KR100202774B1 - 오프셋 보상 호올 센서 - Google Patents

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Abstract

개선된 오프셋 보상을 위해 호올 센서는 호올 검출기 공급 전류 및 호올전압탭을 직각으로 스위칭 하는 장치(f)가 제공된다. 가산 장치는 제1 및 제2사전 보상 호올 전압값(h1,h2)에서 오프셋 보상 호올 전압값(h0)을 결정한다. 상기 호올 전압값(h1,h2)은 외형상 동일하고 직각으로 스위치 가능한 오프셋 전압 보상을 위해 최소한 제1 및 제2호올 전지(e1,e2)를 포함하는 호올 검출기(hd)에 의해 형성된다. 상기 제1 및 제2호올 전지의 외형 결합 정위는 0와 180

Description

오프셋 보상 호올 센서
제1도는 사전 보상된 호올 검출기를 제1직교 위치로 나타낸 도면.
제2도는 사전 보상된 호올 검출기를 제2직교 위치로 나타낸 도면.
제3도는 모놀리식 집적 호올 센서의 필수 분기 회로를 나타낸 도면.
제4도는 전원 장치가 측정 접점으로부터 분리된 호올 셀을 나타내는 도면.
제5도는 2개이상의 호올 셀로 이루어진 사전 보상된 호올 검출기의 일실시예를 나타내는 도면.
제6도는 단일 호올 셀의 등가 브리지 회로도.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
e1,e2,e3,e4 : 호올 셀 hd : 호올 검출기
q : 정전류원 cp : 반도체 칩
c : 아날로그 디지털 변환기 ad : 디지털 가산기
m : 호올 전압 계산장치 mx : 스위치단
g : 고임피던스 증폭기 st : 제어기
vq : 전압 조절기
본 발명은 자기장을 측정하는 호올 센서(hall sensor)에 관한 것으로서, 특히 호올 검출기, 전원 장치 및 호올 전압을 구하는 전자 회로를 포함하는 모놀리식 집적 부분품의 호올 센서에 관한 것이다. 이 결합 회로를 제조하기 위하여 그 제조방법은 종래의 바이폴라이거나 MOS 제조 공정에 대응하는 종래의 실리콘 반도체 기법중 한가지 방법으로 통상적으로 제조된다. 낮은 호올 감도 및 압전 효과의 큰 영향을 받는 호올 검출기 물질로서 실리콘의 공지된 단점은 결정 구조에 압력을 가하고 방향 종속 호올 감도를 갖게되는 오프셋 전압 에러를 초래하게 된다.
호올 검출기의 감도는 상기 호올판(hall plate)을 통해 반송파 이동도 및 전류 흐름의 기능을 필연적으로 갖는다. 분리한계 및 널리 보급된 측정값은 상기 호올검출기 자체 및 이후의 전자 부품에 영향을 주는 상이한 오프셋 전압의 변화에 주로 종속될 수 있다. 호올판은 제1근사값으로 자기장이 제공되지 않은 경우 제로출력에 대해 조절되는 저항 브리지가 평형될 수 있다. 소정의 정밀도로 호올 센서의 제조방법은 아주 만족스럽지 않은 폭넓은 제조 스펙트럼로 부터의 선택에 의해서만 달성될 수 있다. 따라서, 오차 허용도는 보상 방법에 의해 제조하는 동안 최소로 유지된다. 가장 널리 사용되는 방법은 제2호올판이 가능한 제1호올판과 등가이고, 90회전되는 제2호올판의 병렬 접속에 의한 호올판 오프셋 전압의 보상방법이 있다. 이것은 제1근사값으로 압전 효과로 인한 저항 브리지의 불균형에 대한 보상이 가능하다. 그럼에도 불구하고, 결정내에서 처리 허용 오차 또는 높은 압력 변화도는 자기장 측정의 보다큰 정밀도를 제공한다.
오프셋 전압의 보상방법은 1990년 10월 1일에서 3일까지 칼스루헤에서 개최된 모임과 관련한 Proceedings of Eurosensors IV 의 1991년 통권 2, 페이지 747751 에 기술되어 있다. 거기에 기술된 방법은 전자 스위치에 의해 순환식으로 스위치 되는 외면 둘레를 균일하게 분산된 16개의 접점으로 구성된 순환 호올판이 사용되고 있다. 상기 16개의 접점과 결합된 호올 전압은 합성되는데, 여기서 오프셋 에러는 50 마이크로 볼트 이하의 값으로 감소된다. 상기 기술에서, 직교 스위칭에 의해 호올판의 기하학적 에러는 완전히 제거가 가능하지만 상술한 압전 효과로 인한 오프셋 에러의 제거가 불가능함을 진술하고 있다.
