磁傳感器及其靈敏度測量方法

2023-12-10 14:52:22 2

專利名稱：磁傳感器及其靈敏度測量方法
技術領域：
本發明涉及一種具備靈敏度測量功能的磁傳感器及其靈 敏度測量方法，更詳細地說，涉及一種用於使具備半導體基板 和磁性體的磁傳感器具有靈敏度測量功能的磁傳感器及其靈敏 度測量方法，其中，在上述半導體基板上相互分離地設置有多 個霍爾元件，上述磁性體被設置在該半導體基板上。
背景技術：
以往，作為磁傳感器已知具備設置在半導體基板上的霍 爾元件和設置在該霍爾元件上的具有聚^茲(magnetic convergence)功能的磁性體(聚磁板)，使磁性體進行聚磁，由霍 爾元件來檢測其磁場強度。
圖l是用於說明此類磁傳感器的結構圖。半導體電路l由半 導體基板3和設置在該半導體基板3上的霍爾元件4a、 4b構成。 該半導體電路1上依次設有保護層5和粘接層6，並且在粘接層6 上設有聚磁板2。
關於組合了霍爾元件和具有聚磁功能的磁性體(聚磁板)的 磁傳感器，例如有專利文獻l。該專利文獻l所記載的磁傳感器 是關於能夠以二維來決定磁場方向的^t場方向4企測傳感器。其 具備具有平坦形狀的聚》茲板和第 一霍爾效應元件以及第二霍爾 效應元件，這些霍爾效應元件配置在聚磁板的端部區域。
另外，專利文獻2所記載的磁傳感器是與圖l相同結構的磁 傳感器，其涉及使水平方向磁場靈敏度和垂直方向磁場靈敏度 一致那樣的技術。
另外，專利文獻3所記載的磁傳感器是如下結構。使具有用於對磁傳感器施加磁場的線圈的探針卡與具有磁傳感器和數 字信號處理部的磁傳感器模塊的某 一 個接觸。 一 邊對線圈提供 電流來產生磁場， 一邊通過探針卡來檢查數位訊號處理部，檢 查磁傳感器。並且，通過探針卡將與檢查結果相應的磁傳感器 的校正值存儲到磁傳感器模塊的存儲部。
並且，關於霍爾元件的靈敏度校正，存在以下結構。如圖 2所示，在霍爾元件的正下方配置用於產生垂直^茲場成分的垂直 方向,茲場產生用線圈，由霍爾元件;險測由該垂直方向萬茲場產生 用線圈所產生的垂直磁場成分，校正霍爾元件的自身靈敏度。 關於其具體內容，記載在非專利文獻l中。
上述的專利文獻l公開有以下內容。磁傳感器是如下結構 具備設置在半導體基板上的霍爾元件和設置在該霍爾元件上的 具有聚磁功能的磁性體(聚磁板)，由該磁性體進行聚磁，由霍 爾元件來4全測其》茲場強度。在4全測水平方向和垂直方向的》茲場 來檢測相互正交的兩軸或者三軸的磁信號的磁傳感器中，水平 方向磁場和垂直方向磁場的磁靈敏度分別不同。為此，需要使 各軸間的靈敏度一致。
本申請人在上述的專利文獻2中提出了如下技術通過配 置多個^r測垂直方向^茲場的元件來^f吏水平方向和垂直方向的》茲 靈敏度一致。然而，在該方法中，無法校正伴隨著各個磁傳感 器中的元件靈敏度偏差、磁性體位置偏移而產生的靈敏度偏差。
在上述的專利文獻3中，公開有以下內容。使具有用於對 磁傳感器施加磁場的線圏的探針卡與具有磁傳感器和數位訊號 處理部的磁傳感器模塊的某 一 個接觸， 一 邊對線圏提供電流來 產生磁場， 一邊通過探針卡來檢查數位訊號處理部從而檢查磁 傳感器的靈敏度，並且進行靈敏度校正。塊是否按照功能進行動作，在外部的探針卡上設置用於產生磁 場的線圏，另外，為了測量而特意地使探針卡密接在IC的晶圓
(wafer)上。同時，為了校正線圏所產生的磁場，需要準備預先 校正過的晶圓，對該晶圓進行一次測量來進行線圈的校正等煩 雜作業，乂人而存在測試成本高的問題。
在這種狀況中，研究了不依靠外部線圈而通過將內部線圈 嵌入到磁傳感器中來解決如上所述的問題點的方案。通過將內 部線圈搭載到磁傳感器中，1)能夠在製造時以及出廠時驗證功 能動作，2)能夠針對輸出靈敏度的工藝依賴性的偏差、電路塊 的靈敏度偏移，對每個軸進行靈敏度校正，3)不需要在測試板 上設置用於在適度範圍內產生一樣的磁場區域的磁場測試線圈 (外部線圈)。由此，能夠統一次性測試多個^茲傳感器，具有削 減測試成本的歲丈果。
另外，例如在非專利文獻1中存在以下7>開。在同一矽基 板的霍爾元件的正下方配置用於產生垂直磁場成分的垂直方向 磁場產生用線圈，通過由霍爾元件來檢測由該垂直方向磁場產 生用線圈所產生的垂直磁場成分來測量靈敏度並進行校正。
然而，在該結構中只能產生垂直方向^茲場。由此，在對相 互正交的兩軸或者三軸的磁成分具有靈敏度的磁傳感器結構 中，無法使用內部線圈來測量所有軸的靈敏度。
