半導体基板上に形成された磁気センサ

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【発明の名称】	半導体基板上に形成された磁気センサ
【発明者】	【氏名】ローラン・シェジ【氏名】パベル・ケジャック
【要約】	【課題】電流消費が低く、極く弱い外部磁場を検出することができ、また直交する２つの方向に沿って磁場を検出することができる磁気センサを提供する。【解決手段】ＣＭＯＳ技法によって、平行六面体の形状を有する半導体基板（１）上に作成された平面磁気センサである。この磁気センサは、励磁コイル（９）の外側輪郭（９０）によって形成される矩形の２本の対角線を占めるギリシャ十字の形状をしたアモルファス強磁性コア（１０）を含む。これにより、直列に、かつ差動配列で取り付けられた平坦な検出コイル（７０、８０、および７１、８１）を介して、外部磁場（Ｈｅｘｔ）の２つの直交成分（Ｈ１、Ｈ２）が測定される。

【特許請求の範囲】
【請求項１】半導体基板（１）上に作成されたほぼ平面の磁気センサであって、ほぼ平面であり、かつ前記基板（１）の大きな平面（２）上に作成された、少なくとも１つの磁気コア（１０）と、少なくとも１つの励磁回路（９）と、基板（１）の前記大きな面（２）上に作成された少なくとも２つの平面検出コイル（７０、８０、７１、８１）で形成された少なくとも１つの検出回路とを含み、前記励磁回路が、ほぼ矩形の外形を有する単一の平面コイル（９）で形成されること、および前記１つまたは複数の磁気コア（１０、１０１Ａ、１０１Ｂ、１０２Ａ、１０２Ｂ）が、前記平面励磁コイル（９）の外側輪郭（９０）によって形成される幾何学的な矩形の２本の対角線に沿ってギリシャ十字形に配列された細長いコアであることを特徴とする磁気センサ。
【請求項２】前記磁気コア（１０）が単一のモノブロック・コアであり、前記対角線に沿って配列されたギリシャ十字の形状を有することを特徴とする請求項１に記載の磁気センサ。
【請求項３】検出回路が、モノブロック・ギリシャ十字の形状をした前記磁気コイル（１０）の４つの自由端の位置にそれぞれ配置された４つの検出コイル（７０、８０、７１、８１）で形成されることを特徴とする請求項２に記載の磁気センサ。
【請求項４】前記矩形（９０）の対角線の一方の上にそれぞれ位置決めされた１つまたは複数の磁気コア（１０１、１０２）が全て、検出コイル（７０、８０、７１、８１）、および測定すべき外部磁場（Ｈｅｘｔ）の直交成分（Ｈ１；Ｈ２）の一方の測定とそれぞれ関係する電子測定回路（２０、２３、２４）と関連づけられることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか一項に記載の磁気センサ。
【請求項５】同一の対角線（１０２）と関連づけられた検出コイル（７０、８０）が、直列に、かつ差動配列で取り付けられることを特徴とする請求項４に記載の磁気センサ。
【請求項６】交番する正負のパルスの連続で形成された励磁電流（１８）を加工する電子制御回路（１５、１６）も含むことを特徴とする請求項１ないし５のいずれか一項に記載の磁気センサ。
【請求項７】前記励磁パルス（１８）が比較的低いデューティ・サイクルを有することを特徴とする請求項６に記載の磁気センサ。
【請求項８】前記デューティ・サイクルが１／８程度であることを特徴とする請求項７に記載の磁気センサ。
【請求項９】前記関連づけられた電子回路（１５、１６、２０、２３、２４）が、ＣＭＯＳ集積化技法によって、基板の前記大きな面（２）上に作成されることを特徴とする請求項４ないし８のいずれか一項に記載の磁気センサ。
