JP6123687B2 - 磁気センサ - Google Patents

Description

本発明は、ホール効果を用いて磁界の強度を検出するホール素子を有する磁気センサに関する。

従来、ホール効果を用いて磁界の強度を検出するホール素子を有する磁気センサ（例えば、特許文献１に記載の磁気センサ）が知られている。ホール効果とは、電流の流れているものに対し、電流が流れる方向に垂直な磁界が印加されると、電流が流れる方向と磁界が印加された方向の両方に直交する方向に電位差が生じる現象である。

特許文献１に記載の磁気センサは、ホール素子と、ホール素子が検出した磁界を電気信号に変換するなどの信号処理を行う信号処理回路とを有する構成とされており、ホール効果を利用して、磁石が発生する磁界や電流が発生する磁界を電気信号に変換して出力する。こうして、この磁気センサでは、電流が流れる方向と電位差が生じる方向の両方に直交する方向にかけられる磁界を検出する。

また、特許文献１に記載の磁気センサでは、ホール素子が半導体基板の一面上に設けられており、このホール素子は、いわゆる横型ホール素子、すなわち半導体基板の一面に対して垂直な磁界を検出するホール素子として構成されている。また、この磁気センサでは、ホール素子としてグラフェンが用いられている。

特開２０１２−２１５４９８号公報

しかしながら、特許文献１に記載の磁気センサのように横型ホール素子を用いた磁気センサでは、電流が流れる方向と電位差が生じる方向の両方に直交する方向以外の方向に印加された磁界を誤検出してしまう場合がある。すなわち、例えば、電流が流れる方向や電位差が生じる方向に印加された磁界を検出してしまう場合がある。特に、特許文献１に記載の磁気センサでは、ホール素子がグラフェンで構成されており、グラフェンは磁界検出感度が高いため、このような誤検出が特に生じ易い。

本発明は上記点に鑑みて、ホール素子を有する磁気センサにおいて、電流が流れる方向と電位差が生じる方向の両方に直交する方向以外の方向に印加された磁界を誤検出し難い構成を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、平面（２ａ）を有する第１半導体基板（２）と、第１半導体基板の平面に向けられた一面（３ａ）を有する第２半導体基板（３）と、第１半導体基板の平面に設けられ、ホール効果を用いて第１半導体基板の平面に垂直な磁界を検出するホール素子（４）と、第１半導体基板の平面と第２半導体基板の一面との間に設けられ、第１半導体基板と第２半導体基板とを接合する接合部（５）と、を有し、第１半導体基板または第２半導体基板の少なくとも一方において、ホール素子が検出した磁界を電気信号に変換するための信号処理回路が設けられた磁気センサであって、以下の特徴を有する。

すなわち、第１半導体基板の平面と第２半導体基板の一面との間には、第１半導体基板の平面に対する垂線の方向から見てホール素子の周囲を囲み、軟磁性体を含む構成とされた磁気シールド部（６）が設けられており、ホール素子は、第１半導体基板と、第２半導体基板と、接合部および磁気シールド部の少なくとも一方と、によって封止された構成とする。

このため、ホール素子に対して印加される磁界のうち、第１半導体基板の平面に垂直な磁界には影響が無いが、第１半導体基板の平面を含む直線方向に印加される磁界が小さくなる。すなわち、ホール素子として検出すべき磁界である電流が流れる方向と電位差が生じる方向の両方に直交する方向に印加される磁界（第１半導体基板の平面に垂直な磁界）以外の磁界の影響が小さくなる。これにより、誤検出が生じ難くなるという効果が得られる。

なお、この欄および特許請求の範囲で記載した各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。

本発明の第１実施形態に係る磁気センサを示す斜視図である。 図１に示す磁気センサにおけるセンサチップ部分（第１半導体基板、ホール素子などで構成された部分）を示す斜視図である。 図１に示す磁気センサにおけるセンサチップ部分（第１半導体基板、ホール素子などで構成された部分）の平面構成を示す図である。 図１に示す磁気センサにおけるセンサチップ部分（第１半導体基板、ホール素子などで構成された部分）の断面構成を示す図である。 本発明の第２実施形態に係る磁気センサにおけるセンサチップ部分（第１半導体基板、ホール素子などで構成された部分）の平面構成を示す図である。 本発明の他の実施形態に係る磁気センサにおけるセンサチップ部分（第１半導体基板、ホール素子などで構成された部分）の平面構成を示す図である。 本発明の別の他の実施形態に係る磁気センサにおけるセンサチップ部分（第１半導体基板、ホール素子などで構成された部分）の平面構成を示す図である。 本発明の別の他の実施形態に係る磁気センサにおけるセンサチップ部分（第１半導体基板、ホール素子などで構成された部分）の平面構成を示す図である。

以下、本発明の実施形態について図に基づいて説明する。なお、以下の各実施形態相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、同一符号を付して説明を行う。

