号/雑音)比も向上する。特に、地磁気のように非常に微小な磁場(30μT)を検出するには、このS/N比の向上は重要な要素となる。しかしながら、その厚みに対して、十分に長さが大きい場合、磁気収束板は垂直方向の磁場に対してはほとんど磁束密度を増幅する効果がないので、垂直方向の磁気検出感度は向上せず、S/N比は水平方向と比較して悪くなることは避けられない問題であった。すなわち、磁気検出感度が方向によって異なるため、必ずキャリブレーションが必要となるのに加え、垂直方向のS/N比が向上させることができないため測定の分解能が低下してしまうという問題が生じている。
【0010】
よって本発明の目的は、上述の点に鑑み、水平方向および垂直方向の磁場を検出するに際して、磁気収束板を用いることに起因して生じる検出感度のずれを解消すると共に、垂直方向の磁場検出に対するS/N比を向上させた3次元磁気検出装置および半導体装置を提供することにある。
【0011】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために、請求項1に係る本発明は、磁気収束板および基板上に形成された複数の磁気検出素子を有する3次元磁気検出装置であって、前記磁気収束板の端部領域に近接して少なくとも2対の磁気検出素子を配置し、それぞれの磁気検出素子対に含まれる磁気検出素子から順次もしくは同時に磁気検出信号を得るに際して、
全ての磁気検出素子の合計数≧{(前記基板に水平な面方向の磁場に対する前記磁気収束板の磁気増幅率)×(1対当たりの磁気検出素子数)}−1
なる条件を満たすよう構成したものである。
【0012】
請求項2に係る本発明は、請求項1に記載の3次元磁気検出装置において、(1対の磁気検出素子に含まれる磁気検出素子個数)×(前記基板に水平な面方向の磁場に対する前記磁気収束板の磁気増幅率)の値に最も近い整数個、もしくは該整数個以上の磁気検出素子を選択し、選択した磁気検出素子を用いて前記基板に垂直方向の磁場強度を検出する。
【0013】
請求項3に係る本発明は、請求項1に記載の3次元磁気検出装置において、前記少なくとも2対の磁気検出素子を用いることにより前記基板に水平なX方向成分およびY方向成分を検出し、且つ、前記少なくとも2対の磁気検出素子のほかに設けた磁気検出素子を設けることにより前記基板に垂直なZ方向成分を検出する。
【0014】
請求項4に係る本発明は、請求項1〜3のいずれかに記載の3次元磁気検出装置において、前記磁気検出素子は、シリコン基板上に形成されたホール素子である。
【0015】
請求項5に係る本発明は、請求項1〜3のいずれかに記載の3次元磁気検出装置において、前記磁気検出素子の全て、もしくは前記磁気検出素子の一部の素子を、化合物半導体により構成する。
【0016】
請求項6に係る本発明は、基板上に形成された複数の磁気検出素子を有する3次元磁気検出装置であって、前記基板に水平な2方向の成分を検出する少なくとも2対の磁気検出素子を第1の磁気収束板の端部領域に近接して配置し、且つ、前記少なくとも2対の磁気検出素子とは別個に、前記基板に対して垂直方向の磁場強度を検出する磁気検出素子を配置すると共に、該磁気検出素子の上方近傍に第2の磁気収束板を設けたものである。
【0017】
請求項7に係る本発明は、請求項6に記載の3次元磁気検出装置において、(前記第2の磁気収束板が有する長さ)/(前記第2の磁気収束板が有する厚み)により定義されるアスペクト比が3以下である。
【0018】
請求項8に係る本発明は、請求項6または7に記載の3次元磁気検出装置において、前記磁気検出素子は、シリコン基板上に形成されたホール素子である。
【0019】
請求項9に係る本発明は、請求項6または7に記載の3次元磁気検出装置において、前記磁気検出素子の全て、もしくは前記磁気検出素子の一部の素子を、化合物半導体により構成する。
【0020】
請求項10に係る本発明は、基板上に形成された複数の磁気検出素子を有する3次元磁気検出装置であって、前記基板に水平な2方向の成分を検出する少なくとも2対の磁気検出素子を磁気収束板の端部領域に近接して配置し、且つ、前記少なくとも2対の磁気検出素子とは別個に、前記基板に対して垂直方向の磁場強度を検出するための、化合物半導体で構成した磁気検出素子を配置する。
【0021】
請求項11に係る本発明は、請求項10に記載の3次元磁気検出装置において、前記基板に対して垂直方向の磁場強度を検出する磁気検出素子以外の磁気検出素子は、シリコン基板上に形成されたホール素子である。
【0022】
請求項12に係る本発明は、請求項1〜11のいずれかに記載の3次元磁気検出装置において、さらに加えて、前記磁気検出素子から順次もしくは同時に出力された磁気検出信号を入力し、予め定めた信号処理もしくはデータ処理を行う信号処理回路を備える。
【0023】
請求項13に係る本発明は、請求項12に記載の3次元磁気検出装置において、前記信号処理回路は、前記磁気検出素子が形成されている基板と同一の基板上に形成したものである。
【0024】
請求項14に係る本発明は、請求項1〜13のいずれかに記載の3次元磁気検出装置を、半導体基板上に形成した半導体装置である。
【0025】
請求項15に係る本発明は、請求項5に記載の3次元磁気検出装置を有する半導体装置において、前記化合物半導体を別個の基板上に形成したものである。
【0026】
請求項16に係る本発明は、請求項9に記載の3次元磁気検出装置を有する半導体装置において、前記化合物半導体を別個の基板上に形成したものである。
【0027】
請求項17に係る本発明は、請求項10に記載の3次元磁気検出装置を有する半導体装置において、前記化合物半導体を別個の基板上に形成したものである。
【0028】
請求項18に係る本発明は、請求項12に記載の3次元磁気検出装置を有する半導体装置において、前記信号処理回路を前記磁気検出素子とは別個の基板上に形成したものである。
【0029】
請求項19に係る本発明は、請求項1〜13のいずれかに記載の3次元磁気検出装置において、前記磁気検出素子を用いて地磁気を検出する。
【0030】
請求項20に係る本発明は、請求項14〜18のいずれかに記載の半導体装置において、前記磁気検出素子を用いて地磁気を検出する。
【0031】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しながら、各実施の形態を詳細に説明する。
【0032】
実施の形態1
図1は、本発明を適用した3次元磁気センサの一例を示す平面図である。図2は、図1に示した3次元磁気センサの断面構成図である。
【0033】
これら図1および図2に示すように、半導体基板(図示せず)上に形成された磁気検出素子(ホール素子)X1〜X4,Y1〜Y4,Z1〜Z8が、円形の磁気収束板FCの端部領域に配置されている。
【0034】
ここで、X1〜X4は水平磁場におけるX方向の磁場を検出する磁気検出素子(ホール素子)を、Y1〜Y4はY方向の磁場を検出する磁気検出素子(ホール素子)を示している。これら磁気検出素子X1〜X4,Y1〜Y4とは別に、磁気検出素子Z1〜Z8が同様に磁気収束板FCの端部領域に配置されている。このような構成の磁気センサでは、水平磁場の角度検出を行う際、図2に示すように、収束されて垂直に方向に変換された磁場の方向は互いに逆方向である。従って、磁気検出素子X1,X2の出力(=X1+X2)から磁気検出素子X3,X4の出力(=X3+X4)を減算すれば(すなわち、(X1+X2)−(X3+X4)を求めることにより)、水平磁場の進入角度に対応した出力が得られる。具体的には、磁場の進入角度の余弦(cos)に比例した信号が得られる。Y方向に対しても同様に、磁場の進入角度の正弦(sin)に比例した信号が得られる。
【0035】
一方、垂直磁場成分に関しては、磁場は同方向から各磁気検出素子に入射するため、全ての磁気検出素子出力を加算すれば、垂直磁場強度に対応した出力が得られる。これらの出力は、後段の演算増幅器等を用いて増幅し、角度情報に変換するなどの信号処理がなされる。
【0036】
このような磁気センサを用いて地磁気レベルの微小磁場を検出することが可能であることは実験的に確かめられており、その実測結果を図3に示す。
【0037】
図4は、図1に示した磁気検出素子(ホール素子)X1〜X4,Y1〜Y4,Z1〜Z8からの検出信号を処理するための回路図である。本図に示すように、各磁気検出素子からの検出信号はセンサ切換回路20に入力され、出力選択信号▲1▼,▲2▼,▲3▼に応答して、それぞれのセンサ出力X1〜X4,Y1〜Y4,Z1〜Z8が選択的に送出される。これらのセンサ出力を導入した演算回路30では、出力選択信号▲1▼,▲2▼,▲3▼に応じて、X方向成分を得るための演算、Y方向成分を得るための演算、Z方向成分を得るための演算を行う。
【0038】
すなわち、出力選択信号▲1▼に応じてX方向成分を得るためには、