【請求項１０】前記対角線のそれぞれと関連づけられた電子回路が、少なくとも、加えられたクロック・パルス（１１）の周波数（ｆ₀）を分周する回路（２）と、励磁パルス（１８）のための加工および整形回路（１６）と、励磁周波数（ｆ）の２倍周波数（２ｆ）で制御された整流器回路（２０）と、平滑化および増幅回路（２３、２４）とを含むことを特徴とする請求項４ないし９のいずれか一項に記載の磁気センサ。
【請求項１１】前記１つまたは複数の磁気コアが、アモルファス材料から形成されることを特徴とする請求項１ないし１０のいずれか一項に記載の磁気センサ。
【請求項１２】前記対角線に沿って配置された細長いバー（１０１Ａ、１０２Ａ、１０１Ｂ、１０２Ｂ）が楕円形の形状を有することを特徴とする請求項１ないし１１のいずれか一項に記載の磁気センサ。

【発明の詳細な説明】【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、特に集積回路上に作成されるほぼ平面の磁気センサに関する。この磁気センサは、フラックスゲート・タイプであり、通常は、例えば医療分野などで、きわめて低い値の磁場を平面中で検出するための磁力計に備え付けるためのものである。この場合、この磁力計は、このセンサが作成される基板中に関連する電子回路が一体化された状態で、ＣＭＯＳ技法を使用して作成されることが好ましい。
【０００２】
【従来の技術】１９９７年にポーランドの「ＥｕｒｏＳｅｎｓｏｒＸＩ」会議において提出された、ＳｗｉｓｓＦｅｄｅｒａｌＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙｏｆＬａｕｓａｎｎｅ（Ｓｗｉｔｚｅｒｌａｎｄ）のＬ．Ｃｈｉｅｓｉ、Ｊ．Ａ．Ｆｌａｇａｎａｎ、Ｂ．Ｊａｎｎｏｓｙ、およびＲ．Ｓ．Ｐｏｐｏｎｉｃ各位による出版物「ＩｎｔｅｇｒａｔｅｄＰｌａｎａｒＦｌｕｘｇａｔｅＳｅｎｓｏｒＷｉｔｈＡｍｏｒｐｈｏｕｓＭｅｔａｌＣｏｒｅ」を現況技術として引用することができる。
【０００３】この出版物には、シリコン基板上に一体化された平面磁気マイクロセンサが記載されており、これは従来技術の図として添付した図１に示してある。
【０００４】図１から分かるように、この磁気センサ、すなわち「フラックスゲート」センサは、平行六面体形のプレートで形成されたシリコンマイクロ基板１、または「シリコン・チップ」にＣＭＯＳ集積化技法によって作成されている。
【０００５】このマイクロセンサは、平行六面体基板１の大きな上面２上に一体化される。この平行六面体基板は、測定すべき外部磁場Ｈｅｘｔに対して、大きな面２が実際に外部磁場Ｈｅｘｔと同一平面上となるように位置決めされる。
【０００６】実際の磁気センサは、アモルファス金属材料の金属テープ、すなわちコア３を含み、テープ３の各末端にそれぞれ溶接された２本のアルミニウム・ワイヤ５、６によって伝達される励磁電流がそのテープを通って流れる。この励磁電流は周波数ｆの三角波形の交流であり、この交流が同じ周波数の磁場を発生させ、この磁場は、アモルファス強磁性コア３のテープの曲線Ｂ－Ｈ（磁束－磁場）の性質が非線形であるので、周期的に強磁性材料３を飽和させる。
【０００７】このセンサは、直列に、かつ対向して、すなわち差動配列で取り付けられた、２つの同一平面上の検出コイル７および８を含み、これらはそれぞれアモルファス強磁性テープすなわちコア３の一端に配置され、これにより、そこでそれぞれ各末端の漏れ磁場を測定する。
【０００８】アモルファス強磁性コア３の透磁率が非線形であるので、各コイル７または８によって検出される電圧は励磁周波数ｆの調波を含み、そのうちの偶数調波が測定すべき外部磁場Ｈｅｘｔに比例するので、偶数調波のみに注目する。したがって、一般に検出は周波数２ｆについて実行される。