（第１実施形態）
本発明の第１実施形態に係る磁気センサ１について図１〜図４を参照して説明する。なお、図２は、図１に示す磁気センサ１におけるセンサチップ部分（第１半導体基板２、ホール素子４などで構成された部分）を、図１とは上下逆向きにして示したものである。

図１、図２に示すように、磁気センサ１は、第１半導体基板２と、第２半導体基板３と、第１半導体基板２の平面２ａに設けられたホール素子４と、第１、２半導体基板２、３とを接合する接合部５とを有する。図２、図３に示すように、磁気センサ１は、第１半導体基板２の平面２ａと第２半導体基板３の一面３ａとの間において、第１半導体基板２の平面２ａに対する垂線の方向から見てホール素子４の周囲を囲む構成とされた磁気シールド部６が設けられている。

磁気センサ１は、ホール効果を利用して、磁石が発生する磁界や電流が発生する磁界を電気信号に変換して出力する。これにより、磁気センサ１は、電流が流れる方向（図１中の矢印Ｂｘを参照）と電位差が生じる方向（図１中の矢印Ｂｙを参照）の両方に直交する方向（図１中の矢印Ｂｚを参照）に印加される磁界を検出する。この磁気センサ１は、例えば、電流センサとして適用される。

第１半導体基板２は、Ｓｉ（シリコン）などの半導体で構成された薄板状の半導体基板である。図２、図３に示すように、本実施形態に係る磁気センサ１では、第１半導体基板２が平面２ａを有する構成とされており、この平面２ａにおいてホール素子４が設けられている。なお、図４に示すように、本実施形態に係る磁気センサ１では、第１半導体基板２の表面にシリコン酸化膜７が形成されており、このシリコン酸化膜７の表面として平面２ａが形成された構成とされている。

ホール素子４は、横型ホール素子、すなわち第１半導体基板２の平面２ａに対して垂直な磁界（図１、図４中の矢印Ｂｚを参照）を検出するホール素子である。ホール素子４としては、公知のホール素子であれば、特に構成が限定されるものではないが、本実施形態に係る磁気センサ１では、磁界検出感度の高い素子であるグラフェンを採用している。

図３に示すように、ここでは、ホール素子４は、第１半導体基板２の平面２ａに形成された四角形の半導体領域２１ａの４隅において、互いに直交するように４つの電極４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄが設けられた構成とされている。半導体領域２１ａは、半導体領域２１ａに配置された図示しない電極（配線）を介してこれらの電極４ａ〜４ｄと電気的に接続される。なお、本実施形態に係る磁気センサ１では、第１半導体基板２の平面２ａにおいて、第１半導体基板２の基板電位を検出するための電位検出用電極２１ｂが設けられている。

ここで、例えば、電極４ｂから電極４ｄへ一定の電流が流されると、第１半導体基板２の平面２ａに平行な成分を主に含む電流が流されることとなる。このとき、その電流に対して平面２ａに垂直な磁界（図４中の矢印Ｂｚを参照）が印加されると、上述したホール効果により、電極４ａと電極４ｃとの間にその磁界に応じたホール電圧が発生する。そして、その発生したホール電圧信号を検出することで、第１半導体基板２の平面２ａに垂直な磁界が求められることとなる。なお、このホール素子４においては、電極４ａおよび電極４ｃに電流を流して電極４ｂおよび電極４ｄにてホール電圧信号を検出することもできる。こうした電極の入れ替えを利用することにより、ホール素子４に発生するオフセット電圧（不平衡電圧）を相殺することができる。

第２半導体基板３は、第１半導体基板２と同様、Ｓｉ（シリコン）などの半導体で構成された薄板状の半導体基板である。図１、図２に示すように、第２半導体基板３は、第１半導体基板２の平面２ａに向けられた一面３ａを有し、第１半導体基板２の平面２ａと第２半導体基板３の一面３ａの間に設けられた後述する接合部５を介して、第２半導体基板３と接合されている。第２半導体基板３には、ホール素子４が検出した磁界を電気信号に変換するための図示しない信号処理回路が設けられている。なお、この信号処理回路は、第１半導体基板２に設けられていてもよい。

図１、図２に示すように、接合部５は、第１半導体基板２の平面２ａと第２半導体基板３の一面３ａとの間に設けられ、第１半導体基板２と第２半導体基板３とを接合する部材である。接合部５は、材質が特に限定されるものではなく、例えばＳｉを含む材料や軟磁性材料で構成され得る。なお、接合部５は、スパッタ、蒸着、ＣＶＤなどの成膜方法により形成される。