실리콘내의 오프셋 에러는 종종 결정된 호올 전압 보다 상당히 크기 때문에 (즉 1,000 이상), 계산 회로의 특정 에러가 존재한다. 이상적인 등가 브리지 회로를 가정하면 직교 스위칭중에 오프셋 에러는 서로 다른 표시로 나타낸다. 2개의 직교호올 전압이 합산되면, 상기 오프셋 에러는 충분히 보상될 수 있다. 이것은 엄격한 균형, 선형성, 동일한 이득 및 감도가 증폭되고 처리되는 호올 전압에 대해 가정되는 경우에만 인가된다. 상기 선형성 및 감도 조건은 대체로 불충분하다.
따라서, 본 발명의 목적은 개성된 오프셋 전압 보상을 갖는 호올 센서를 제공하는데 있다. 또다른 본 발명의 목적은 종래의 반도체 기법을 사용하여 모놀리식 집적 소자로서 계산 전자 부품과 함께 제조 가능한 호올 센서를 제공하는데 있다.
본 발명과 그 장점은 첨부한 도면을 참조하여 이하에 더욱 상세히 설명될 것이다.
호올 셀의 호올 전압(Vh)은 다음과 같이
Vh=Rsq x I 호올 xh x Bz + V 오프셋으로 구성되는데, 여기서 Rsq 는 호올판의 시이트 비저항(sheet resistivity)이고,h 는 호올 이동도이며, Bz 는 호올판에 수직인 자기장 세기이다.
제6도에 도시된 바와같이 등가 브리지 회로를 가정하여 최악의 경우에 저항 R2 및 R3 의 값을 각각의 인자 d1 및 d2 에 의해 변화되도록 결정 구조에 압력을 가한다. 상기 브리지가 90로 전환되거나 동일할 때 직교 상태로 제어되는 제2브리지는 상기 브리지와 병렬 접속되어 상기 불균형 인자 d1, d2 는 완전히 상쇄될 것이다.
공교롭게도 이러한 이상적인 브리지 모델은 오프셋을 갖는 호올판에충분히 인가될 수는 없다. 만일 오프셋 보상에 대해 90회전되는 제2호올판은 일반적으로 제1호올판과 평행하게 접속되고, 반대 극성의 오프셋 전압은 제2판내에서 발생될 수 있지만, 완전한 보상은 제2호올판내의 압력 조건이 제1호올판내의 압력 조건과 상이 하기 때문에 병렬 접속이거나 또는 2개의 호올 전압의 합에 의해 달성하기는 어려울 것이다. 그러나, 본 발명에 따르면 제2호올판은 오프셋 에러의 사전 보상에 대해서만 사용되며, 상기 보상의 적정은 직교 스위칭 및 스위칭 하는 동안 측정 되는 호올 전압의 합에 의해 달성된다. 본 발명에 따른 사전 보상은 2개의 호올판이 서로 90로 방향이 맞추어질 필요는 없지만 그 각도가 0와 180사이에 임의로 놓일 수 있는 장점을 갖게 된다. 따라서, 각도는 결정 격자 때문에 특히 압력감지를 선택할 수 있다.
제1도에서, 제1 및 인접한 제2호올 셀(e1,e2)은 호올 검출기(hd)를 형성하기 위해 상호 접속되어 있다. 그 접속 방향은 각각의 제1 및 제2호올 셀 공급 전류(il,il)의 방향에 따라 접속된다. 따라서, 2개의 호올 셀은 서로 45의 각도를 이루고 있다. 전류는 2개의 다른 코너 지점이 호올 전압탭으로 동작하도록 코너 지점에서 대각선 방향으로 호올 셀에 공급된다. 각각의 호올 셀은 자체 전류원(q)으로부터 전류를 공급 받는다. 상기 호올 전압탭은 병렬 접속되어, 병렬 스위칭 값으로 제1호올 전압 값(h1)을 출력 단자에 공급한다.