【０００９】この既知のデバイスには、一方で、センサの相対位置を変更しなければ、直交する２つの方向に沿って外部磁場Ｈｅｘｔを測定することができず、またもう一方で、感度が足りないという欠点がある。さらに、その出力電圧は、励磁電流の周波数に依存し、その電流消費も比較的高い。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、図１によるセンサと同様であるが、前述の欠点を有さず、特にその電流消費が低く、きわめて弱い強度の外部磁場Ｈｅｘｔでも検出することができ、また直交する２つの方向に沿った磁場を検出することができるという点で、その性能が大幅に改善された磁気センサを提供することである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】したがって、本発明は、半導体基板上に作成されたほぼ平面の磁気センサに関し、このセンサは、ほぼ平面であり、かつ基板の大きな平面上に作成された、１つまたは複数の磁気コアと、少なくとも１つの励磁回路と、やはり基板のこの大きな面上に作成された少なくとも２つの平面検出コイルで形成された少なくとも１つの検出回路とを含み、この励磁回路が、ほぼ矩形の外形を有する単一の平面コイルで形成されること、およびこの１つまたは複数の磁気コアが、平面励磁コイルの外側輪郭によって区画される幾何学的な矩形の２本の対角線に沿ってギリシャ十字形に配列された細長い（ｌｏｎｇ－ｌｉｍｂｅｄ）コアであることを特徴とする。
【００１２】好ましい実施態様によれば、磁気コイルはただ１つだけ存在し、モノブロックであり、前記対角線に沿って配列されたギリシャ十字の形状を有する。この場合には、検出回路が、モノブロック・ギリシャ十字の形状をした磁気コアの４つの自由端の位置にそれぞれ配置された４つの検出コイルで形成されると有利である。１つまたは複数の磁気コアを形成する材料はアモルファスであることが好ましい。
【００１３】概略図に関連する非限定的な２つの実施形態についての以下の説明において、本発明はより明確に理解され、本発明の利点およびその他の特徴は明らかになるであろう。
【００１４】
【発明の実施の形態】図２では、図１に関連して前述した従来技術のセンサの基板と同様の平行六面体形の基板を、再度参照番号１で示してある。この基板は、その大きな上面２上にＣＭＯＳ集積化によって作成された、磁気センサと関連づけられて完全な磁力計を形成する電子回路を含む。この集積電子回路は、この図には示していない。
【００１５】このセンサは、基板１の面２上に作成された平面状の励磁コイル９を含み、このコイル９は、その外側巻線９０によって形成される、ほぼ矩形の形状の外側輪郭を有する。励磁コイル９のその他の巻線９１から９４は、外側巻線９０と同心円状になっており、形状はやはり矩形であり、図示のように次第に寸法が短くなる。
【００１６】強磁性コア１０は、通常は接着によって励磁コイル９上に作成され、このコアは、図１の従来技術のデバイスの場合と同様にアモルファス磁性材料で、通常は市販のアモルファス強磁性金属のテープで形成される。
【００１７】ただし、本発明によれば、強磁性コア１０はギリシャ十字の形状を有し、この形状は、励磁コイル９の外側巻線９０によって形成される矩形、すなわちコイルによって形成される幾何学的な矩形の直交する２本の対角線と一致する。
【００１８】したがって、外部磁場Ｈｅｘｔの２つの直交成分Ｈ１およびＨ２を測定することができ、これら２つの成分はそれぞれコア１０の２本の直交するブランチ１０１および１０２に沿って方向づけられる。この場合、成分Ｈ１はコア１０のブランチ１０１によって測定され、成分Ｈ２はそれと直交するブランチ１０２によって測定される。