如上所述，專利文獻1至3以及非專利文獻1所記載的內容 為如下。以各種方式來實現霍爾元件或者磁傳感器的靈敏度校 正。不管哪一篇文獻都是與能夠檢測相互正交的兩軸或者三軸 磁場的磁傳感器相關的內容。在那些文獻中，關於不4吏用外部 線圈而用於測量磁傳感器的各軸方向的靈敏度的具體結構、也 就是說在磁性體與霍爾元件之間配置靈敏度測量用內部線圈的 結構,沒有任何公開。本發明是鑑於這種狀況而完成的。其目的在於，提供一種 使具備半導體基板和磁性體的兩軸或者三軸的磁傳感器不使用 夕卜部的靈敏度測量用磁場產生源而具有測量磁傳感器的各軸方 向的靈敏度的功能的磁傳感器及其靈敏度測量方法，其中，上 述半導體基板相互分離地設置有多個霍爾元件，上述磁性體設 置在該半導體基板上。
專利文獻l:日本特開2002-71381號/>才艮
專利文獻2:曰本淨爭開2004—257995號/^才艮
專利文獻3:曰本淨爭開2007-24518號/>才艮
非專利文獻 1 : "Autocalibration of silicon Hall devices，，(P丄.Simonet al. Sensors and Actuators A 52(1996) 203-207)

發明內容
本發明是為了達成這種目的而作出的，本發明的磁傳感器 具備相互分離地設置了多個磁感應部的半導體基板和設置在該 半導體基板上的f茲性體，上述磁感應部設置在上述磁性體的端 部區域，該/磁傳感器的特徵在於，在上述多個》茲感應部之間的 區域內並且在上述i茲感應部與上述磁性體之間具有在垂直於上 述f茲感應部的》茲感應方向的方向上產生水平》茲場成分的用於靈 敏度測量的水平》茲場產生單元，上述i茲感應部4全測由該水平磁 場產生單元產生的上述水平》茲場成分。
另夕卜，其特4正在於，上述磁感應部和上述水平磁場產生單 元相對於上述》茲性體配置在相同側。
另外，其特徵在於，由上述水平磁場產生單元產生的水平 磁場成分依賴於上述》茲性體的厚度並且依賴於該磁性體與上述 J茲感應部之間的3巨離。另外，其特徵在於，上述磁感應部是霍爾元件。 另外，其特徵在於，上述水平磁場產生單元是平面狀螺旋 型線圏。
另外，其特徵在於，在上述多個f茲感應部的各；茲感應部附 近設置有在平行於上述磁感應部的磁感應方向的方向上產生垂 直磁場成分的用於靈敏度測量的垂直磁場產生單元，上述磁感
應部#r測由該垂直方向》茲場產生用單元產生的上述垂直》茲場成 分。
另外，其特徵在於，上述垂直磁場產生單元配置在與上述 水平》茲場產生單元相同側的平面上並且在上述》茲感應部的正上 方。
另外，其特徵在於，上述垂直磁場產生單元配置在上述》茲 性體的端部區域，位於在與上述水平》茲場產生單元不同的平面 上並且在上述石茲感應部的正下方。
另外，其特徵在於，由上述垂直磁場產生單元產生的垂直 磁場成分的磁通密度依賴於上述磁性體與上述磁感應部之間的 距離。
另外，其特徵在於，上述垂直磁場產生單元是環型線圈。 另外，其特徵在於，具有相互正交的兩軸或者三軸的檢測軸。
另外，其特徵在於，具備靈敏度運算部，該靈敏度運算部 #4居來自上述萬茲傳感器的多個^茲感應部的與各軸相關的》茲場強 度信息來運算靈敏度。
另外，其特徵在於，上述靈敏度運算部具備軸成分分解 部，其將來自上述磁傳感器的磁場強度信息分解為每個軸的成 分；靈敏度判斷部，其將來自該軸成分分解部的磁場強度信息 的各軸成分與規定的基準值進行比較來判斷靈敏度；以及靈敏度校正部，其根據來自該靈敏度判斷部的靈敏度信息進行靈敏 度校正。
另外，其特徵在於，具備傳感器診斷部，該傳感器診斷部 根據來自上述靈敏度判斷部的靈敏度信息來自判斷上述磁傳感 器的靈敏度是否良好。
另外，其特徵在於，具備對上述磁傳感器的水平方向磁場 產生用單元以及垂直方向^茲場產生用單元提供電流的至少一個 以上的電流源。
另外，本發明中的本發明的磁傳感器的靈敏度測量方法，
其特徵在於，具有以下步驟產生水平》茲場成分的步驟；由上 述磁感應部才企測上述水平^茲場成分的步驟；根據來自上述磁感 應部的磁通密度來運算靈敏度的步驟；產生上述垂直磁場成分 的步驟；由上述磁感應部檢測上述垂直磁場成分的步驟；以及 根據來自上述磁感應部的磁通密度來運算靈敏度的步驟。
另外，其特徵在於，上述運算靈敏度的步驟具有以下步驟 由軸成分分解部將來自上述磁傳感器的磁場強度信息分解為每 個軸成分的步驟；由靈敏度判斷部將來自上述軸成分分解部的 磁場強度信息的各軸成分與規定的基準值進行比較來判斷靈敏
靈敏度信息來進行靈敏度校正的步驟。
另外，其特徵在於，該靈敏度測量方法具有由傳感器診斷 部根據來自上述靈敏度判斷部的靈敏度信息來對上述磁傳感器 的靈敏度是否良好進行自診斷的步驟。
根據本發明磁傳感器，成為以下結構。也就是說具備相互 分離地設置了多個霍爾元件的半導體基板和設置在該半導體基 板上的磁性體。在多個霍爾元件之間的區域內並且在霍爾元件 與》茲性體之間i殳置有在垂直於^茲感應部的》茲感應方向的方向上產生水平磁場成分的水平方向磁場產生用單元。由設置在磁性 體端部區域的霍爾元件來檢測由該水平方向》茲場產生用單元產 生的水平磁場成分。並且，在多個霍爾元件的各霍爾元件附近 設置有產生平行於》茲感應部的》茲感應方向的垂直磁場成分的垂 直方向磁場產生用單元。由霍爾元件來才企測由該垂直方向磁場 產生用單元產生的垂直磁場成分。由此，能夠測量磁傳感器對 垂直方向石茲場的靈敏度和對水平方向》茲場的靈壽丈度。