図２、図３に示すように、本実施形態に係る磁気センサ１では、接合部５が、第１半導体基板２の平面２ａに対する垂線の方向から見て、ホール素子４を連続的に囲んで形成されている。すなわち、接合部５は、ホール素子４の周囲を一周全周に亘って囲んで形成されている（以下、「一周全周に亘って」の意として「連続的に」という）。また、図３に示すように、接合部５は、第１半導体基板２の平面２ａの外縁に沿って形成されている。そして、本実施形態に係る磁気センサ１では、グラフェンからなるホール素子４が、第１半導体基板２、第２半導体基板３、および接合部５によって封止（例えば、真空封止、不活性ガス封止）されている。ここでいう封止とは、ホール素子４が外気に触れないように外部に対して隔離された状態となっていることを意味する。このようにホール素子４が封止されていることにより、本実施形態に係る磁気センサ１では、ホール素子４の特に経時的特性変化が小さくなり、高精度に検出を行うことができる。また、本実施形態に係る磁気センサ１において、第１半導体基板２や第２半導体基板３の周囲にモールド樹脂を設けたモールド封止構造とされてもよい。

ここで、本実施形態に係る磁気センサ１では、上述したように、第１半導体基板２の平面２ａと第２半導体基板３の一面３ａとの間において、磁気シールド部６が設けられている。図２、図３に示すように、磁気シールド部６は、第１半導体基板２の平面２ａに対する垂線の方向から見て、ホール素子４の周囲を連続的に囲んで形成されている。図３に示すように、磁気シールド部６は、第１半導体基板２の平面２ａに対する垂線の方向から見て、接合部５で囲まれた領域に形成されており、ここでは一例として、四角形の外形に沿って連続的に形成された構成とされている。磁気シールド部６は、透磁性が高い材料（軟磁性材料）を含む材料であれば、特に材料が限定されるものではないが、ここではＮｉＦｅ（ニッケル鉄）、パーマロイ、フェライトなどの軟磁性体で構成されている。磁気シールド部６は、膜としてスパッタ、蒸着、CVD法などで成膜し、その後フォトリソグラフィ、エッチングまたはリフトオフなどの方法により形成される。

本実施形態に係る磁気センサ１では、上記した磁気シールド部６が設けられており、軟磁性材料を含む材料で構成された磁気シールド部６によってホール素子４が囲まれた構成とされているため、囲まれた領域の外部の磁界が内部の磁界に与える影響は小さくなる。すなわち、平面２ａに対する垂線の方向から見て、磁気シールド部６がホール素子４の周囲を囲んで平面２ａに形成されていることにより、ホール素子４に対して印加される磁界のうち、平面２ａに垂直な磁界（Ｂｚ）には影響が無いが、平面２ａを含む直線方向（Ｂｘ、Ｂｙ）に印加される磁界は小さくなる。すなわち、ホール素子４として検出すべき磁界である、電流が流れる方向と電位差が生じる方向の両方に直交する方向に印加される磁界（平面２ａに垂直な磁界）以外の磁界の影響が小さくなる。このため、本実施形態に係る磁気センサ１では、誤検出が生じ難くなるという効果が得られる。なお、本実施形態に係る磁気センサ１では、磁気シールド部６が連続的に形成されているため、この効果が特に大きくなる。

なお、本実施形態に係る磁気センサ１では、ホール素子４が、上述したように、第１、２半導体基板２、３、および接合部５によって封止されているが、第１、２半導体基板２、３、および磁気シールド部６によって封止された構成とされてもよい。

以上説明したように、本実施形態に係る磁気センサ１では、第１半導体基板２の平面２ａと第２半導体基板３の一面３ａとの間において、平面２ａに対する垂線の方向から見てホール素子４の周囲を囲む構成とされた磁気シールド部６を設けている。

このため、本実施形態に係る磁気センサ１では、ホール素子４に対して印加される磁界のうち、平面２ａに垂直な磁界には影響が無いが、平面２ａを含む直線方向に印加される磁界が小さくなる。すなわち、ホール素子４として検出すべき磁界である、電流が流れる方向と電位差が生じる方向の両方に直交する方向に印加される磁界（平面２ａに垂直な磁界）以外の磁界の影響が小さくなる。これにより、本実施形態に係る磁気センサ１では、誤検出が生じ難くなるという効果が得られる。

特に、本実施形態に係る磁気センサ１では、磁気シールド部６を連続的に形成された構成としている。このため、本実施形態に係る磁気センサ１では、上述した誤検出が生じ難くなる効果が特に大きくなる。

（第２実施形態）
本発明の第２実施形態について図５を参照して説明する。本実施形態は、第１実施形態において、磁気シールド部６を、ホール素子４と信号処理回路とを電気的に接続する配線として構成したものである。その他については第１実施形態と同様であるため、第１実施形態と異なる部分についてのみ説明する。