【００１９】ここで、検出は、２つの同一平面上の検出コイル対、すなわち、基板１の面２の上、平面励磁コイル９の下に、やはりＣＭＯＳ技法によって作成された、平面検出コイル７０、８０の第１の対であって、これら２つの検出コイルは、直列にかつ差動配列で取り付けられ、それぞれコア１０のブランチ１０２の２つの自由端の一方の下に位置決めされ、したがって、この第１の対７０、８０は、外部磁場Ｈｅｘｔの成分Ｈ２を検出する役割を有する第１の対と、２つのコイル７０、８０と同様の平面検出コイル７１、８１の第２の対であって、これら２つの検出コイルも、やはり直列にかつ差動配列で取り付けられ、それぞれコア１０のもう一方のブランチ１０１の２つの自由端の一方の下に位置決めされ、この第２の対７１、８１は、外部磁場Ｈｅｘｔの成分Ｈ１を検出する役割を有する第２の対とによって実行される。
【００２０】図３は、励磁電流Ｉｅｘｃの方向とともに励磁コイル９を示す図であり、この励磁電流はさらに、交番する正負のパルスによって例えば１／８程度の低いデューティ・サイクルで形成される。この図は、その結果としてコア１０の半ブランチ１０１Ａ、１０１Ｂ、１０２Ａ、および１０２Ｂそれぞれの中で発生する、励起磁場の方向を示している。
【００２１】コア１０の同一ブランチ１０１の各半ブランチ１０１Ａ、１０１Ｂ中では、励磁電流Ｉｅｘｃによって生成される励起磁場Ｈｅｘｃは反対向きであることが分かる。
【００２２】その結果として、コア１０の各ブランチ１０１または１０２で、測定すべき外部磁場Ｈｅｘｔから見るとコアの長さはブランチの全長と同等であり、励起磁場Ｈｅｘｃから見るとコアの長さはそのブランチの長さの半分と同等であるだけである。したがって、外部磁場から見ると、強磁性コアは、励起磁場から見た透磁率と同等の見かけの透磁率であるが、それよりも大きな透磁率を有する。これにより、最終的にセンサの感度が大幅に向上する。
【００２３】図４は、コア１０の２本のブランチの一方に適用した、すなわち測定すべき外部磁場Ｈｅｘｔの２つの成分Ｈ１またはＨ２のうちの一方の測定に適用した、このセンサの動作原理を示す図である。
【００２４】この図の左半分は、コアのブランチの１本、例えば１０１中の励起磁場Ｈｅｘｃの変動と、それに対応する励起磁束φｅｘｃの変動と、対応する２つの検出コイル７１および８１それぞれにおける誘導電圧Ｖｉの変動と、これら２つのコイルのアセンブリからの出力電圧Ｖｓの変動とを時間ｔの関数として示す、４つの曲線の第１のシリーズＩであり、この第１のシリーズＩの曲線は、測定すべき外部磁場Ｈｅｘｔがない状態で作成したものである。
【００２５】同様に、この図の右半分は、同じ４つの曲線の第２のシリーズＩＩであるが、この場合には測定すべき外部磁場Ｈｅｘｔが存在している。
【００２６】曲線のシリーズＩは、コアのブランチ１０１の半ブランチ１０１Ａおよび１０１Ｂに関して、励起磁場、ならびに励起磁束φｅｘｃおよび誘導電圧Ｖｉが等しく、符号が反対であることを示している。直列かつ差動式に取り付けた２つの検出コイル７１および８１の出力で検知する出力電圧Ｖｓは、外部磁場Ｈｅｘｔがないときにはゼロとなる。
【００２７】逆に、曲線のシリーズＩＩによれば、外部磁場Ｈｅｘｔがあると、曲線Ｈｅｘｃ（ｔ）が上方に偏位し、これにより２つの誘導電圧Ｖｉの間の対称性がなくなり、その結果として、交番する正負のパルスの連続で形成される、ゼロでない出力電圧Ｖｓが生じる。次いで、センサのコア１０のブランチの１本、例えばブランチ１０１に関連づけられた電子回路の概略的な機能ブロック図である図５に関連して分かるように、これらのパルスを整流し、平滑化して、直流の測定電圧を得る。