並且，能夠具有如下功能對於磁傳感器的相互正交的三 軸方向的靈敏度，校正因霍爾元件形成時、磁性體形成時的工 藝依賴性偏差或集成電路所具有的靈敏度偏差而產生的靈敏度 偏移量。
另外，這種磁傳感器具備根據來自》茲傳感器的多個磁感應 部的與各軸相關的磁場強度信息來運算靈敏度的靈敏度運算
部，因此能夠對靈敏度偏移進行靈敏度自校正，並且能夠通過 磁傳感器的靈敏度是否良好的判斷進行自診斷。


圖l是用於說明以往的磁傳感器的結構圖。
圖2是用於說明以往的霍爾傳感器的靈敏度校正的結構圖。
圖3是表示本發明所涉及的磁傳感器中的霍爾元件周邊的 磁通分布的圖。
圖4A是表示本發明的具有靈敏度測量功能的磁傳感器的 一個實施例的俯一見圖。
圖4B是表示本發明的具有靈敏度測量功能的磁傳感器的 一個實施例的截面圖。圖5B是表示本發明所涉及的磁傳感器的由水平方向磁場 產生用線圈產生水平磁場成分的狀態的示意圖的截面圖。
圖6A是表示本發明所涉及的磁傳感器的由垂直方向磁場 產生用線圏產生垂直磁場成分的狀態的示意圖的俯視圖。
圖6B是表示本發明所涉及的磁傳感器的由垂直方向》茲場 產生用線圈產生垂直磁場成分的狀態的示意圖的截面圖。
圖7是本發明所涉及的磁傳感器的靈敏度測量裝置的結構圖。
圖8A是表示用於說明本發明所涉及的磁傳感器的靈敏度 測量裝置中的靈敏度測量方法的流程圖。
圖8B是表示用於說明本發明所涉及的磁傳感器的靈敏度 測量裝置中的靈敏度測量方法的流程圖。
圖9是表示在將聚磁板的厚度作為參數而進行改變的情況 下的、磁感應面中的磁通密度(T)(絕對值)相對於霍爾元件與聚 磁板底面間距離Om)的關係的圖，示出靈敏度自診斷時的平面 狀螺旋型線圈的例子。
圖IO是表示在將霍爾元件(He)與聚磁板(磁性體；Mc)底面 間距離作為參數而進行改變的情況下的、聚磁板的厚度T(pm) 與磁感應面中的磁通密度(T)(絕對值)之間關係的圖，示出靈敏 度自診斷時的平面狀螺旋型線圈的例子。
圖ll是表示與圖9對應的相對變化的圖。
圖12是表示與圖IO對應的相對變化的圖。
圖13是表示在將聚磁板的厚度作為參數而進行改變的情況 下的、,茲感應面中的》茲通密度(T)(絕對值)相對於霍爾元件與聚 磁板底面間距離(pm)的關係的圖，示出靈敏度自診斷時的環型 線圏的例子。
圖14是表示在將霍爾元件(He)與聚磁板(磁性體；Mc)底面間距離作為參數而進行改變的情況下的、聚磁板的厚度T(jim) 與磁感應面中的磁通密度(T)(絕對值)之間的關係的圖，示出靈 敏度自診斷時的環型線圏的例子。
圖15是表示與圖13相對應地、按照每個參數從基準位置看 時的相對變化的圖。
圖16是表示與圖14相對應地、按照每個參數從基準位置看 時的相對變化的圖。
具體實施例方式
下面參照

本發明的實施例。
在下面的實施例中，作為^茲感應部例示出霍爾元件來進行 說明，但是本發明不限於霍爾元件，只要是能夠檢測相對於磁 性體垂直方向的i茲場的^茲感應部，就都能夠應用(》茲阻元件、其 它)。
圖3是表示本發明的磁傳感器中霍爾元件周邊的磁通分布 的圖。圖中實線所示的曲線示出取決於磁性體的聚磁功能的水 平-垂直磁變換特性。在半導體基板13的端部分別示出峰值，向 中心具有平緩的傾斜。此外，圖中附圖標記14a、 14b表示霍爾 元件，15表示》茲性體。
在此，能夠根據磁傳感器的用途來選擇霍爾元件的最佳配 置位置。例如，在^f吏水平方向和垂直方向的f茲場靈壽丈度比一致 的情況下，比起將霍爾元件放置為靠近端部，將霍爾元件放置 於稍微靠近磁性體中央的位置上較好。例如，在使水平方向磁 場靈敏度儘可能大的情況下，將霍爾元件配置在磁性體端部較 好。
此外，在》茲感應部被配置為離開^茲性體端部而更靠中央的 情況下，最好環型線圈也配置在》茲感應部的正上/正下方附近。圖4 A以及圖4 B是表示本發明的具有靈敏度測量功能的磁 傳感器的一個實施例的結構圖，圖4A是俯視圖，圖4B是截面圖。 圖中附圖標記21a、 21b表示X軸霍爾元件，21c、 21d表示Y軸霍 爾元件，22表示》茲性體(聚磁板；圓板)，23表示水平方向》茲場 產生用線圈，24a至24d表示垂直方向磁場產生用線圏。
在本發明中，磁傳感器為如下結構。多個霍爾元件21a、 21b(X軸霍爾元件)以及21c、 21d(Y軸霍爾元件)淨皮相隔地設置在 半導體基板上(未圖示)，在該半導體基板上覆蓋各霍爾元件地 設置有具有聚磁功能的磁性體22。