{(X1+X2)−(X3+X4)}・Am
なる演算を行う。ここで、Amは磁気収束板FCの磁気増幅率である。
【0039】
同様に、出力選択信号▲2▼に応じてY方向成分を得るためには、
{(Y1+Y2)−(Y3+Y4)}・Am
なる演算を行う。
【0040】
また、出力選択信号▲3▼に応じてZ方向成分を得るためには、
(X1+X2+X3+X4)+(Y1+Y2+Y3+Y4)+(Z1+Z2+Z3+Z4+Z5+Z6+Z7+Z8)
なる演算を行う。
【0041】
その後、演算回路30から出力されたX方向成分信号,Y方向成分信号,Z方向成分信号は出力切換器40を介して外部に出力される。出力切換器40の後段には、例えばA/Dコンバータを介してマイクロプロセッサ,その他の制御回路などを接続することが可能である。
【0042】
再び図1に戻り、説明を行う。いま、磁気収束板FCの磁気増幅率Amが4であると仮定する。また、磁気検出素子(ホール素子)1個当たりの磁気感度をK、水平磁場強度をBhとすると、X方向の磁場から得られるセンサ出力は、4×(4K)×Bh×cos α=16BhKcos αとなる(α:磁場の進入角度)。同様に、Y方向の磁場からは、16BhKsin αなる出力が得られる。
【0043】
ここで、垂直な磁場成分を、磁気収束板FCの端部領域近傍に配置された合計16個の素子出力の重ね合わせでとると、垂直(=Z)方向のセンサ出力は、(16K)×Bv(Bv:垂直磁場強度)となる。従って、X,Y,Z方向の検出感度は共に16Kとなり、各X,Y,Z方向とも検出感度がそろうことになる。
【0044】
つぎに、S/N比についてみると、XおよびY方向には磁気収束板FCにより磁気増幅率が4であるため、S/N比は4倍に向上する。一方、Z方向には、このような磁気増幅効果はないが、信号検出に用いられた素子数はX,Y方向と比較して4倍多いため(すなわち、16個)、ノイズレベルは1/√4=1/2となり、S/Nは2倍向することになる。
【0045】
なお、上述した例では、磁気収束板FCの磁気増幅率が“4”という整数の場合を想定したが、例えば磁気収束板FCの増幅率が4.1など少数を含むとすると、X方向についての検出出力は16.4BhKcos α、Y方向についての検出出力は16.4BhKsin αとなる。
【0046】
ここで、Z方向の磁場強度を検出するための素子数として、
全ての磁気検出素子の合計数≧{(磁気検出素子が形成されている基板に水平な面方向の磁場に対する磁気収束板の磁気増幅率)×(1対当たりの磁気検出素子数)}−1
という不等式を満たす個数だけ素子を配置することを考える。いま、磁気収束板FCの増幅率が4.1であると仮定すると、各対に含まれる磁気検出素子の数は4個であるから、
配置すべき素子の合計数≧4.1×4−1=15.4
となり、最低16個の素子を配置することになる。磁気検出素子を、この例のように16個配置した場合、X,Y,Z方向の増幅率のファクタ(検出感度)は、16.4:16.4:16=1.025:1.025:1となり、ほぼそろうことが判る。また、S/N比についてみても、Z方向のS/Nは先の例と同様に、2倍向上する。
【0047】
このように、Z方向の磁場を検出する磁気検出素子数を、磁気収束板FCの磁気増幅率と相関させて選定することによって、X,Y,Z方向の検出感度をそろえつつ、S/N比を向上させることが可能である。
【0048】
なお、これまでは、円形の磁気収束板を用いた例を説明したが、磁気収束板の形状としては、図5(A)に示すように十字型でも同様な効果が得られる。ただし、この場合には磁気収束効果が得られる位置に磁気検出素子を配置する必要がある。このように、磁気収束板の形状に依存せずに、本実施の形態による3次元磁気センサを構成することが可能である。また、図5(B)に示すように、Z方向の磁場を検出する素子については、磁気収束板の端部領域に配置されている必要はなく、収束板の中側に配置されても同様の効果が得られる。
【0049】
さらに、
全ての磁気検出素子の合計数≧{(磁気検出素子が形成されている基板に水平な面方向の磁場に対する磁気収束板の磁気増幅率)×(1対当たりの磁気検出素子数)}−1
という不等式を満たしている限り、Z方向の磁場を検出する素子については、独立の磁気検出素子として別個に設ける必要がなく、Xおよび方向の磁場を検出する磁気検出素子を使用することが可能である。
【0050】
実施の形態2
図6は、他の実施の形態による3次元磁気センサを示す平面図である。この実施の形態では、円形の磁気収束板FC1の端部領域に、半導体基板上に形成された磁気検出素子(ホール素子)X1a,X1b,X2a,X2b,Y1a,Y1b,Y2a,Y2bが配置されている。ここで、磁気検出素子X1a,X1b,X2a,X2bは水平磁場におけるX方向の磁場を検出し、磁気検出素子Y1a,Y1b,Y2a,Y2bはY方向の磁場を検出する。本実施の形態では、これらの磁気検出素子とは別個に、Z方向の磁場を検出する磁気検出素子Z1〜Z4を設け、それら各素子の上方にローカルに第2の磁気収束板FC2を貼り付けてある。
【0051】
そして、第2の磁気収束板FC2のアスペクト比(=長さ/厚み)を適切に選択することによって、Z方向に磁気収束効果をもたせることが可能になる。
【0052】
図7は、図6に示した磁気検出素子(ホール素子)X1a,X1b,X2a,X2b,Y1a,Y1b,Y2a,Y2b,Z1〜Z4からの検出信号を処理するための回路図である。本図に示すように、各磁気検出素子からの検出信号はセンサ切換回路20’に入力され、出力選択信号▲1▼,▲2▼,▲3▼に応答して、3種類のセンサ出力X1a,X1b,X2a,X2b、センサ出力Y1a,Y1b,Y2a,Y2b、センサ出力Z1〜Z4が選択的に送出される。これらのセンサ出力を導入した演算回路30’では、出力選択信号▲1▼,▲2▼,▲3▼に応じて、X方向成分を得るための演算、Y方向成分を得るための演算、Z方向成分を得るための演算を行う。
【0053】
すなわち、出力選択信号▲1▼に応じてX方向成分を得るためには、
{(X1a+X1b)−(X2a+X2b)}・Am1
なる演算を行う。ここで、Am1は、磁気収束板FC1における水平方向の磁気増幅率である。
【0054】
同様に、出力選択信号▲2▼に応じてY方向成分を得るためには、
{(Y1a+Y1b)−(Y2a+Y2b)}・Am1
なる演算を行う。上記の通り、Am1は、磁気収束板FC1における水平方向の磁気増幅率である。
【0055】
また、出力選択信号▲3▼に応じてZ方向成分を得るためには、
(X1a+X1b+X2a+X2b)+(Y1a+Y1b+Y2a+Y2b)+{(Z1+Z2+Z3+Z4)}・Am2
なる演算を行う。ここで、Am2は、第2の磁気収束板FC2における垂直方向の磁気増幅率である。
【0056】
図8には、磁気シミュレーションによる解析結果を示している。本シミュレーションで想定した磁気収束板は、透磁率1400の軟磁性体であり、厚みは約23ミクロンである。解析方法は積分要素法である。このシミュレーション結果から、第2の磁気収束板FC2の長さ/厚みからなるアスペクト比が小さいほど、Z方向の磁気増幅率が大きくなることが示されている。本図から明らかなように、第2の磁気収束板FC2の長さ/厚みから成るアスペクト比としては、3以下が望ましい。
【0057】
このように、XおよびY方向と同様にZ方向にも磁気増幅効果を持たせることによって、Z方向のS/Nを向上させることが可能になり、3次元磁気センサにおける角度検出分解能の向上につながる。
【0058】
なお、第2の磁気収束板FC2の厚みを向上させるために、例えば磁気収束板をスタックに積み上げる方法をとることも可能である。
【0059】
実施の形態3
図9は、第3の実施の形態による3次元磁気センサを示す平面図である。この実施の形態では、半導体基板上に形成された磁気検出素子(ホール素子)X1,X2,Y1,Y2が、円形の磁気収束板FCの端部領域に配置されている。ここで、磁気検出素子X1,X2は水平磁場におけるX方向の磁場を検出し、磁気検出素子Y1,Y2はY方向の磁場を検出する。これらの磁気検出素子X1,X2,Y1,Y2とは別個に、Z方向の磁場を検出する磁気検出素子ZZ1〜ZZ4を配置し、それらの磁気検出素子を化合物半導体で形成する。
【0060】
【実施例】
図10(A)は、本発明を適用したハイブリッド磁気センサの一実施例を示す断面図である。本図に示すように、集積回路部分4が形成されている第1基板2の上方向に、化合物半導体素子8を形成した第2基板6が配置され、さらに、化合物半導体素子8および第2基板6上に接着層10,12を介して、磁気収束板14,16が形成されている。なお、化合物半導体素子8と集積回路部分4とは、所定の電極がワイヤーボンディング等で電気的に接続されている。
【0061】