제2도는 제1도와 동일한 호올 검출기 구성이지만 제2직교 위치로 도시하고 있다. 결과적으로 2개의 호올 셀(e1,e2)에서, 호올 셀 공급 전류(i1, I2)의 각각의 방향은 90로 전환되어 있다. 따라서, 호올 전압탭 또한 90로 전환되어 있다. 출력 단자는 병렬 스위칭 값으로제2호올 전압값(h2)을 제공한다. 간편하게 제1도 및 제2도에서 각각의 병렬 접속 호올 전압탭은 노드에 상호 접속되어 있다. 실제의 실행에서 상기 전압탭은 상이한 호올 전압탭이 제1 및 제2직교 위치에 상호 접속되어야만 하기 때문에 고정 노드에 있을 필요는 없다. 그러므로 상기 상호 접속은 스위치단(mx) (제3도에 도시)내의 전자스위치에 의해 이루어진다.
제3도는 반도체 칩(cp)상에 모놀리식 집적 회로로서 호올 검출기의 실시예를 도시하고 있다. 필수 장치(f)와, 호올 검출 공급 전류를 직교 스위칭 하는 분기 회로와, 호올 전압 탭과, 측정된 호올 전압을 처리하기 위해 필요한 계산장치(m) 및 가산기(ad)는 상기 반도체칩(cp)상에 집적되어 있다. 자기장 측정장치는 직교 방향으로 스위치 가능한 호올 검출기(hd)이며, 이들 도선은 전자 스위치단(mx)에 결합된다. 제어기(st) 및 제어 신호(sl)를 통해 상기 스위치단은 호올 전압이 분기되는 단자로부터 공급 전류가 도입되거나 빠져 나오는 단자를 통해 결정된다. 전류는 외부 비조절 공급 전압이 공급되고 제어 전류원(q)을 통해 일정한 호올 셀 공급 전류(i1,i2)를 전달하는 공급장치(p)를 통해 호올 셀에 공급된다. 상기 공급장치(p)는 전제 칩에 대해 내부 공급 전압(ud)을 전달하는 전압 조절기(vq)를 포함한다.
호올 전압은 스위치단(mx)에 병렬 접속되고, 고임피던스 증폭기(g)에 공급되는 호올 전압값(h1,h2)을 형성하는호올 검출기(hd)내의 각각의 호올 셀에서 분기된다. 호올 전압 계산 장치(m)의 일부분을 형성하는 증폭기(g)의 출력은 인가된 신호를 디지털화하고 디지털 가산기(ad)에 출력을 공급하는 아날로그 디지털 변환기(c)의 입력에 접속된다. 디지털 가산기는 제1 및 제2디지탈 호올 전압값(h1,h2)을 가산하고, 오프셋 보상 호올 전압값(h0)으로 가산 회로를 제공한다. 상기 가산기(ad)는 제어기(st)로부터의 제2제어 신호(s2)에 의해 제어된다. 상기 제어 신호(s2)는 새로운 측정 싸이클이 시작되기 전에 가산기(ad)의 누산기를 리세트시킨다.
통상 각각의 싸이클은 단지 제1 및 제2직교 위치의 측정값의 합계만을 포함한다. 또한 임의의 합계는 4개의 연속적인 직교 위치를 통해 실행될 수 있는데, 이러한 실행은 물론 호올 검출기(hd)내의 호올 셀 공급 전류의 한번의 완전한 회전에 의해 이루어진다. 제어기(st)는 디지털 화, 합계 및 데이터 출력을 동기화시키는 클럭 신호(t)를 제공한다.
호올 셀의 기본 형태는 직교 스위칭 하는 동안 기하학적으로 균등해야 할 필요가 있기 때문에 회전 대칭성이 요구된다. 이것은 호올 셀의 기본 형태를 통상 정사각형으로 함으로써 만족될 수 있다. 그러나, 직각 스위칭 하는 동안 장사각형의 한면을 따라 주입되는 전류는 호올 전압탭이 상기 한면에서 전류 접점과 충돌하는 문제에 접하게 된다. 이러한 충돌은 전류가 직교 방향으로 상반된 코너 지점에서 정사각형 호올 셀에 주입되거나 또는 그 셀로부터 취해지는 경우 예방될 수 있다. 2개의 다른 코너 지점에서 상기 호올 전압은 분기될 수 있다. 직각 스위칭이 사용되는 경우 전류 및 전압접점은 간단히 상호 접속될 수 있다.