如已在專利文獻1以及專利文獻2中公開的那樣，霍爾元件 21a至21d通過與具有聚磁功能的磁性體22組合而具有三個坐標 軸或者兩個坐標軸相互正交的兩軸坐標系或者三軸坐標系、即 相互正交的兩軸或者三軸的^:測軸。
另外，在本發明中，在多個霍爾元件間的區域內並且在霍 爾元件21a至21d與》茲性體22之間，設置有在垂直於》茲感應部的 磁感應方向的方向上產生水平磁場成分的用於靈敏度測量的水 平磁場產生用線圈23。其構成為由設置在^f茲性體22端部區域的 霍爾元件21a至21d來檢測由該水平方向磁場產生用線圏23產生 的水平磁場成分。
如圖5B所示，在,茲性體端部附近產生與水平/ 茲場成分相關 的垂直》茲場成分，由霍爾元件來才企測該垂直》茲場成分，由此進
行水平》茲場成分的糹全測。
另外，霍爾元件21a至21d與水平方向磁場產生用線圈23構 成為配置在^f茲性體22的相同側。另外，水平方向磁場產生用線 圈23最好是平面狀的螺旋型線圏，但是也考慮其外形為圓形、 八角形、四角形等各種形狀。另外，其大小、匝數也能夠根據 所產生的磁場的效率、聚磁板的直徑以及霍爾元件的配置等進行各種選擇。
水平方向磁場產生用線圈23能夠在通常的IC工藝中使用
金屬布線層來製作。在這種情況下，能夠結合所需的磁場產生 量和線圏效率來選擇是使用金屬的離基板近的層還是遠的層， 或者是利用多個布線層。
另外，在多個霍爾元件21a至21d的各個附近設置有在與上 述》茲感應部的f茲感應方向平^f於的方向上產生垂直^茲場成分的垂 直方向i茲場產生用線圏24a至24d。構成為由i殳置在》茲性體22端 部區域上的霍爾元件21a至21d來4全測由該垂直方向^茲場產生用 線圈24a至24d所產生的垂直f茲場成分。
因而，霍爾元件21a至21d兼備由水平方向磁場產生用線圈 2 3所產生的水平》茲場成分的才僉測和由垂直方向萬茲場產生用線圈 24a至24d所產生的垂直》茲場成分的檢測。
另外，垂直方向磁場產生用線圈24a至24d構成為被配置在 磁性體22的端部區域，配置在基板上的與水平方向磁場產生用 線圈23相同的平面側並且在霍爾元件21a至21d的正上方。
另外，垂直方向磁場產生用線圈24a至24d還能夠配置在磁 性體22的端部區域，配置在與水平方向》茲場產生用線圈23不同 的平面上並且在霍爾元件21a至21d的正下方
該垂直方向磁場產生用線圈24a至24d最好是環型線圏，根 據霍爾元件的形狀、大小、數量等，環型線圈的形狀能夠選擇 圓形、正方形、長方形等各種形狀。
垂直方向磁場產生用線圏24能夠在通常的IC工藝中使用 金屬布線層來製作。在這種情況下，能夠結合所需的磁場產生 量和線圏效率來選擇使用金屬的與基板接近的層還是遠的層， 或者是利用多個布線層。
圖5A以及圖5B是表示本發明所涉及的磁傳感器的由水平方向磁場產生用線圈產生水平磁場成分的狀態的示意圖，圖5A 是俯視圖，圖5B是截面圖。
當對水平方向磁場產生用線圏23通電時，如圖5B中的箭頭 所示，在與石茲感應部的,茲感應方向垂直的方向上產生水平-茲場 成分(X軸成分、Y軸成分)，在》茲性體22和霍爾元件21a至21d之 間產生垂直磁場成分(Z軸成分)。
該垂直^f茲場成分與水平^f茲場成分相關，因此通過由霍爾元 件21a至21d來4企測該垂直,茲場成分，能夠一企測在與》茲感應部的 f茲感應方向垂直的方向上產生的水平石茲場成分的強度。
也就是說，霍爾元件21a至21d能夠;險測由水平方向》茲場產 生用線圏23產生的、與,茲感應部的i茲感應方向垂直的方向上的 水平》茲場成分。
圖6A以及圖6B是表示本發明所涉及的磁傳感器的由垂直 方向磁場產生用線圈產生垂直磁場成分的狀態的示意圖。圖6A 是俯視圖，圖6B是截面圖。
當對垂直方向》茲場產生用線圈24a至24d通電時，如圖6B中 的箭頭所示，在^茲性體22和霍爾元件21a至21d之間產生垂直磁 場成分(Z軸成分)。通過由霍爾元件21a至21d4企測該垂直萬茲場成 分，能夠4企測垂直磁場成分的強度。也就是說，霍爾元件21a 至21d能夠檢測由垂直方向磁場產生用線圈24a至24d產生的、磁 性體22和霍爾元件21a至21d之間的垂直》茲場成分。
在此，由水平方向f茲場產生用線圏23產生的水平^茲場成分 依賴於磁傳感器的磁性體22的厚度、該磁性體22與霍爾元件21a 至21 d之間的距離。由垂直方向》茲場產生用線圏24a至24d產生的 垂直i茲場成分依賴於磁性體22與霍爾元件21a至21d之間的距 離。