【００２８】図５から分かるように、周波数ｆ₀および供給パルス１１を有する外部パルス・クロックＣｌｋを使用する。
【００２９】これらのパルス１１は、いくつかの交番する周期信号を供給する、すなわち例えば１２５Ｋｈｚに等しい周波数ｆの２つの第１の移相周期信号を第１の出力１３から供給し、周波数２ｆの２つの第２のπ移相周期信号を第２の出力１４から供給し、周波数２ｆの２つの第３のπ移相周期信号を第３の出力１５から供給する、分周器回路１２に印加される。
【００３０】第１の２つの信号は、例えば１／８など比較的低いディーティ・サイクルを有する交流励磁電流１８をその出力１７から励磁コイル９に提供する加工（elaboration）および整形回路１６に印加される。電流１８のディーティ・サイクルは、第１の２つの信号の移相によって決定される。回路１６は、パルスの幅がこれらの第１の２つの信号の一時的な移相に等しくなるようになされることが好ましい。
【００３１】２つの検出コイル７１、８１のアセンブリの出力では、パルス化された周期的な誘導信号１９が生じ、これは、整流器２０の出力２２で整流済みの信号２１が得られるように接続１４０によって周波数２ｆで制御された整流器回路２０に印加される。励磁周波数ｆの偶数調波の同期検出が行われることに留意されたい。
【００３２】次いで、この整流済みの信号２１は、低域フィルタ２３中で平滑化され、整流済みの信号２１の誘導パルスの持続時間の間は本質的にアクティブとなるように、接続１５０によって周波数２ｆで制御される。次いで、平滑化された信号を増幅器２４中で増幅し、最終的にセンサの出力Ｓで直流の測定電圧２５を得る。
【００３３】言うまでもなく、本発明は、上述の好ましい実施形態の例に限定されない。
【００３４】したがって、例えば、図６は、アモルファス強磁性コアが、前述のように全体が一体化されたギリシャ十字として形成されるのではなく、図示のように、前述の場合と同様に励磁コイル９によって形成される矩形の２本の対角線に沿って配列された、別個の直線状半ブランチ１０１Ａ、１０１Ｂ、１０２Ａ、１０２Ｂとして４つのコア・エレメントで形成される、センサの代替実施形態を示している。
【００３５】この場合には、４つの検出コイル７０、７１、８０、８１はやはり４つのコア・エレメント１０１Ａ、１０１Ｂ、１０２Ａ、１０２Ｂの外側の自由端の下にそれぞれ配置されることが分かるが、これら４つのコア・エレメントの内側の自由端の下にそれぞれ位置決めされたその他の４つの検出コイル７３、７２、８２、８３もあることが分かる。
【００３６】最後に、図７は、各直線状コア・エレメント、例えばバー１０１を、やはり細長いが、平行六面体形ではなく楕円形のエレメントで置き換えると有利であることがあることを示す図である（これも既知である）。両方の場合について磁力線（magnetic flux force line）２６が明白に示すように、楕円形のバーの場合の方が、均一性のはるかに高いこれらの磁力線を観察することができる。

【出願人】	【識別番号】５９１０７７０５８【氏名又は名称】アスラブ・エスアー【氏名又は名称原語表記】ＡＳＵＬＡＢＳＯＣＩＥＴＡＡＮＯＮＹＭＥ
【出願日】	平成１２年５月１２日（２０００．５．１２）
【代理人】	【識別番号】１０００６４６２１【弁理士】【氏名又は名称】山川政樹
【公開番号】	特開２００１－１３２３１（Ｐ２００１－１３２３１Ａ）
【公開日】	平成１３年１月１９日（２００１．１．１９）
【出願番号】	特願２０００－１４０５２４（Ｐ２０００－１４０５２４）