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JPH08201490A - センサｉｃ - Google Patents

センサｉｃ

Info

Publication number
JPH08201490A
JPH08201490A JP7014107A JP1410795A JPH08201490A JP H08201490 A JPH08201490 A JP H08201490A JP 7014107 A JP7014107 A JP 7014107A JP 1410795 A JP1410795 A JP 1410795A JP H08201490 A JPH08201490 A JP H08201490A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
sensor
output voltage
voltage
output
hall
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.)
Pending
Application number
JP7014107A
Other languages
English (en)
Inventor
Misao Furuya
操 古谷
Hirohiko Urushiyama
裕彦 漆山
Atsushi Watanabe
敦 渡邊
Katsuaki Yano
克暁 矢野
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Mitsumi Electric Co Ltd
Original Assignee
Mitsumi Electric Co Ltd
Priority date (The priority date 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 date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Mitsumi Electric Co Ltd filed Critical Mitsumi Electric Co Ltd
Priority to JP7014107A priority Critical patent/JPH08201490A/ja
Priority to US08/580,379 priority patent/US5640090A/en
Publication of JPH08201490A publication Critical patent/JPH08201490A/ja
Pending legal-status Critical Current

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Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L1/00—Measuring force or stress, in general
    • G01L1/18—Measuring force or stress, in general using properties of piezo-resistive materials, i.e. materials of which the ohmic resistance varies according to changes in magnitude or direction of force applied to the material
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L1/00—Measuring force or stress, in general
    • G01L1/20—Measuring force or stress, in general by measuring variations in ohmic resistance of solid materials or of electrically-conductive fluids; by making use of electrokinetic cells, i.e. liquid-containing cells wherein an electrical potential is produced or varied upon the application of stress
    • G01L1/22—Measuring force or stress, in general by measuring variations in ohmic resistance of solid materials or of electrically-conductive fluids; by making use of electrokinetic cells, i.e. liquid-containing cells wherein an electrical potential is produced or varied upon the application of stress using resistance strain gauges
    • G01L1/225—Measuring circuits therefor
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R33/00—Arrangements or instruments for measuring magnetic variables
    • G01R33/02—Measuring direction or magnitude of magnetic fields or magnetic flux
    • G01R33/06—Measuring direction or magnitude of magnetic fields or magnetic flux using galvano-magnetic devices
    • G01R33/07—Hall effect devices

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  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • Hall/Mr Elements (AREA)
  • Measuring Magnetic Variables (AREA)
  • Pressure Sensors (AREA)
  • Semiconductor Integrated Circuits (AREA)