제4도는 전류 흐름의 방향이 정사각형의 한면에 평행하게 직교 스위칭이 가능한 정사각형 호올 셀을 도시하고 있다. 호올 전압 측정 접점 (M1,M2,M3,M4)은 각면의 중간 지점에 제공되어 있다. 그러나, 전류는 MOS 트랜지스터를 통해 비접촉 가능하게 호올 셀에 인가되고, 상기 호올 셀에서 취할 수 있다. 상기 정사각형의 각면을 따라 호올 셀 영역으로서 동일한 전도성 형태의 직사각형 영역이 제공되어 있다. 이들 직사각형 영역과 호올 셀 영역의 각각은 중간 영역내에 형성된 채널과 게이트를 갖는 MOS 트랜지스터가 형성되어 있다. 예컨대, 제4도는 소오스 전극(S1)이 전류원(q)에 결합되고, 드레인 전극(D1)이 호올 셀 영역내에 존재하는 제1모스 트랜지스터(t1)를 도시하고 있다. 게이트 전극(G1)은 제어기(st)로부터의 제어 신호에 의해 전도 상태이거나 또는 비전도 상태를 가져온다. 호올 셀의 기저면에서의 전류는 소오스 전극(S2)이 접지 단자에 결합되는 제2모스 트랜지스터(t2)를 통해 분기된다. 드레인 전극(D2)은 호올 셀 영역의 한면에 형성되고, 게이트 전극(G2)은 이들 두영역 사이에 위치되어 있다.
제5도는 4개의 호올 셀(e1 내지 e4)로 이루어진 호올 검출기(hd)를 도시하고 있다. 이들 4개의 호올 셀의 병렬 접속을 통해 호올 셀 공급 전류의 4개의 서로 다른 방향은 사전 보상을 위해 사용된다. 이것은 방향 종속 압전 효과에 대해 보다 양호한 보상을 제공하다. 상기 관련 스위치단은 직교 스위칭하는 동안 각가의 호올셀 공급 전류의 방향이 90회전되어야만 한다.
제6도는 모든 저항값이 같은, 즉 R1=R2=R3=R4 인 회전형 대칭 호올 셀의 등가 브리지 회로를 도시하고 있다. 상기 브리지 회로는 정전압(U)이거나 또는 정전류(I)로 공급된다. 기하학적 에러 또는 압력 인자로 인한 호올 셀이 임의의 오프셋은 각각의 제2 및 제3브리지 저항(R2,R3)의 불균형 인자(d1,d2)에 의해 등가 브리지 회로가 계산된다. 수학적 변환을 통해 각 브리지 전압(UW)상에 2개의 직교 위치내에 불균형 인자(d1,d2)의 영향은 전압과 전류 주입 사이에 만들어질 수 있는 특성이 결정될 수 있다.
브리지 저항이 직교 스위칭중에 변화하지 않는 경우 불균형 인자(d1,d2)는 2개의 브리지 전압의 합계하는 중에 완전히 상쇄될 수 있다. 그러나, 상술한 바와같이 상기 브리지 저항(R1 내지 R4)은 방향 종속 압전 효과 및 방향 종속 호올 감도로 인하여 변화하게 된다. 상기 호올 셀 저항이 전류 방향에 의존하는 경우 전류 구동은 전류가 고임피던스 정전류원에 의해 일정하게 유지되기 때문에 더욱 안정될 수 있다. 또한 온도 독립 정전류는 유럽 특허 출원 제 91 11 2840.3 (ITT 케이스 유. 데우스 등 16-1-1)호에 기재되어 있는 바와같이 온도 독립 호올 전압을 발생시킨다. 거기에 기술된 호올 셀 공급 전류원은 특정 기준 온도(To)에서 발생 전류가 호올셀 시이트 비저항(Rsq)에 반비례하기 때문에 상기 호올 셀 영역의 시이트 비저항(Rsq)에 결합된다. 그결과 호올 셀 감도는 상기 호올 셀 영역의 제조 파라메터에 필연적으로 독립적으로 된다. 상기 호올 셀 영역은 확산 또는 주입되는 비교적 고임피던스 영역과, 게이트 전극의 도움으로 형성되거나 또는 영향을 받는 반전층과, 스퍼터링 또는 화학적 증기 증착(CVD)에 의해 증착되는 개별 증착 박막층등의 여러 가지 방법으로 형성될 수 있다.
오프셋 및 계산 장치의 선형 에러가 무시할 정도이면, 개별 호올 전압(V11; V21; V22)은 가산 장치이거나 가산기(ad)로 직접 가산될 수 있다. 상기 호올 전압값(h1,h2)이 결정되는 사전 보상은 이때 계산 단계에 있게된다.