図10(B)は、他の実施例によるハイブリッド磁気センサを示す断面図である。本図に示すように、化合物半導体素子8と接着層10を介して積層された磁気収束板14を形成した第2基板6が、集積回路部分4に対向するように配置され、かつ化合物半導体素子8の電極と集積回路部分4の電極が、導電性バンプ20を介して接続されている。
【0062】
集積回路部分4を形成させる第1基板2としては、Si基板,サファイヤ基板,GaAs基板等を用いるのが好ましい。
【0063】
(実施例1)
MBE法により、GaAs基板上にノンドープInSbを1μm薄膜成長した。InSb薄膜の膜特性は、電子移動度が40000cm2/Vsであった。次に、該InSb薄膜をフォトリソグラフィ法により、十字型を基本形状とするホール素子に加工し、センサ部を作成した。次に絶縁層を介して、センサ部上に所望の形状の磁気収束板を貼り付けた。次に、該基板をセンサ部毎にダイシングして、センサチップを作製した。
【0064】
一方、Si基板にCMOSプロセスにより集積回路を形成した。該集積回路上に保護膜を形成した後、電極部分の窓開けを行った。次に、保護膜上に上記センサチップをダイボンディングして、さらにセンサチップの電極と集積回路の電極をワイヤーボンディングにより接続した。
【0065】
上記センサチップを接続した集積回路基板を1つのパッケージにプラスチックモールドし、図10(A)に示したようなハイブリッド磁気センサを完成した。
【0066】
本実施例のハイブリッド磁気センサは、集積回路による信号増幅も含めて前記水平、垂直磁場両方に対して、2V/Gaussという非常に高い感度が得られた。また、S/N比はシリコンホール素子を用いて同様なセンサを試作した場合と比較して10倍向上し、方位角の測定分解能は6度から0.6度に向上した。
【0067】
(実施例2)
Si基板上に1nmのSiO2を化学処理により形成した後、該基板をMBEチャンバーに入れ、基板温度は室温で、Alを1nm成長させた。その後、基板温度を850℃まで昇温して、30分間アニールを行い、γ−Al2O3を約1nm形成させた。さらにその上に、ドープInSbを1μm薄膜成長した。InSb薄膜の膜特性は、電子移動度が35000cm2/Vsであった。次に、該InSb薄膜をフォトリソグラフィ法により、十字型を基本形状とするホール素子に加工し、センサ部を作成した。次に絶縁層を介して、センサ部上に所望の形状の磁気収束板を貼り付けた。次に、該基板をセンサ部毎にダイシングして、センサチップを作製した。
【0068】
一方、Si基板にCMOSプロセスにより集積回路を形成した。該集積回路上に保護膜を形成した後、電極部分の窓開けを行った。次に、窓開け部分に電導性のバンプを形成させ、その上に上記センサチップをフリップチップで接続し、プラスチックモールドを行い、10(B)に示したようなハイブリッド磁気センサを完成した。
【0069】
本実施例のハイブリッド磁気センサは、集積回路による信号増幅も含めて前記水平、垂直磁場両方に対して、2V/Gaussという非常に高い感度が得られた。また、S/N比はシリコンホール素子を用いて同様なセンサを試作した場合と比較して8倍向上し、方位角の測定分解能は6度から0.8度に向上した。
【0070】
本発明を適用した磁気収束板としては、軟磁性体が好ましく用いられる。磁気センサ素子としては、ホール素子,磁気抵抗素子が好適である。磁気センサを形成する基板としては、Si,サファイヤ,GaAs基板等が好ましい。センサ部は、CMOSシリコンプロセスを用いたSiホール素子、あるいは化合物半導体を用いることができる。センサ部を構成する化合物半導体素子の材料としては、きわめて高い電子移動度を有するInSb,InAs,GaAsなどが最も好ましく用いられる。また、Siより大きな電子移動度を有するGaSbやInPなども好ましく用いられる。また、それらの三元系混晶、例えば、InGaAs,InAsSb,InGaP,GaAsSb,InGaSb,InAsPなども好ましい。さらにInGaAsSb,InGaAsPなどの四元系混晶も好ましく用いられる。また、良好な温度特性が要求される場合には、バンドギャップエネルギーが大きなGaN,InN,InGaNなどもSiより高い電子飽和速度を有しており、好ましく用いられる。
【0071】
さらに、温度特性を改善するために、化合物半導体にドナー不純物をドーピングすることが好ましく行われる。ドナー不純物として、Si,Te,S,Se,Geなどが好ましく用いられる。
【0072】
また、より高い電子移動度を得るために、前記化合物半導体のヘテロ構造、例えば、AlGaAs/GaAs,AlGaAs/InGaAs,AlGaAsSb/InAs,AlGaAsSb/InGaAs,AlGaAsSb/InAsSb,AlGaAsSb/InGaAsSb,AlGaN/GaN,AlGaN/InGaNなどを用いることも好ましい。これらのヘテロ構造は、シングルへテロ構造あるいはダブルへテロ構造のどちらを用いても良い。また、これらのヘテロ構造が繰り返し積層された超格子構造が形成されていてもよい。
【0073】
【発明の効果】
以上説明した通り、本発明によれば、水平方向および垂直方向の磁場を検出するに際して、磁気収束板を用いることに起因して生じる検出感度のずれを解消すると共に、垂直方向の磁場検出に対するS/N比を向上させることができる。換言すると、本発明によれば、磁気収束板を用いることによる磁気検出感度の方向依存性を解消して、キャリブレーションを不要にすると同時に、垂直方向の磁場に対するS/N比を向上させ、より高精度かつ小型安価な3次元磁気センサを実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】第1の実施の形態による3次元磁気センサを示す平面図である。
【図2】図1に示した3次元磁気センサの断面構成図である。
【図3】本実施の形態による磁気センサを用いたシミュレーション結果を示す図である。
【図4】図1に示した磁気検出素子X1〜X4,Y1〜Y4,Z1〜Z8からの検出信号を処理するための回路図である。
【図5】異なった形状の磁気収束板および異なった位置に配置した磁気検出素子を例示した図である。
【図6】第2の実施の形態による3次元磁気センサを示す平面図である。
【図7】図6に示した磁気検出素子X1a,X1b,X2a,X2b,Y1a,Y1b,Y2a,Y2b,Z1〜Z4からの検出信号を処理するための回路図である。
【図8】磁気シミュレーションによる解析結果を示す図である。
【図9】第3の実施の形態による3次元磁気センサを示す平面図である。
【図10】図10は、本発明を適用したハイブリッド磁気センサの一実施例を示す断面図である。
【符号の説明】
X,Y,Z 磁気検出素子(ホール素子)
FC 磁気収束板
【発明の属する技術分野】
本発明は、3次元磁気検出装置、および、この3次元磁気検出装置を搭載した半導体装置に関するものである。
【0002】
さらに詳述すると本発明は、地磁気などを検出するのに好適な、磁気収束板および基板上に形成された複数の磁気検出素子を有する3次元磁気検出装置、ならびに、この3次元磁気検出装置を搭載した半導体装置に関するものである。
【0003】
【従来の技術】
従来から、磁気センサとしては、ホール効果を利用したホール素子、磁気抵抗素子ならびにこれらの素子とICを組み合わせたホールIC、フラックスゲートなどが知られている。
【0004】
また、このような磁気センサを応用して、3次元的に地磁気を検出する方法、並びにその信号処理方法が特許文献1(特開2002−196055号公報)に開示されている。この特許文献1は、「3軸磁気センサ、全方位磁気センサおよびそれらを用いた方位測定方法」を開示するものであって、基板を本体として形成され、基板と平行な平面に規定される磁気ベクトルの2軸成分を検出するフラックスゲート型磁気センサと、磁気ベクトルの基板とは垂直な方向の成分を検出するホール素子と、基板の傾斜角を検出する傾斜センサと、CPUとを含み、ハイブリッドICとして一体に構成されたハイブリッド磁気センサが記載されている。
【0005】
さらに、特許文献2(特開2002−71381号公報)には、磁場の方向を3次元で決定することができる磁場方向検出センサとして、平らな形状を有する1個の磁場コンセントレータと、少なくとも第1のホール効果素子および第2のホール効果素子、又は、少なくともホール効果素子の第1のグループおよび第2のグループとを備え、ホール効果素子が磁場コンセントレータの端部領域に配置されていることが記載されている。
【0006】
【特許文献1】
特開2002−196055号公報(第1頁、図3)
【0007】
【特許文献2】
特開2002−71381号公報(第1頁、図1)
【0008】
【発明が解決しようとする課題】