Abstract

(57)【要約】 【目的】 本発明は磁気センサＩＣ等のセンサＩＣに関
し、感度が高く、かつ、出力電圧のバラツキが小さい高
感度のセンサＩＣを提供することを目的とする。 【構成】 半導体チップ上で、同一形状のｎ個のホール
センサＨS1〜ＨSnは互いに近接して形成されており、同
一パターンからなる同一回路であるｎ個の差動増幅器Ｄ
A1〜ＤAnは互いに近接して形成されている。ホールセン
サＨS2〜ＨSn夫々は、ホール出力電圧と不平衡電圧の和
であるセンサ出力電圧を生成する。差動増幅器ＤA1〜Ｄ
An夫々は、１対１に対応するホールセンサＨS1〜ＨSnの
出力端子からセンサ出力電圧を供給されて、センサ出力
電圧を所定利得倍した出力電流を生成する。負荷抵抗Ｒ
C1，ＲC2の一端に接続された端子Ｔ1 〜Ｔ2 間には、各
差動増幅器ＤA1〜ＤAnの出力電流ＩC11 〜ＩC1n ，Ｉ
C21 〜ＩC2n による電圧を加算した出力電圧が生成され
る。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明はセンサＩＣに係り、特
に、磁気センサと付随回路を集積化した磁気センサＩ
Ｃ、圧力センサと付随回路を集積化した圧力センサＩＣ
等のセンサＩＣに関する。
【０００２】
【従来の技術】図４は、従来の一例の磁気センサＩＣ２
１の構成図を示す。磁気センサＩＣ２１は、同一半導体
チップ上に形成された１個のホールセンサＨS と１個の
差動増幅器ＤAVと負荷抵抗ＲC1，ＲC2とから構成されて
いる。
【０００３】ホールセンサＨS は、電源電圧Ｖccが供給
されており、定電圧駆動されている。ホールセンサＨS
の出力端子から生成されるセンサ出力電圧は、ホールセ
ンサＨS の感度ＶHOと磁気センサＩＣ２１に印加される
磁界の磁束密度Ｂとの積（Ｖ HO・Ｂ）と、不平衡電圧Ｖ
Hoffの和である。
【０００４】このホールセンサＨS のセンサ出力電圧
は、差動増幅器ＤAVの入力端子間に供給される。差動増
幅器ＤAVは、トランジスタＱ1 ，Ｑ2 、電流帰還抵抗Ｒ
E 、定電流源Ｊ1 ，Ｊ2 から構成されている。差動増幅
器ＤAVの出力電流ＩC1，ＩC2は、負荷抵抗ＲC1，ＲC2に
より電圧に変換され、出力端子Ｔ6 〜Ｔ7 間に出力電圧
Ｖout1として出力される。
【０００５】差動増幅器ＤAVについての電圧利得がＡと
なるように、負荷抵抗ＲC1，ＲC2、抵抗ＲE 、電流源Ｊ
1 ，Ｊ2 によるバイアス電流Ｉ1 ，Ｉ2 を設定するもの
とする。但し、ＲC1＝ＲC2、Ｉ1 ＝Ｉ2 とする。このと
き、磁気センサＩＣ２１の出力電圧Ｖout1は、下記(1)
式で示される。
【０００６】 Ｖout1＝Ａ・ＶHO・Ｂ＋Ａ・（ＶHoff＋ＶAoff） (1) 但し、 Ａ ：差動増幅器ＤAVの電圧利得 ＶHO ：ホールセンサＨS の感度 Ｂ ：磁気センサＩＣに印加される磁界の磁束密度 ＶHoff：ホールセンサＨS の不平衡電圧 ＶAoff：差動増幅器ＤAVの入力オフセット電圧 ここで、(1) 式の第１項は、磁気センサＩＣ２１に磁束
密度Ｂが印加されたときの、ホール出力電圧成分であ
り、第１項を磁束密度Ｂで割った下記(2) 式は、磁気セ
ンサＩＣ２１の感度Ｋ1 となる。
【０００７】 Ｋ1 ＝Ａ・ＶHO (2) また、(1) 式の第２項は、ホールセンサＨS の不平衡電
圧と差動増幅器ＤAVの入力オフセット電圧の和が差動増
幅器ＤAVの利得倍された、不平衡電圧成分である。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】磁気センサＩＣの製造
工程における、フォトエッチングのバラツキ、拡散のバ
ラツキ等により、ホールセンサＨS の電極寸法のずれ等
が生じ、これにより、ホールセンサＨS の不平衡電圧Ｖ
Hoffにバラツキが生じる。また、この製造工程でのフォ
トエッチングのバラツキ、拡散のバラツキ等により、差
動増幅器ＤAVの入力オフセット電圧ＶAoffのバラツキも
生じる。
【０００９】図４の、従来の磁気センサＩＣでは、ホー
ルセンサＨS の不平衡電圧のバラツキと差動増幅器ＤAV
の入力オフセット電圧のバラツキが、そのまま差動増幅
器Ｄ AVの利得倍されて、不平衡成分の大きなバラツキ，
即ち、出力電圧のバラツキとして出力電圧Ｖout1に現れ
てしまう。このため、従来の磁気センサＩＣは、精密な
磁界測定を行う用途に使用することが困難であるという
問題がある。
【００１０】また、不平衡成分の大きなバラツキは、高
感度の磁気センサＩＣを実現するための妨げとなる。本
発明は、上記の点に鑑みてなされたもので、高感度で、