Claims (10)

  1. 호올 전압 측정을 위한 제1 및 제2직교 위치에서의 호올 검출기(hd)의 결합구조가 동일하고, 상기 호올 검출기의 공급 전류 및 호올 전압탭을 직각으로 스위칭하는 장치(f)와; 제1 및 제2호올 전류값(h1,h2)을 공급하여 오프셋 보상 호올 전압값(h0)을 형성하는 가산 장치를 구비하는 오프셋 보상 호올 센서에 있어서, 상기 호올 검출기(hd)는 적어도 제1 및 제2호올 셀(e1,e2)을 포함하고; 상기 제1 및 제2호올 셀(e1,e2)은 외형적으로 동일하며, 공통기판상에 기술적, 열적, 공간적으로 밀접하게 결합되고, 각각 직각으로 스위치 가능하며; 상기 제1호올 전압값(h1)은 제1직교 위치에서의 상기 제1 및 제2호올 셀(e1,e2) 각각의 호올 전압(v11,v21)의 합이거나 병렬 스위칭 값이고; 상기 제2호올 전압값(h2)은 제2직교 위치에서의 상기 제1 및 제2호올 셀(e1,e2) 각각의 호올 전압(v12,v22)의 합이거나 병렬 스위칭 값이며; 제1직교 위치에서의 상기 제1 및 제2호올 셀(e1,e2)의 외형 결합 정위가 호올 셀 공급 전류(i1,i2)의 방향과 관련하며 제2직교 위치에서 90회전된 0또는 180와 상이한 각을 갖는 것을 특징으로 하는 오프셋 보상 호올 센서.
  2. 제1항에 있어서, 상기 호올 셀(e1,e2), 계산 장치(m) 및 호올 검출기 공급 전류를 직각으로 스위칭하는 장치(f)는 공통 반도체 표면상에 집적되는 것을 특징으로 하는 오프셋 보상 호올 센서.
  3. 제2항에 있어서, 상기 호올 전압(v11,v21; v12,v22) 또는 상기 제1 및 제2호올 전압값(h1,h2)은 아날로그 디지털 변환기(c)에 의해 숫자화 되고, 상기 가산 장치는 디지털 가산기(ad)를 구비하는 것을 특징으로 하는 오프셋 보상 호올 센서.
  4. 제2항에 있어서, 상기호올 셀(e1,e2)은 확산 또는 주입 영역에 의해 반도체 표면 내부 또는 그위에 형성되는 것을 특징으로 하는 오프셋 보상 호올 센서.
  5. 제2항에 있어서, 상기 호올 셀(e1,e2)은 게이트 전극에 의해 생성되거나 유도되는 반전층에 의해 상기 반도체 표면상에 형성되는 것을 특징으로 하는 오프셋 보상 호올 센서.
  6. 제2항에 있어서, 상기 호올 셀(e1,e2)은 특히 스퍼터링 또는 화학적 증기 증착에 의해 반도체 표면상에 증착된 박막층으로 구성되는 것을 특징으로 하는 오프셋 보상 호올 센서.
  7. 제2항에 있어서, 상기 호올 셀(e1,e2)은 측정 접점으로부터 분리되어 있는 공급 전류 주입 및 공급 전류 수집 장치에 결합되는 것을 특징으로 하는 오프셋 보상 호올 센서.
  8. 제7항에 있어서, 상기 전류는 각각의 호올 셀(e1,e2)의 저항 영역이 되는 MOS 트랜지스터(t1,t2) 각각의 하나의 전극을 통해 접촉없이 상기 호올 셀(e1,e2)에 인가되고 호올 셀로부터 취해지는 것을 특징으로 하는 오프셋 보상 호올 센서.
  9. 제2항에 있어서, 상기 호올 셀(e1,e2)과 기술적 및 열적으로 결합되는 정전류원(q)은 상기 호올 셀(e1,e2)에 공급하는 온도 독립 정전류를 발생시키며, 상기 정전류 값은 동작 범위에 있는 기준 온도(To)에서의 상기 호올 셀의 시이트 비저항(Rsq)에 반비례 하는 것을 특징으로 하는 오프셋 보상 호올 센서.
  10. 제1항에 있어서, 상기 제1 및 제2호올 셀(e1,e2)과 병렬 결합되고, 오프셋 전압 사전 보상을 위한 것으로 외형상 동일하고 직각으로 스위치 가능한 호올 셀(e3,e4)을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 오프셋 보상 호올 센서.
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