このように、特許文献1では、フラックスゲートセンサとホール素子を別々に基板上に配置したいわゆるハイブリッド構成によって3次元の磁場を検出する発明が開示されている。しかしながら、この特許文献1に開示されている発明では、センサと信号処理回路がハイブリッド構成によって配置されることから、実装面積が大きくなることは避けられない問題であった。特に近年に至り、3次元の地磁気センサを携帯端末に搭載し、携帯端末の方位に地図の方位を合わせて表示する位置情報システムが実用化されているが、携帯端末のように、実装面積が非常に限られているようなシステムでは、センサがより小型であることが必要とされている。
【0009】
また、特許文献2では、磁気収束板の端面に複数のホール素子を配置し、水平方向の磁場の角度を検出するとともに、さらにホール素子を配置して垂直方向の磁場を同時に検出する3次元の磁気センサが開示されている。この特許文献2によれば、水平方向の磁場に関しては、磁気収束板が磁束密度を増幅するため、磁場感度が向上してS/N比(信号/雑音)比も向上する。特に、地磁気のように非常に微小な磁場(30μT)を検出するには、このS/N比の向上は重要な要素となる。しかしながら、その厚みに対して、十分に長さが大きい場合、磁気収束板は垂直方向の磁場に対してはほとんど磁束密度を増幅する効果がないので、垂直方向の磁気検出感度は向上せず、S/N比は水平方向と比較して悪くなることは避けられない問題であった。すなわち、磁気検出感度が方向によって異なるため、必ずキャリブレーションが必要となるのに加え、垂直方向のS/N比が向上させることができないため測定の分解能が低下してしまうという問題が生じている。
【0010】
よって本発明の目的は、上述の点に鑑み、水平方向および垂直方向の磁場を検出するに際して、磁気収束板を用いることに起因して生じる検出感度のずれを解消すると共に、垂直方向の磁場検出に対するS/N比を向上させた3次元磁気検出装置および半導体装置を提供することにある。
【0011】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために、請求項1に係る本発明は、磁気収束板および基板上に形成された複数の磁気検出素子を有する3次元磁気検出装置であって、前記磁気収束板の端部領域に近接して少なくとも2対の磁気検出素子を配置し、それぞれの磁気検出素子対に含まれる磁気検出素子から順次もしくは同時に磁気検出信号を得るに際して、
全ての磁気検出素子の合計数≧{(前記基板に水平な面方向の磁場に対する前記磁気収束板の磁気増幅率)×(1対当たりの磁気検出素子数)}−1
なる条件を満たすよう構成したものである。
【0012】
請求項2に係る本発明は、請求項1に記載の3次元磁気検出装置において、(1対の磁気検出素子に含まれる磁気検出素子個数)×(前記基板に水平な面方向の磁場に対する前記磁気収束板の磁気増幅率)の値に最も近い整数個、もしくは該整数個以上の磁気検出素子を選択し、選択した磁気検出素子を用いて前記基板に垂直方向の磁場強度を検出する。
【0013】
請求項3に係る本発明は、請求項1に記載の3次元磁気検出装置において、前記少なくとも2対の磁気検出素子を用いることにより前記基板に水平なX方向成分およびY方向成分を検出し、且つ、前記少なくとも2対の磁気検出素子のほかに設けた磁気検出素子を設けることにより前記基板に垂直なZ方向成分を検出する。
【0014】
請求項4に係る本発明は、請求項1〜3のいずれかに記載の3次元磁気検出装置において、前記磁気検出素子は、シリコン基板上に形成されたホール素子である。
【0015】
請求項5に係る本発明は、請求項1〜3のいずれかに記載の3次元磁気検出装置において、前記磁気検出素子の全て、もしくは前記磁気検出素子の一部の素子を、化合物半導体により構成する。
【0016】
請求項6に係る本発明は、基板上に形成された複数の磁気検出素子を有する3次元磁気検出装置であって、前記基板に水平な2方向の成分を検出する少なくとも2対の磁気検出素子を第1の磁気収束板の端部領域に近接して配置し、且つ、前記少なくとも2対の磁気検出素子とは別個に、前記基板に対して垂直方向の磁場強度を検出する磁気検出素子を配置すると共に、該磁気検出素子の上方近傍に第2の磁気収束板を設けたものである。
【0017】
請求項7に係る本発明は、請求項6に記載の3次元磁気検出装置において、(前記第2の磁気収束板が有する長さ)/(前記第2の磁気収束板が有する厚み)により定義されるアスペクト比が3以下である。
【0018】
請求項8に係る本発明は、請求項6または7に記載の3次元磁気検出装置において、前記磁気検出素子は、シリコン基板上に形成されたホール素子である。
【0019】
請求項9に係る本発明は、請求項6または7に記載の3次元磁気検出装置において、前記磁気検出素子の全て、もしくは前記磁気検出素子の一部の素子を、化合物半導体により構成する。
【0020】
請求項10に係る本発明は、基板上に形成された複数の磁気検出素子を有する3次元磁気検出装置であって、前記基板に水平な2方向の成分を検出する少なくとも2対の磁気検出素子を磁気収束板の端部領域に近接して配置し、且つ、前記少なくとも2対の磁気検出素子とは別個に、前記基板に対して垂直方向の磁場強度を検出するための、化合物半導体で構成した磁気検出素子を配置する。
【0021】
請求項11に係る本発明は、請求項10に記載の3次元磁気検出装置において、前記基板に対して垂直方向の磁場強度を検出する磁気検出素子以外の磁気検出素子は、シリコン基板上に形成されたホール素子である。
【0022】
請求項12に係る本発明は、請求項1〜11のいずれかに記載の3次元磁気検出装置において、さらに加えて、前記磁気検出素子から順次もしくは同時に出力された磁気検出信号を入力し、予め定めた信号処理もしくはデータ処理を行う信号処理回路を備える。
【0023】
請求項13に係る本発明は、請求項12に記載の3次元磁気検出装置において、前記信号処理回路は、前記磁気検出素子が形成されている基板と同一の基板上に形成したものである。
【0024】
請求項14に係る本発明は、請求項1〜13のいずれかに記載の3次元磁気検出装置を、半導体基板上に形成した半導体装置である。
【0025】
請求項15に係る本発明は、請求項5に記載の3次元磁気検出装置を有する半導体装置において、前記化合物半導体を別個の基板上に形成したものである。
【0026】
請求項16に係る本発明は、請求項9に記載の3次元磁気検出装置を有する半導体装置において、前記化合物半導体を別個の基板上に形成したものである。
【0027】
請求項17に係る本発明は、請求項10に記載の3次元磁気検出装置を有する半導体装置において、前記化合物半導体を別個の基板上に形成したものである。
【0028】
請求項18に係る本発明は、請求項12に記載の3次元磁気検出装置を有する半導体装置において、前記信号処理回路を前記磁気検出素子とは別個の基板上に形成したものである。
【0029】
請求項19に係る本発明は、請求項1〜13のいずれかに記載の3次元磁気検出装置において、前記磁気検出素子を用いて地磁気を検出する。
【0030】
請求項20に係る本発明は、請求項14〜18のいずれかに記載の半導体装置において、前記磁気検出素子を用いて地磁気を検出する。
【0031】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しながら、各実施の形態を詳細に説明する。
【0032】
実施の形態1
図1は、本発明を適用した3次元磁気センサの一例を示す平面図である。図2は、図1に示した3次元磁気センサの断面構成図である。
【0033】
これら図1および図2に示すように、半導体基板(図示せず)上に形成された磁気検出素子(ホール素子)X1〜X4,Y1〜Y4,Z1〜Z8が、円形の磁気収束板FCの端部領域に配置されている。
【0034】
ここで、X1〜X4は水平磁場におけるX方向の磁場を検出する磁気検出素子(ホール素子)を、Y1〜Y4はY方向の磁場を検出する磁気検出素子(ホール素子)を示している。これら磁気検出素子X1〜X4,Y1〜Y4とは別に、磁気検出素子Z1〜Z8が同様に磁気収束板FCの端部領域に配置されている。このような構成の磁気センサでは、水平磁場の角度検出を行う際、図2に示すように、収束されて垂直に方向に変換された磁場の方向は互いに逆方向である。従って、磁気検出素子X1,X2の出力(=X1+X2)から磁気検出素子X3,X4の出力(=X3+X4)を減算すれば(すなわち、(X1+X2)−(X3+X4)を求めることにより)、水平磁場の進入角度に対応した出力が得られる。具体的には、磁場の進入角度の余弦(cos)に比例した信号が得られる。Y方向に対しても同様に、磁場の進入角度の正弦(sin)に比例した信号が得られる。
【0035】
一方、垂直磁場成分に関しては、磁場は同方向から各磁気検出素子に入射するため、全ての磁気検出素子出力を加算すれば、垂直磁場強度に対応した出力が得られる。これらの出力は、後段の演算増幅器等を用いて増幅し、角度情報に変換するなどの信号処理がなされる。
【0036】