圖7是本發明所涉及的具有靈敏度測量功能的磁傳感器的結構圖。圖中附圖標記31表示磁感應部，32表示切換部，33表 示放大部，34表示靈壽文度運算部，34a表示軸成分分解部，34b 表示靈敏度判斷部，34c表示靈敏度校正部，35表示輸出部，36 表示控制部，37、 38表示電流源，39表示傳感器診斷部。》茲感 應部31的結構如圖4所示。通過切換部32以包4舌霍爾元件21a至 21d中的任意 一 個或者其組合的磁信號的結構來時分割(time division)選擇由磁感應部31的霍爾元件21a至21d檢測出的磁通 密度，通過放大部33輸入到靈敏度運算部34。該靈敏度運算部 34根據由切換部32選擇的來自磁感應部31的霍爾元件21a至21d 的磁信號，算出相互正交的水平方向(X，Y)、垂直方向(Z)的磁 靈敏度(信號成分)。
該靈敏度運算部34具備軸成分分解部34a，其將來自磁感 應部31的磁信號分解為各軸磁成分；靈敏度判斷部34b,其將來 自該軸成分分解部34a的各軸的磁場強度與基準值進行比較來 判斷靈敏度；以及靈敏度校正部34c,其根據來自該靈敏度判斷 部34b的靈敏度信息來進行靈敏度校正。
另外，控制部36控制來自第一電流源37和第二電流源38的 電流供給，並且控制靈敏度運算部34的靈敏度運算功能，其中， 上述第 一 電流源3 7對磁傳感器的水平方向磁場產生用線圈2 3提 供電流，第二電流源38對磁傳感器的垂直磁場產生用線圏24a 至24d提供電流。在結構上，電流源37和38是分開設置的，但是 實際上也可以兼用。
說明由具有這種結構的靈敏度測量裝置所進行的信號處
理g
通過電流源37、 38對水平方向》茲場產生用線圏23或/和垂直 》茲場產生用線圈24a至24d通電來產生》茲場。所產生的磁場通過 磁性體22，貫穿形成在集成電路平面上的霍爾元件的磁感應面，從而磁場一皮4全測。作為磁;險測部的配置，霍爾元件配置在夾著 磁性體22並且在X、 Y各軸方向上相對的位置上。將相對的霍爾 元件中X軸一側設為X1、另一側設為X2，將Y軸一側設為Y1、 另一側設為Y2。在此，XI、 X2、 Yl、 Y2也可以分別由多個磁 感應部構成。另外，如同上述一樣》茲感應部不限於霍爾元件。
由磁檢測部31來檢測，通過切換部3 2以及放大部3 3例如時 分割地檢測X1、 X2、 Yl、 Y2。然後，在f茲感應運算部34的軸 成分分解部34a中被分解為X、 Y、 Z軸成分。在靈敏度判斷部34b 中，被分解的X、 Y、 Z軸的各成分與基準值進行比較而進行診 斷(自診斷)。
下面示出軸成分分解過程的一個例子。
對通過上述過程獲取的X1、 X2、 Yl、 Y2的各輸出進行如 下運算。通過對相對的磁感應部輸出進行差處理來得到水平方 向成分。
(XI-X2)-係數xHx
(Yl-Y2卜係數xHy
與此相對，(相對於X/Y軸)垂直的Z軸進4亍和處理。 (Yl+Y2"係數xHz
由此，得到與X、 Y、 Z軸相關的磁場強度。 實際上，從平面狀螺旋型線圏產生的水平方向磁場在磁性 體端部變成相同的縱向的磁場而入射到各霍爾元件，上述運算 結果作為Z軸方向信號而被算出。但是，所算出的磁測量值與 本磁傳感器對於從平面狀螺旋型線圈產生的水平方向磁場的靈 敏度相關，並且也與對來自外部的均勻水平方向磁場的靈敏度 相關。
另一方面，在環型線圏的情況下產生縱向/f茲場，^f旦是在例 如考慮X軸方向的情況下，根據使上述X1和乂2分別產生同方向的磁場、還是分別產生不同方向的磁場，所算出的磁測量值不同。
在產生同方向磁場的情況下，作為z軸方向信號而算出， 在不同方向的情況下作為x軸方向信號而算出。但是，所算出 的磁測量值與本》茲傳感器對/人環型線圏產生的垂直方向》茲場的 靈敏度相關，並且也與對來自外部的均勻垂直方向磁場的靈敏 度相關。
通過獲取不對線圈通電時的霍爾元件輸出和對線圈通電 時的霍爾元件輸出的差，能夠排除來自外部的幹擾磁場等的影 響，僅提取來自線圈的產生磁場所引起的信號。也可以為進行
線圈通電方向為正方向、負方向的兩次測量並獲耳又其差的方法。
接著說明靈敏度的自診斷功能。
能夠使用配置在霍爾元件正上方的環型線圈和配置在聚磁 板中央附近的平面狀螺旋型線圈。例如，對螺旋型線圏通電來 在線圈周邊產生水平方向的》茲場。該水平方向石茲場在穿過》茲性
體後，/磁通在f茲性體端部再次;故出到空間。此時,茲場方向具有 垂直方向成分，能夠由霍爾元件的磁感應面進行檢測。通過獲 取其與不對線圈通電時的測量值或者反方向通電時的測量值之
間的差，能夠僅提取來自線圈的產生磁場所引起的信號。相對 於基準電流所得到的信號值為靈敏度。
通過把握由霍爾元件所得到的靈敏度相對於靈敏度目標 值的差，能夠判斷本磁傳感器的水平方向磁場的靈敏度是否在 允許值以內。由此，判斷i茲性體、霍爾元件、並且電^各塊的功 能動作是否正常。
或者，對配置在霍爾元件正上方的環型線圈通電來在線圏 周邊產生》茲場，也能夠入射到霍爾元件的》茲感應面。由此，能 夠判斷本磁傳感器的垂直方向磁場的靈敏度是否在允許值以內。經過上述的處理，把握所得到的靈敏度相對於靈敏度目標 值的差來判斷磁性體、霍爾元件、並且每個電路塊的功能動作