図５に示すように、本実施形態に係る磁気センサ１では、磁気シールド部６を、第１半導体基板２の平面２ａに対する垂線の方向から見て、ホール素子４の周囲を囲む四角形の外形に沿って断続的に形成した構成としている。ここでは、一例として、この四角形を２つとし、一方の四角形（以下、外側四角形という）が他方の四角形（以下、内側四角形という）の周囲を囲んだ構成としている。そして、本実施形態に係る磁気センサ１では、これら２つの四角形（外側四角形、内側四角形）を囲んで接合部５を設けている。

図５に示すように、外側四角形の外形に沿って形成された磁気シールド部６を、２つの部位（図５中の符号６ａ、６ｂを参照）によって構成している。また、内側四角形の外形に沿って形成された磁気シールド部６を、４つの部位（図５中の符号６ｃ、６ｄ、６ｅ、６ｆを参照）によって構成している。これら６つの部位６ａ〜６ｆのうち４つ（６ａ〜６ｄ）は、それぞれ、ホール素子４の電極４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄのいずれかに電気的に接続されると共に、第２半導体基板３に形成された信号処理回路に電気的に接続される。また、６つの部位６ａ〜６ｆのうち残りの２つ（６ｅ、６ｆ）は、第１半導体基板２の基板電位を検出するための電位検出用電極２１ｂとして用いられる。このように、本実施形態に係る磁気センサ１では、磁気シールド部６を、ホール素子４と信号処理回路とを電気的に接続する配線として利用する構成としている。

なお、本実施形態では、上述したように磁気シールド部６を配線として利用する構成とするため、磁気シールド部６を、コンタクト抵抗が低い材料であるＮｉ（ニッケル）系材料で構成することが特に好ましい。

上記で説明したように、本実施形態に係る磁気センサ１では、磁気シールド部６を、ホール素子４と信号処理回路とを電気的に接続する配線として構成している。このため、本実施形態に係る磁気センサ１では、部品点数が少なく、製造が容易となる。

（他の実施形態）
本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載した範囲内において適宜変更が可能である。

例えば、第１、２実施形態では、第１半導体基板２の平面２ａに対する垂線の方向から見て、接合部５を、第１半導体基板２の平面２ａの外縁に沿って形成し、磁気シールド部６を、接合部５で囲まれた領域に形成していた。しかしながら、図６、図７に示すように、磁気シールド部６を、第１半導体基板２の平面２ａの外縁に沿って形成し、接合部５を、磁気シールド部６で囲まれた領域に形成してもよい。

また、第１、２実施形態では、磁気シールド部６とは別部材である接合部５を設けていたが、磁気シールド部６と接合部５とを同一としてもよい。すなわち、接合部５によって磁気シールド部６を構成してもよく、例えば、図８に示すように、第１実施形態において、第１半導体基板２および第２半導体基板３が磁気シールド部６を介して接合された構成としてもよい。すなわち、ここでは、ホール素子４を、第１半導体基板２、第２半導体基板３、および磁気シールド部６によって封止している。なお、ここでは、磁気シールド部６を、第１半導体基板２の平面２ａの外縁に沿って形成している。

２ 第１半導体基板
２ａ 第１半導体基板の平面
３ 第２半導体基板
３ａ 第２半導体基板の一面
４ ホール素子
５ 接合部
６ 磁気シールド部
７ シリコン酸化膜

Claims (4)

1. 平面（２ａ）を有する第１半導体基板（２）と、
   前記第１半導体基板の平面に向けられた一面（３ａ）を有する第２半導体基板（３）と、
   前記第１半導体基板の平面に設けられ、ホール効果を用いて前記第１半導体基板の平面に垂直な磁界を検出するホール素子（４）と、
   前記第１半導体基板の平面と前記第２半導体基板の一面との間に設けられ、前記第１半導体基板と前記第２半導体基板とを接合する接合部（５）と、を有し、
   前記第１半導体基板および前記第２半導体基板の少なくとも一方において、前記ホール素子が検出した磁界を電気信号に変換するための信号処理回路が設けられた磁気センサであって、
   前記第１半導体基板の平面と前記第２半導体基板の一面との間には、前記第１半導体基板の平面に対する垂線の方向から見て前記ホール素子の周囲を囲み、軟磁性体を含む構成とされた磁気シールド部（６）が設けられており、
   前記ホール素子は、前記第１半導体基板と、前記第２半導体基板と、前記接合部および前記磁気シールド部の少なくとも一方と、によって封止された構成とされていることを特徴とする磁気センサ。
2. 前記磁気シールド部が、前記第１半導体基板の平面に対する垂線の方向から見て、前記ホール素子の周囲を一周全周に亘って囲んで形成されていることを特徴とする請求項１に記載の磁気センサ。
3. 前記磁気シールド部が、前記ホール素子と前記信号処理回路とを電気的に接続する配線として構成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の磁気センサ。
4. 前記接合部によって前記磁気シールド部を構成していることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか一つに記載の磁気センサ。

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