このような磁気センサを用いて地磁気レベルの微小磁場を検出することが可能であることは実験的に確かめられており、その実測結果を図3に示す。
【0037】
図4は、図1に示した磁気検出素子(ホール素子)X1〜X4,Y1〜Y4,Z1〜Z8からの検出信号を処理するための回路図である。本図に示すように、各磁気検出素子からの検出信号はセンサ切換回路20に入力され、出力選択信号▲1▼,▲2▼,▲3▼に応答して、それぞれのセンサ出力X1〜X4,Y1〜Y4,Z1〜Z8が選択的に送出される。これらのセンサ出力を導入した演算回路30では、出力選択信号▲1▼,▲2▼,▲3▼に応じて、X方向成分を得るための演算、Y方向成分を得るための演算、Z方向成分を得るための演算を行う。
【0038】
すなわち、出力選択信号▲1▼に応じてX方向成分を得るためには、
{(X1+X2)−(X3+X4)}・Am
なる演算を行う。ここで、Amは磁気収束板FCの磁気増幅率である。
【0039】
同様に、出力選択信号▲2▼に応じてY方向成分を得るためには、
{(Y1+Y2)−(Y3+Y4)}・Am
なる演算を行う。
【0040】
また、出力選択信号▲3▼に応じてZ方向成分を得るためには、
(X1+X2+X3+X4)+(Y1+Y2+Y3+Y4)+(Z1+Z2+Z3+Z4+Z5+Z6+Z7+Z8)
なる演算を行う。
【0041】
その後、演算回路30から出力されたX方向成分信号,Y方向成分信号,Z方向成分信号は出力切換器40を介して外部に出力される。出力切換器40の後段には、例えばA/Dコンバータを介してマイクロプロセッサ,その他の制御回路などを接続することが可能である。
【0042】
再び図1に戻り、説明を行う。いま、磁気収束板FCの磁気増幅率Amが4であると仮定する。また、磁気検出素子(ホール素子)1個当たりの磁気感度をK、水平磁場強度をBhとすると、X方向の磁場から得られるセンサ出力は、4×(4K)×Bh×cos α=16BhKcos αとなる(α:磁場の進入角度)。同様に、Y方向の磁場からは、16BhKsin αなる出力が得られる。
【0043】
ここで、垂直な磁場成分を、磁気収束板FCの端部領域近傍に配置された合計16個の素子出力の重ね合わせでとると、垂直(=Z)方向のセンサ出力は、(16K)×Bv(Bv:垂直磁場強度)となる。従って、X,Y,Z方向の検出感度は共に16Kとなり、各X,Y,Z方向とも検出感度がそろうことになる。
【0044】
つぎに、S/N比についてみると、XおよびY方向には磁気収束板FCにより磁気増幅率が4であるため、S/N比は4倍に向上する。一方、Z方向には、このような磁気増幅効果はないが、信号検出に用いられた素子数はX,Y方向と比較して4倍多いため(すなわち、16個)、ノイズレベルは1/√4=1/2となり、S/Nは2倍向することになる。
【0045】
なお、上述した例では、磁気収束板FCの磁気増幅率が“4”という整数の場合を想定したが、例えば磁気収束板FCの増幅率が4.1など少数を含むとすると、X方向についての検出出力は16.4BhKcos α、Y方向についての検出出力は16.4BhKsin αとなる。
【0046】
ここで、Z方向の磁場強度を検出するための素子数として、
全ての磁気検出素子の合計数≧{(磁気検出素子が形成されている基板に水平な面方向の磁場に対する磁気収束板の磁気増幅率)×(1対当たりの磁気検出素子数)}−1
という不等式を満たす個数だけ素子を配置することを考える。いま、磁気収束板FCの増幅率が4.1であると仮定すると、各対に含まれる磁気検出素子の数は4個であるから、
配置すべき素子の合計数≧4.1×4−1=15.4
となり、最低16個の素子を配置することになる。磁気検出素子を、この例のように16個配置した場合、X,Y,Z方向の増幅率のファクタ(検出感度)は、16.4:16.4:16=1.025:1.025:1となり、ほぼそろうことが判る。また、S/N比についてみても、Z方向のS/Nは先の例と同様に、2倍向上する。
【0047】
このように、Z方向の磁場を検出する磁気検出素子数を、磁気収束板FCの磁気増幅率と相関させて選定することによって、X,Y,Z方向の検出感度をそろえつつ、S/N比を向上させることが可能である。
【0048】
なお、これまでは、円形の磁気収束板を用いた例を説明したが、磁気収束板の形状としては、図5(A)に示すように十字型でも同様な効果が得られる。ただし、この場合には磁気収束効果が得られる位置に磁気検出素子を配置する必要がある。このように、磁気収束板の形状に依存せずに、本実施の形態による3次元磁気センサを構成することが可能である。また、図5(B)に示すように、Z方向の磁場を検出する素子については、磁気収束板の端部領域に配置されている必要はなく、収束板の中側に配置されても同様の効果が得られる。
【0049】
さらに、
全ての磁気検出素子の合計数≧{(磁気検出素子が形成されている基板に水平な面方向の磁場に対する磁気収束板の磁気増幅率)×(1対当たりの磁気検出素子数)}−1
という不等式を満たしている限り、Z方向の磁場を検出する素子については、独立の磁気検出素子として別個に設ける必要がなく、Xおよび方向の磁場を検出する磁気検出素子を使用することが可能である。
【0050】
実施の形態2
図6は、他の実施の形態による3次元磁気センサを示す平面図である。この実施の形態では、円形の磁気収束板FC1の端部領域に、半導体基板上に形成された磁気検出素子(ホール素子)X1a,X1b,X2a,X2b,Y1a,Y1b,Y2a,Y2bが配置されている。ここで、磁気検出素子X1a,X1b,X2a,X2bは水平磁場におけるX方向の磁場を検出し、磁気検出素子Y1a,Y1b,Y2a,Y2bはY方向の磁場を検出する。本実施の形態では、これらの磁気検出素子とは別個に、Z方向の磁場を検出する磁気検出素子Z1〜Z4を設け、それら各素子の上方にローカルに第2の磁気収束板FC2を貼り付けてある。
【0051】
そして、第2の磁気収束板FC2のアスペクト比(=長さ/厚み)を適切に選択することによって、Z方向に磁気収束効果をもたせることが可能になる。
【0052】
図7は、図6に示した磁気検出素子(ホール素子)X1a,X1b,X2a,X2b,Y1a,Y1b,Y2a,Y2b,Z1〜Z4からの検出信号を処理するための回路図である。本図に示すように、各磁気検出素子からの検出信号はセンサ切換回路20’に入力され、出力選択信号▲1▼,▲2▼,▲3▼に応答して、3種類のセンサ出力X1a,X1b,X2a,X2b、センサ出力Y1a,Y1b,Y2a,Y2b、センサ出力Z1〜Z4が選択的に送出される。これらのセンサ出力を導入した演算回路30’では、出力選択信号▲1▼,▲2▼,▲3▼に応じて、X方向成分を得るための演算、Y方向成分を得るための演算、Z方向成分を得るための演算を行う。
【0053】
すなわち、出力選択信号▲1▼に応じてX方向成分を得るためには、
{(X1a+X1b)−(X2a+X2b)}・Am1
なる演算を行う。ここで、Am1は、磁気収束板FC1における水平方向の磁気増幅率である。
【0054】
同様に、出力選択信号▲2▼に応じてY方向成分を得るためには、
{(Y1a+Y1b)−(Y2a+Y2b)}・Am1
なる演算を行う。上記の通り、Am1は、磁気収束板FC1における水平方向の磁気増幅率である。
【0055】
また、出力選択信号▲3▼に応じてZ方向成分を得るためには、
(X1a+X1b+X2a+X2b)+(Y1a+Y1b+Y2a+Y2b)+{(Z1+Z2+Z3+Z4)}・Am2
なる演算を行う。ここで、Am2は、第2の磁気収束板FC2における垂直方向の磁気増幅率である。
【0056】
図8には、磁気シミュレーションによる解析結果を示している。本シミュレーションで想定した磁気収束板は、透磁率1400の軟磁性体であり、厚みは約23ミクロンである。解析方法は積分要素法である。このシミュレーション結果から、第2の磁気収束板FC2の長さ/厚みからなるアスペクト比が小さいほど、Z方向の磁気増幅率が大きくなることが示されている。本図から明らかなように、第2の磁気収束板FC2の長さ/厚みから成るアスペクト比としては、3以下が望ましい。
【0057】
このように、XおよびY方向と同様にZ方向にも磁気増幅効果を持たせることによって、Z方向のS/Nを向上させることが可能になり、3次元磁気センサにおける角度検出分解能の向上につながる。
【0058】
なお、第2の磁気収束板FC2の厚みを向上させるために、例えば磁気収束板をスタックに積み上げる方法をとることも可能である。
【0059】
実施の形態3
図9は、第3の実施の形態による3次元磁気センサを示す平面図である。この実施の形態では、半導体基板上に形成された磁気検出素子(ホール素子)X1,X2,Y1,Y2が、円形の磁気収束板FCの端部領域に配置されている。ここで、磁気検出素子X1,X2は水平磁場におけるX方向の磁場を検出し、磁気検出素子Y1,Y2はY方向の磁場を検出する。これらの磁気検出素子X1,X2,Y1,Y2とは別個に、Z方向の磁場を検出する磁気検出素子ZZ1〜ZZ4を配置し、それらの磁気検出素子を化合物半導体で形成する。