狀況。這些運算由靈敏度判斷部34b以及控制它的控制部36來進行。
接著，說明靈敏度的自校正功能。
靈敏度判斷部3 4 b判斷由自診斷功能動作時所得到的靈敏 度與靈敏度目標值之間的差異量。根據差異量，靈敏度校正部 3 4 c根據該差異量對每個軸算出對外部均勻磁場的靈敏度的校 正量，並在靈敏度校正部34c內部的保險絲、非易失性存儲器等 中寫入靈敏度校正量。通常，靈敏度校正量在三軸的各軸上是 分散的，例如可以以X方向靈敏度為基準來i殳定Y方向、Z方向 的靈敏度校正量，也可以將各軸的測量值相對於標準值的差異 量分別設定為各軸的校正量。對由軸成分分解部34a分解得到的 各軸信號進行靈敏度校正，但是根據情況，還能夠應用於切換 部32、；改大部33、還有^茲感應部31。
接著，說明功能動作的診斷。
根據靈敏度判斷部34b的靈敏度信息，在其靈敏度偏移量在 允許範圍內的情況下，由靈敏度校正部34來校正靈敏度，通過 輸出部35得到正常的輸出信號(被判斷為合格品而出廠)。另夕卜， 傳感器診斷部39根據來自靈敏度運算部34的靈敏度判斷部34b 的靈敏度信息，對靈敏度是否良好進行自診斷。當被判斷為不 合格品時，不使用該磁傳感器(丟棄)。
本發明的靈敏度測量方法能夠在出廠時一起測試多個磁 傳感器，由此削減測試成本。另外，也能夠在用戶使用時進行 動作驗證。
接著，說明利用線圏的與診斷模式和測量模式的對應。 在圖4中，設為》茲性體22是圓形、半徑為155nm。霍爾元件21a、 21b、 21c、 21d分別配置成霍爾元件的中心位置離》茲性體 22的中心150pm。霍爾元件磁感應面大小是15pm。
設為霍爾元件-聚磁板底面間的垂直間距以10(im為中心， 在工藝上的偏差為悽tnm, i殳為半徑R可相對於155(im變動數iim 左右，厚度T可相對於13pm變動數^im左右，/磁性體的水平面內 位置能夠從中心位置變動數pm左右。
此時，對平面狀螺旋型線圈通電，在線圈周邊產生水平方 向的f茲場。該水平方向i茲場通過f茲性體，/磁通在》茲性體端部再 次^皮;故出到空間。此時萬茲場方向具有垂直方向的成分，能夠由 霍爾元件的》茲感應面才全測。在該結構中，》茲性體與霍爾元件間 的垂直方向間距變動/,茲性體的直徑變動M茲性體的水平面內位 置偏移/磁性體的厚度變動等成為磁感應面中的磁場強度變化 (靈敏度變化)而能夠進行檢測。通過對配置在霍爾元件的正上 方的環型線圈通電，主要是磁性體與霍爾元件間的垂直方向間 距變動M茲性體直徑變動/》茲性體水平面內位置偏移等成為》茲感 應面中的磁場強度變化(靈敏度變化)而能夠進行檢測。
例如，每當工藝變動時，預先校正診斷模式下的各種線圈 磁場引起的各軸的靈敏度比和測量模式下的各軸的靈敏度比。 根據校正曲線，由靈敏度校正部34c來校正靈敏度(靈敏度調 整)。優選對輸出到輸出部35的被分解為各軸的磁輸出數據以數 值進行校正量的校正的方法，但是不限於此，也可應用於其它 校正手段。在後級電路塊中的增益偏移基本上是作為X、 Y、 Z 整體的靈敏度偏移。在需要進行也包括各軸靈敏度的絕對值在 內的校正的情況下，最好進行也包括該電路塊中的增益變動在 內的校正。在僅使各軸的靈敏度比固定即可的情況下，也可以 不校正整體增益變動而以某 一 個軸為基準來校正其它軸的靈敏 度比。詳細說明與上述條件下的平面狀螺旋型線圈、環型線圈相 應的由工藝變動引起的靈敏度的狀態。
圖9是表示霍爾元件和聚》茲板底面間距離Om)與磁感應面 中的磁通密度(T)(絕對值)之間關係的圖。將聚磁板的厚度設為 參數。圖10是表示聚》茲板厚度T((Lim)與》茲感應面中的》茲通密度 (T)(絕對值)之間的關係的圖。將霍爾元件(He)與聚磁板(Mc)底 面間距離Lim)設為參數。
兩圖都示出靈敏度自診斷時的平面狀螺旋型線圈的例子。 此外，圖ll以及圖12是與圖9以及圖IO相對應地、按照每個參數 從基準位置看時的相對變化的圖。
關於平面狀螺旋型線圈，可舉出如下結構例。聚磁板(圓形) 直徑為310 p m ，霍爾元件配置在從聚磁板端部起向內側(線圈下 側)5pm的位置上。設線圈形狀為八角形、線圈布線寬度為4pm、 布線間隔為1 pm 、 對線圈通lmA電流，/人線圈中心起在 120~20|im間有20匪和在120~70nm間有10匝。由平面狀螺旋型 線圈產生的水平方向磁場經由聚磁板，在會聚板端部變成垂直 方向成分，被霍爾元件4全測。
在霍爾元件和聚》茲板底面間距離(垂直間距)是9 ~ 11 n m的 情況下，在聚》茲才反厚度為10 16nm的範圍內，通以lmA電流時 的霍爾元件》茲感應面中的/f茲場強度大致為55pT。在垂直間距為 9-lliim的情況下，靈敏度是約7%左右的靈敏度變化。在聚磁 板厚是10 16^im的情況下，發現約2%左右的靈敏度變化。由此 可知在磁場垂直間距、聚磁板厚度變動的情況下，霍爾元件對 於水平方向磁場感知到的》茲場靈敏度非偶然地進行變化。