【0060】
【実施例】
図10(A)は、本発明を適用したハイブリッド磁気センサの一実施例を示す断面図である。本図に示すように、集積回路部分4が形成されている第1基板2の上方向に、化合物半導体素子8を形成した第2基板6が配置され、さらに、化合物半導体素子8および第2基板6上に接着層10,12を介して、磁気収束板14,16が形成されている。なお、化合物半導体素子8と集積回路部分4とは、所定の電極がワイヤーボンディング等で電気的に接続されている。
【0061】
図10(B)は、他の実施例によるハイブリッド磁気センサを示す断面図である。本図に示すように、化合物半導体素子8と接着層10を介して積層された磁気収束板14を形成した第2基板6が、集積回路部分4に対向するように配置され、かつ化合物半導体素子8の電極と集積回路部分4の電極が、導電性バンプ20を介して接続されている。
【0062】
集積回路部分4を形成させる第1基板2としては、Si基板,サファイヤ基板,GaAs基板等を用いるのが好ましい。
【0063】
(実施例1)
MBE法により、GaAs基板上にノンドープInSbを1μm薄膜成長した。InSb薄膜の膜特性は、電子移動度が40000cm2/Vsであった。次に、該InSb薄膜をフォトリソグラフィ法により、十字型を基本形状とするホール素子に加工し、センサ部を作成した。次に絶縁層を介して、センサ部上に所望の形状の磁気収束板を貼り付けた。次に、該基板をセンサ部毎にダイシングして、センサチップを作製した。
【0064】
一方、Si基板にCMOSプロセスにより集積回路を形成した。該集積回路上に保護膜を形成した後、電極部分の窓開けを行った。次に、保護膜上に上記センサチップをダイボンディングして、さらにセンサチップの電極と集積回路の電極をワイヤーボンディングにより接続した。
【0065】
上記センサチップを接続した集積回路基板を1つのパッケージにプラスチックモールドし、図10(A)に示したようなハイブリッド磁気センサを完成した。
【0066】
本実施例のハイブリッド磁気センサは、集積回路による信号増幅も含めて前記水平、垂直磁場両方に対して、2V/Gaussという非常に高い感度が得られた。また、S/N比はシリコンホール素子を用いて同様なセンサを試作した場合と比較して10倍向上し、方位角の測定分解能は6度から0.6度に向上した。
【0067】
(実施例2)
Si基板上に1nmのSiO2を化学処理により形成した後、該基板をMBEチャンバーに入れ、基板温度は室温で、Alを1nm成長させた。その後、基板温度を850℃まで昇温して、30分間アニールを行い、γ−Al2O3を約1nm形成させた。さらにその上に、ドープInSbを1μm薄膜成長した。InSb薄膜の膜特性は、電子移動度が35000cm2/Vsであった。次に、該InSb薄膜をフォトリソグラフィ法により、十字型を基本形状とするホール素子に加工し、センサ部を作成した。次に絶縁層を介して、センサ部上に所望の形状の磁気収束板を貼り付けた。次に、該基板をセンサ部毎にダイシングして、センサチップを作製した。
【0068】
一方、Si基板にCMOSプロセスにより集積回路を形成した。該集積回路上に保護膜を形成した後、電極部分の窓開けを行った。次に、窓開け部分に電導性のバンプを形成させ、その上に上記センサチップをフリップチップで接続し、プラスチックモールドを行い、10(B)に示したようなハイブリッド磁気センサを完成した。
【0069】
本実施例のハイブリッド磁気センサは、集積回路による信号増幅も含めて前記水平、垂直磁場両方に対して、2V/Gaussという非常に高い感度が得られた。また、S/N比はシリコンホール素子を用いて同様なセンサを試作した場合と比較して8倍向上し、方位角の測定分解能は6度から0.8度に向上した。
【0070】
本発明を適用した磁気収束板としては、軟磁性体が好ましく用いられる。磁気センサ素子としては、ホール素子,磁気抵抗素子が好適である。磁気センサを形成する基板としては、Si,サファイヤ,GaAs基板等が好ましい。センサ部は、CMOSシリコンプロセスを用いたSiホール素子、あるいは化合物半導体を用いることができる。センサ部を構成する化合物半導体素子の材料としては、きわめて高い電子移動度を有するInSb,InAs,GaAsなどが最も好ましく用いられる。また、Siより大きな電子移動度を有するGaSbやInPなども好ましく用いられる。また、それらの三元系混晶、例えば、InGaAs,InAsSb,InGaP,GaAsSb,InGaSb,InAsPなども好ましい。さらにInGaAsSb,InGaAsPなどの四元系混晶も好ましく用いられる。また、良好な温度特性が要求される場合には、バンドギャップエネルギーが大きなGaN,InN,InGaNなどもSiより高い電子飽和速度を有しており、好ましく用いられる。
【0071】
さらに、温度特性を改善するために、化合物半導体にドナー不純物をドーピングすることが好ましく行われる。ドナー不純物として、Si,Te,S,Se,Geなどが好ましく用いられる。
【0072】
また、より高い電子移動度を得るために、前記化合物半導体のヘテロ構造、例えば、AlGaAs/GaAs,AlGaAs/InGaAs,AlGaAsSb/InAs,AlGaAsSb/InGaAs,AlGaAsSb/InAsSb,AlGaAsSb/InGaAsSb,AlGaN/GaN,AlGaN/InGaNなどを用いることも好ましい。これらのヘテロ構造は、シングルへテロ構造あるいはダブルへテロ構造のどちらを用いても良い。また、これらのヘテロ構造が繰り返し積層された超格子構造が形成されていてもよい。
【0073】
【発明の効果】
以上説明した通り、本発明によれば、水平方向および垂直方向の磁場を検出するに際して、磁気収束板を用いることに起因して生じる検出感度のずれを解消すると共に、垂直方向の磁場検出に対するS/N比を向上させることができる。換言すると、本発明によれば、磁気収束板を用いることによる磁気検出感度の方向依存性を解消して、キャリブレーションを不要にすると同時に、垂直方向の磁場に対するS/N比を向上させ、より高精度かつ小型安価な3次元磁気センサを実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】第1の実施の形態による3次元磁気センサを示す平面図である。
【図2】図1に示した3次元磁気センサの断面構成図である。
【図3】本実施の形態による磁気センサを用いたシミュレーション結果を示す図である。
【図4】図1に示した磁気検出素子X1〜X4,Y1〜Y4,Z1〜Z8からの検出信号を処理するための回路図である。
【図5】異なった形状の磁気収束板および異なった位置に配置した磁気検出素子を例示した図である。
【図6】第2の実施の形態による3次元磁気センサを示す平面図である。
【図7】図6に示した磁気検出素子X1a,X1b,X2a,X2b,Y1a,Y1b,Y2a,Y2b,Z1〜Z4からの検出信号を処理するための回路図である。
【図8】磁気シミュレーションによる解析結果を示す図である。
【図9】第3の実施の形態による3次元磁気センサを示す平面図である。
【図10】図10は、本発明を適用したハイブリッド磁気センサの一実施例を示す断面図である。
【符号の説明】
X,Y,Z 磁気検出素子(ホール素子)
FC 磁気収束板
Claims (20)
- 磁気収束板および基板上に形成された複数の磁気検出素子を有する3次元磁気検出装置であって、
前記磁気収束板の端部領域に近接して少なくとも2対の磁気検出素子を配置し、それぞれの磁気検出素子対に含まれる磁気検出素子から順次もしくは同時に磁気検出信号を得るに際して、
全ての磁気検出素子の合計数≧{(前記基板に水平な面方向の磁場に対する前記磁気収束板の磁気増幅率)×(1対当たりの磁気検出素子数)}−1
なる条件を満たすことを特徴とする3次元磁気検出装置。 - 請求項1に記載の3次元磁気検出装置において、
(1対の磁気検出素子に含まれる磁気検出素子個数)×(前記基板に水平な面方向の磁場に対する前記磁気収束板の磁気増幅率)の値に最も近い整数個、もしくは該整数個以上の磁気検出素子を選択し、選択した磁気検出素子を用いて前記基板に垂直方向の磁場強度を検出することを特徴とする3次元磁気検出装置。 - 請求項1に記載の3次元磁気検出装置において、
前記少なくとも2対の磁気検出素子を用いることにより前記基板に水平なX方向成分およびY方向成分を検出し、且つ、前記少なくとも2対の磁気検出素子のほかに設けた磁気検出素子を設けることにより前記基板に垂直なZ方向成分を検出することを特徴とする3次元磁気検出装置。 - 請求項1〜3のいずれかに記載の3次元磁気検出装置において、
前記磁気検出素子は、シリコン基板上に形成されたホール素子であることを特徴とする3次元磁気検出装置。 - 請求項1〜3のいずれかに記載の3次元磁気検出装置において、
前記磁気検出素子の全て、もしくは前記磁気検出素子の一部の素子を、化合物半導体により構成することを特徴とする3次元磁気検出装置。 - 基板上に形成された複数の磁気検出素子を有する3次元磁気検出装置であって、
前記基板に水平な2方向の成分を検出する少なくとも2対の磁気検出素子を第1の磁気収束板の端部領域に近接して配置し、且つ、
前記少なくとも2対の磁気検出素子とは別個に、前記基板に対して垂直方向の磁場強度を検出する磁気検出素子を配置すると共に、該磁気検出素子の上方近傍に第2の磁気収束板を設けたことを特徴とする3次元磁気検出装置。 - 請求項6に記載の3次元磁気検出装置において、
(前記第2の磁気収束板が有する長さ)/(前記第2の磁気収束板が有する厚み)により定義されるアスペクト比が3以下であることを特徴とする3次元磁気検出装置。 - 請求項6または7に記載の3次元磁気検出装置において、
前記磁気検出素子は、シリコン基板上に形成されたホール素子であることを特徴とする3次元磁気検出装置。 - 請求項6または7に記載の3次元磁気検出装置において、
前記磁気検出素子の全て、もしくは前記磁気検出素子の一部の素子を、化合物半導体により構成することを特徴とする3次元磁気検出装置。 - 基板上に形成された複数の磁気検出素子を有する3次元磁気検出装置であって、
前記基板に水平な2方向の成分を検出する少なくとも2対の磁気検出素子を磁気収束板の端部領域に近接して配置し、且つ、
前記少なくとも2対の磁気検出素子とは別個に、前記基板に対して垂直方向の磁場強度を検出するための、化合物半導体で構成した磁気検出素子を配置することを特徴とする3次元磁気検出装置。 - 請求項10に記載の3次元磁気検出装置において、
前記基板に対して垂直方向の磁場強度を検出する磁気検出素子以外の磁気検出素子は、シリコン基板上に形成されたホール素子であることを特徴とする3次元磁気検出装置。 - 請求項1〜11のいずれかに記載の3次元磁気検出装置において、さらに加えて、
前記磁気検出素子から順次もしくは同時に出力された磁気検出信号を入力し、予め定めた信号処理もしくはデータ処理を行う信号処理回路を備えたことを特徴とする3次元磁気検出装置。 - 請求項12に記載の3次元磁気検出装置において、
前記信号処理回路を、前記磁気検出素子が形成されている基板と同一の基板上に形成したことを特徴とする3次元磁気検出装置。 - 請求項1〜13のいずれかに記載の3次元磁気検出装置を、半導体基板上に形成したことを特徴とする半導体装置。
- 請求項5に記載の3次元磁気検出装置を有する半導体装置において、前記化合物半導体を別個の基板上に形成したことを特徴とする半導体装置。
- 請求項9に記載の3次元磁気検出装置を有する半導体装置において、前記化合物半導体を別個の基板上に形成したことを特徴とする半導体装置。
- 請求項10に記載の3次元磁気検出装置を有する半導体装置において、前記化合物半導体を別個の基板上に形成したことを特徴とする半導体装置。
- 請求項12に記載の3次元磁気検出装置を有する半導体装置において、前記信号処理回路を前記磁気検出素子とは別個の基板上に形成したことを特徴とする半導体装置。
- 請求項1〜13のいずれかに記載の3次元磁気検出装置において、前記磁気検出素子を用いて地磁気を検出することを特徴とする3次元磁気検出装置。
- 請求項14〜18のいずれかに記載の半導体装置において、前記磁気検出素子を用いて地磁気を検出することを特徴とする半導体装置。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2003051929A JP2004257995A (ja) | 2003-02-27 | 2003-02-27 | 3次元磁気検出装置および半導体装置 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2003051929A JP2004257995A (ja) | 2003-02-27 | 2003-02-27 | 3次元磁気検出装置および半導体装置 |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2004257995A true JP2004257995A (ja) | 2004-09-16 |
Family
ID=33116950
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2003051929A Withdrawn JP2004257995A (ja) | 2003-02-27 | 2003-02-27 | 3次元磁気検出装置および半導体装置 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP2004257995A (ja) |
Cited By (12)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2007116823A1 (ja) * | 2006-04-03 | 2007-10-18 | Asahi Kasei Emd Corporation | ホール素子及び磁気センサ |
JP2007333721A (ja) * | 2006-05-18 | 2007-12-27 | Asahi Kasei Electronics Co Ltd | 磁気センサ及びその製造方法 |
WO2008123144A1 (ja) | 2007-03-23 | 2008-10-16 | Asahi Kasei Emd Corporation | 磁気センサ及びその感度測定方法 |
JP2010066262A (ja) * | 2008-09-08 | 2010-03-25 | Robert Bosch Gmbh | 磁界の空間成分を測定する磁界センサ装置 |
JP2011059103A (ja) * | 2009-08-11 | 2011-03-24 | Asahi Kasei Electronics Co Ltd | 回転角度検出装置及び位置検出装置並びにその検出方法 |
JP2012047708A (ja) * | 2010-08-30 | 2012-03-08 | Asahi Kasei Electronics Co Ltd | 磁気センサ |
US8169215B2 (en) | 2006-04-13 | 2012-05-01 | Asahi Kasei Emd Corporation | Magnetic sensor and method of manufacturing thereof |
CN103718056A (zh) * | 2011-07-29 | 2014-04-09 | 旭化成微电子株式会社 | 磁场测量装置 |
JP2015203647A (ja) * | 2014-04-15 | 2015-11-16 | アルプス電気株式会社 | 磁気センサ |
JP2016164928A (ja) * | 2015-03-06 | 2016-09-08 | 旭化成エレクトロニクス株式会社 | 磁気センサ |
US9523589B2 (en) | 2013-02-12 | 2016-12-20 | Asahi Kasei Microdevices Corporation | Rotation angle measurement apparatus |
JP2020118469A (ja) * | 2019-01-18 | 2020-08-06 | 艾礼富▲電▼子(深▲セン▼)有限公司Aleph Electronics(Shenzhen)Co.,Ltd | ホール素子又はホールicを用いた磁界検出装置及び磁界検出装置を用いた近接センサ |
-
2003
- 2003-02-27 JP JP2003051929A patent/JP2004257995A/ja not_active Withdrawn
Cited By (23)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US8085035B2 (en) | 2006-04-03 | 2011-12-27 | Asahi Kasei Emd Corporation | Hall element and magnetic sensor |
JP4994365B2 (ja) * | 2006-04-03 | 2012-08-08 | 旭化成エレクトロニクス株式会社 | ホール素子及び磁気センサ |
JPWO2007116823A1 (ja) * | 2006-04-03 | 2009-08-20 | 旭化成エレクトロニクス株式会社 | ホール素子及び磁気センサ |