關於環型線圈，可舉出如下結構例。
圖13是表示磁感應面中的磁通密度(T)(絕對值)相對於霍爾 元件與聚磁板底面間距離(pm)的關係的圖。將聚磁板的厚度變化設為參數。
圖14是表示聚》茲板的厚度T((im)與磁感應面中的》茲通密度 (T)(絕對值)之間關係的圖。將霍爾元件(He)與聚磁板(磁性體 Mc)底面間距離的變化設為參數。
兩圖都示出靈敏度自診斷時的環型線圈的例子。此外，圖 15以及圖16是與圖13以及圖14相對應地、4姿照每個參數從基準 位置看時的相對變化的圖。
設為聚磁板(圓形)直徑為310^m、霍爾元件配置在從聚磁 才反端部起向內側(線圈下側)5(im的位置上、線圈形狀為長方形、 線圈布線寬度為4fim、布線間隔為lnm、 l匝、對線圏通以lmA 電流。由環型線圈產生的垂直方向》茲場#1線圈正下方的霍爾元 件檢測。
在霍爾元件與聚》茲^反底面間距離(垂直間距)為9 12pm的 情況下，聚磁板厚為12pm、通以lmA電流時的霍爾元件磁感應 面中的磁場強度大致為64)iT。在垂直間距為9 llpm的情況下， 靈敏度存在約5%左右的靈敏度變化。在聚磁板厚度為10 16pm 的情況下，發現約1%以下的靈壽文度變化。由此可知在垂直間距 變動的情況下，霍爾元件對垂直方向磁場檢測到的磁場靈敏度 非偶然地進行變化。
圖8A以及圖8B是表示用於說明本發明所涉及的磁傳感器 的靈敏度測量裝置中的靈敏度測量方法的流程圖。本發明的磁 傳感器的靈敏度測量方法是測量圖4所示的磁傳感器的靈敏度 的靈敏度測量方法。
首先，設定靈敏度模式(步驟S1)，不使電流流過垂直^f茲場 產生線圈以及水平磁場產生線圈(步驟S2)。接著，由第一至第 四磁傳感器來測量磁場強度(步驟S3)。接著，存儲第一測量數 據(步驟S4)。接著，使電流流過垂直磁場產生線圏來產生磁場(步驟S5)。接著，由第一至第四磁傳感器來測量磁場強度(步驟
S6)。接著，存儲第二測量數據(步驟S7)。
接著，使反向電流流過垂直磁場產生線圏來產生反向磁場 (步驟S8)。接著，由第一至第四磁傳感器來測量磁場強度(步驟 S9)。接著，存儲第三測量數據(步驟SIO)。接著，使電流流過 水平磁場產生線圏來產生磁場(步驟Sll)。接著，由第一至第四 磁傳感器來測量磁場強度(步驟S12)。接著，存儲第四測量數據 (步驟S13)。
接著，使反向電流流過水平^ 茲場產生線圈來產生反向》茲場 (步驟S14)。接著，由第一至第四磁傳感器來測量磁場強度(步 驟S15)。接著，存儲第五測量數據(步驟S16)。
接著，根據第一測量數據、第二測量數據、第三測量數據 的全部或者兩個的組合來算出相互正交的兩軸或者三軸方向的 磁場成分數據(步驟S17)。接著，將磁場成分數據存儲為第一磁 場靈敏度數據(步驟S18)。
接著，根據第一測量數據、第四測量數據、第五測量數據 的全部或者兩個的組合來算出相互正交的兩軸或者三軸方向的 磁場成分數據(步驟S19)。接著，將磁場成分數據存儲為第二磁 場靈敏度數據(步驟S20)。
接著，根據第 一磁場成分數據以及第二磁場成分數據算出 兩軸或者三軸磁場靈敏度的校正係數(步驟S21)。接著，存儲校 正係數(步驟S22)。由此，能夠對靈敏度偏移進行靈敏度自校正， 並且能夠通過磁傳感器的靈敏度是否良好的判斷進行自診斷。
產業上的可利用性
本發明涉及一種用於使具備半導體基板和磁性體的磁傳感
器具有靈敏度測量功能的磁傳感器及其靈敏度測量方法，能夠 測量》茲傳感器對垂直方向》茲場的靈每丈度和對水平方向》茲場的靈敏度，其中，上述半導體基板相互分離地設置多個霍爾元件，
上述磁性體設置在該半導體基板上。另外，具有如下功能對
於磁傳感器的相互正交的三軸方向的靈敏度，能夠校正因霍爾 元件形成時、磁性體形成時的工藝依賴性偏差或集成電路所具 有的靈敏度偏差而產生的靈敏度偏移量。並且，能夠通過磁傳 感器的靈敏度是否良好的判斷進行自診斷，能夠進行對靈敏度 偏移的靈敏度自校正(調整)。
權利要求
1.一種磁傳感器，其具備相互分離地設置了多個磁感應部的半導體基板和設置在該半導體基板上的磁性體，上述磁感應部設置在上述磁性體的端部區域，該磁傳感器的特徵在於，在上述多個磁感應部間的區域內並且在上述磁感應部和上述磁性體之間具有用於靈敏度測量的水平磁場產生單元，該水平磁場產生單元在與上述磁感應部的磁感應方向垂直的方向上產生水平磁場成分，上述磁感應部檢測由該水平磁場產生單元所產生的上述水平磁場成分。
2. 根據權利要求l所述的磁傳感器，其特徵在於，上述f茲感應部和上述水平》茲場產生單元相y十於上述,茲性體 配置在相同側。