WO2007116823A1 (ja) * | 2006-04-03 | 2007-10-18 | Asahi Kasei Emd Corporation | ホール素子及び磁気センサ |
US8169215B2 (en) | 2006-04-13 | 2012-05-01 | Asahi Kasei Emd Corporation | Magnetic sensor and method of manufacturing thereof |
JP2007333721A (ja) * | 2006-05-18 | 2007-12-27 | Asahi Kasei Electronics Co Ltd | 磁気センサ及びその製造方法 |
CN105589050A (zh) * | 2007-03-23 | 2016-05-18 | 旭化成微电子株式会社 | 磁传感器 |
EP2131205A4 (en) * | 2007-03-23 | 2013-08-28 | Asahi Kasei Emd Corp | MAGNETIC SENSOR AND SENSITIVITY MEASUREMENT METHOD |
US9116195B2 (en) | 2007-03-23 | 2015-08-25 | Asahi Kasei Emd Corporation | Magnetic sensor and sensitivity measuring method thereof |
KR101124025B1 (ko) | 2007-03-23 | 2012-03-27 | 아사히 가세이 일렉트로닉스 가부시끼가이샤 | 자기 센서 및 그 감도 측정 방법 |
EP2131205A1 (en) * | 2007-03-23 | 2009-12-09 | Asahi Kasei EMD Corporation | Magnetic sensor and its sensitivity measuring method |
WO2008123144A1 (ja) | 2007-03-23 | 2008-10-16 | Asahi Kasei Emd Corporation | 磁気センサ及びその感度測定方法 |
JP5027217B2 (ja) * | 2007-03-23 | 2012-09-19 | 旭化成エレクトロニクス株式会社 | 磁気センサ及びその感度測定方法 |
JP2012215579A (ja) * | 2007-03-23 | 2012-11-08 | Asahi Kasei Electronics Co Ltd | 磁気センサ及びその感度測定方法 |
JP2010066262A (ja) * | 2008-09-08 | 2010-03-25 | Robert Bosch Gmbh | 磁界の空間成分を測定する磁界センサ装置 |
JP2011059103A (ja) * | 2009-08-11 | 2011-03-24 | Asahi Kasei Electronics Co Ltd | 回転角度検出装置及び位置検出装置並びにその検出方法 |
JP2012047708A (ja) * | 2010-08-30 | 2012-03-08 | Asahi Kasei Electronics Co Ltd | 磁気センサ |
CN103718056A (zh) * | 2011-07-29 | 2014-04-09 | 旭化成微电子株式会社 | 磁场测量装置 |
US9523589B2 (en) | 2013-02-12 | 2016-12-20 | Asahi Kasei Microdevices Corporation | Rotation angle measurement apparatus |
US9625278B2 (en) | 2013-02-12 | 2017-04-18 | Asahi Kasei Microdevices Corporation | Rotation angle measurement apparatus |
JP2015203647A (ja) * | 2014-04-15 | 2015-11-16 | アルプス電気株式会社 | 磁気センサ |
JP2016164928A (ja) * | 2015-03-06 | 2016-09-08 | 旭化成エレクトロニクス株式会社 | 磁気センサ |
JP2020118469A (ja) * | 2019-01-18 | 2020-08-06 | 艾礼富▲電▼子(深▲セン▼)有限公司Aleph Electronics(Shenzhen)Co.,Ltd | ホール素子又はホールicを用いた磁界検出装置及び磁界検出装置を用いた近接センサ |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
EP2696211B1 (en) | Single chip bridge magnetic field sensor and preparation method thereof | |
US9123876B2 (en) | Single-package bridge-type magnetic-field angle sensor | |
US8373536B2 (en) | Integrated lateral short circuit for a beneficial modification of current distribution structure for xMR magnetoresistive sensors | |
US9234948B2 (en) | Single-package bridge-type magnetic field sensor | |
US9678178B2 (en) | Magnetoresistive magnetic field gradient sensor | |
US9494661B2 (en) | Three-dimensional hall sensor for detecting a spatial magnetic field | |
TWI440875B (zh) | 穿隧磁電阻結構以及集成式3軸向磁場感測器與感測電路的製造方法 | |
US8395381B2 (en) | Micromachined magnetic field sensors | |
CN102057487B (zh) | 具有多个钉扎方向的双轴磁场传感器及其生产方法 | |
US20140225605A1 (en) | Mtj three-axis magnetic field sensor and encapsulation method thereof | |
US20100033175A1 (en) | Magneto-resistive sensor | |
JP2004257995A (ja) | 3次元磁気検出装置および半導体装置 | |
JP2016531300A (ja) | 単一チップz軸線形磁気抵抗センサ | |
WO2014094526A1 (zh) | 磁传感装置及其磁感应方法 | |
US11531046B2 (en) | Current sensor device | |
US10914765B1 (en) | Multi-die integrated current sensor | |
JP2004158668A (ja) | ハイブリッド磁気センサ及びその製造方法 | |
JP2017103378A (ja) | 磁気抵抗効果素子及び磁気センサ、並びに磁気抵抗効果素子の製造方法及び磁気センサの製造方法 | |
US11768230B1 (en) | Current sensor integrated circuit with a dual gauge lead frame | |
KR101176582B1 (ko) | 모놀리틱 3축 자기센서 | |
CN220671606U (zh) | 三轴磁传感器 | |
CN115332291A (zh) | 三维霍尔传感器结构及制备方法 | |
CN116893372A (zh) | 磁性传感器装置 | |
CN117192446A (zh) | 三轴磁传感器 | |
Oxland et al. | Indium Phosphide Heterojunction Bipolar Transistors as Magnetic Field Sensors |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A300 | Application deemed to be withdrawn because no request for examination was validly filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A300 Effective date: 20060509 |