3. 根據權利要求1或2所述的磁傳感器，其特徵在於， 由上述水平磁場產生單元產生的水平磁場成分依賴於上述磁性體的厚度並且依賴於該^茲性體與上述》茲感應部之間的距 離。
4. 根據權利要求l、 2或3所述的磁傳感器，其特徵在於， 上述萬茲感應部是霍爾元件。
5. 根據權利要求1至4中的任一項所述的磁傳感器，其特徵 在於，上述水平磁場產生單元是平面狀螺旋型線圈。
6. 根據權利要求1至5中的任一項所述的磁傳感器，其特徵 在於，在上述多個》茲感應部的各^茲感應部附近i殳置用於靈敏度測 量的垂直》茲場產生單元，該垂直》茲場產生單元在與上述磁感應 部的》茲感應方向平行的方向上產生垂直石茲場成分，上述磁感應 部衝全測由該垂直方向^茲場產生用單元所產生的上述垂直^t場成 分。
7. 根據權利要求6所述的磁傳感器，其特徵在於，上述垂直磁場產生單元配置在與上述水平磁場產生單元相 同側的平面上並且在上述；茲感應部的正上方。
8. 根據權利要求6所述的磁傳感器，其特徵在於， 上述垂直磁場產生單元配置在上述i茲性體的端部區域，位於在與上述水平磁場產生單元不同的平面上並且在上述》茲感應 部的正下方。
9. 根據權利要求6、 7或8所述的磁傳感器，其特徵在於， 由上述垂直》茲場產生單元產生的垂直磁場成分的》茲通密度依賴於上述磁性體與上述磁感應部之間的距離。
10. 根據權利要求6至9中的任一項所述的磁傳感器，其特 徵在於，上述垂直磁場產生單元是環型線圈。
11. 根據權利要求1至10中的任一項所述的磁傳感器，其特 徵在於，具有相互正交的兩軸或者三軸的檢測軸。
12. 根據權利要求l至ll中的任一項所述的磁傳感器，其特 徵在於，具備靈敏度運算部，該靈敏度運算部根據來自上述磁傳感 器的多個磁感應部的與各軸相關的磁場強度信息來運算靈敏 度。
13. 根據權利要求12所述的磁傳感器，其特徵在於， 上述靈敏度運算部具備軸成分分解部，其將來自上述磁傳感器的磁場強度信息分解為每個軸的成分；靈敏度判斷部， 其將來自該軸成分分解部的磁場強度信息的各軸成分與規定的 基準值進行比較來判斷靈敏度；以及靈敏度校正部，其根據來 自該靈敏度判斷部的靈敏度信息進行靈敏度校正。
14. 根據權利要求13所述的磁傳感器，其特徵在於， 具備傳感器診斷部，該傳感器診斷部根據來自上述靈敏度判斷部的靈敏度信息來對上述磁傳感器的靈敏度是否良好進行 自診斷。
15. 根據權利要求6至14中的任一項所述的磁傳感器，其特 徵在於，具備對上述》茲傳感器的水平方向^茲場產生用單元以及垂直 方向磁場產生用單元提供電流的至少 一 個以上的電流源。
16. —種磁傳感器的靈敏度測量方法，是權利要求1至15 中的任一項所述的磁傳感器的靈敏度測量方法，其特徵在於， 該靈敏度測量方法具有以下步驟產生水平磁場成分的步驟；由上述；茲感應部4全測上述水平》茲場成分的步驟；根據來自上述磁感應部的磁通密度來運算靈敏度的步驟；產生上述垂直磁場成分的步驟；由上述》茲感應部;險測上述垂直^茲場成分的步驟；以及 根據來自上述磁感應部的磁通密度來運算靈敏度的步驟。
17. 根據權利要求16所述的磁傳感器的靈敏度測量方法， 其特徵在於，上述運算靈敏度的步驟具有以下步驟由軸成分分解部將 來自上述磁傳感器的磁場強度信息分解為每個軸成分的步驟； 由靈敏度判斷部將來自上述軸成分分解部的磁場強度信息的各 軸成分與規定的基準值進行比較來判斷靈敏度的步驟；以及由靈敏度校正的步驟。
18. 根據權利要求16或17所述的磁傳感器的靈敏度測量方 法，其特徵在於，該靈敏度測量方法具有由傳感器診斷部根據來自上述靈敏 度判斷部的靈敏度信息來對上述磁傳感器的靈敏度是否良好進 行自診斷的步驟。
全文摘要
本發明涉及一種在設有多個霍爾元件的半導體基板上設置了磁性體的具有靈敏度測量功能的磁傳感器和靈敏度測量裝置及其方法。由磁感應部(31)檢測的磁通密度被切換部(32)提取各軸的磁場強度信息，通過放大部(33)被輸入到靈敏度運算部(34)。靈敏度運算部(34)根據來自磁感應部(31)的與各軸相關的磁場強度信息來運算靈敏度。靈敏度運算部具備軸成分分解部(34a)，其將來自磁感應部(31)的磁通密度分解為各軸的磁成分；靈敏度判斷部(34b)，其將來自軸成分分解部(34a)的磁場強度的各軸成分與基準值進行比較來判斷靈敏度；以及靈敏度校正部(34c)，其根據來自靈敏度判斷部(34b)的靈敏度信息進行靈敏度校正。傳感器診斷部(39)根據靈敏度信息自診斷磁傳感器的靈敏度是否良好並進行靈敏度自校正(調整)。
文檔編號G01R33/07GK101641609SQ20088000956
公開日2010年2月3日 申請日期2008年3月21日 優先權日2007年3月23日
發明者山下昌哉, 山縣曜 申請人:旭化成微電子株式會社