かつ、出力電圧のバラツキを低減することのできるセン
サＩＣを提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】請求項１の発明は、印加
された磁界の磁束密度に比例したホール出力電圧成分を
含むセンサ出力電圧を生成するホールセンサと、前記セ
ンサ出力電圧を増幅する差動増幅器を用いたセンサＩＣ
において、同一半導体チップ上に互いに近接して形成さ
れた同一形状のｎ個（ｎは２以上の整数）のホールセン
サと、同一回路で構成され、前記半導体チップ上に互い
に近接して形成されており、１対１に対応する前記ホー
ルセンサの出力端子から前記センサ出力電圧を供給され
て、前記センサ出力電圧を所定利得倍した出力信号を生
成するｎ個の差動増幅器と、前記各差動増幅器の出力信
号を加算した出力電圧を生成する加算回路とを有する構
成とする。
【００１２】請求項２の発明は、請求項１のセンサＩＣ
において、前記加算回路で生成された電圧を基準電圧と
比較して２値のディジタル信号に変換する波形整形回路
を有する構成とする。請求項３の発明は、印加された圧
力に比例した検出電圧成分を含むセンサ出力電圧を生成
する半導体圧力センサと、前記センサ出力電圧を増幅す
る差動増幅器を用いたセンサＩＣにおいて、同一半導体
チップ上に互いに近接して形成された同一形状のｎ個
（ｎは２以上の整数）の半導体圧力センサと、同一回路
で構成され、前記半導体チップ上に互いに近接して形成
されており、１対１に対応する前記半導体圧力センサの
出力端子から前記センサ出力電圧を供給されて、前記セ
ンサ出力電圧を所定利得倍した出力信号を生成するｎ個
（ｎは２以上の整数）の差動増幅器と、前記各差動増幅
器の出力信号を加算した出力電圧を生成する加算回路と
を有する構成とする。
【００１３】
【作用】請求項１の発明では、１個のホールセンサと１
個の差動増幅器で構成した従来のセンサＩＣと比較し
て、磁束密度に対する感度はｎ倍することができる。か
つ、ｎ個のホールセンサと差動増幅器による不平衡成分
の電圧が等価的に平均される構成であるため、従来のセ
ンサＩＣと比較して、出力電圧のバラツキとなる、出力
電圧中のホールセンサの不平衡電圧と差動増幅器の入力
オフセット電圧による不平衡成分の電圧の標準偏差は、
１／√ｎに低減することができる。
【００１４】このため、感度が高く、かつ、出力電圧の
バラツキが小さい高感度のセンサＩＣを構成することを
可能とする。請求項２の発明では、波形整形回路は、検
出対象の磁界の磁束密度が所定の閾値以上の場合に、Ｈ
レベル又はＬレベルの出力信号を生成する。磁束密度に
対する感度が高く、かつ、波形整形回路の入力電圧のバ
ラツキを小さくすることができるため、磁束密度が所定
の閾値以上であるかどうかを高感度で、かつ、高精度に
検出できるセンサＩＣを構成することを可能とする。
【００１５】請求項３の発明では、１個の半導体圧力セ
ンサと１個の差動増幅器で構成した従来のセンサＩＣと
比較して、圧力に対する感度はｎ倍することができる。
かつ、ｎ個の半導体圧力センサと差動増幅器による不平
衡成分の電圧が等価的に平均される構成であるため、従
来のセンサＩＣと比較して、出力電圧のバラツキとな
る、出力電圧中の半導体圧力センサの不平衡電圧と差動
増幅器の入力オフセット電圧による不平衡成分の電圧の
標準偏差は、１／√ｎに低減することができる。
【００１６】このため、感度が高く、かつ、出力電圧の
バラツキが小さい高感度のセンサＩＣを構成することを
可能とする。
【００１７】
【実施例】図１は本発明の第１実施例の磁気センサＩＣ
１１の構成図を示す。磁気センサＩＣ１１は、同一半導
体チップ上に形成された、ｎ個のホールセンサＨS1〜Ｈ
Snとｎ個の差動増幅器ＤA1〜ＤAnと負荷抵抗ＲC1，ＲC2
（電流加算回路）とから構成されている。磁気センサＩ
Ｃ１１は、例えば、シリコンバイポーラプロセスで作製
される。
【００１８】磁気センサＩＣ１１の半導体チップ上で、
同一形状のｎ個のホールセンサＨS1〜ＨSnは、互いに近
接して形成されており、同一パターンからなる同一回路
であるｎ個の差動増幅器ＤA1〜ＤAnは、互いに近接して
形成されており、また、同一形状，同一の値である負荷
抵抗ＲC1，ＲC2は、互いに近接して形成されている。
【００１９】ホールセンサＨS1〜ＨSnは、電源電圧Ｖcc
が供給されており、定電圧駆動されている。ホールセン
サＨS1の出力端子から生成されるセンサ出力電圧は、ホ
ールセンサＨS1の感度ＶHO1 と磁気センサＩＣ１１に印
加される磁界の磁束密度Ｂとの積（ＶHO1 ・Ｂ）と、不
平衡電圧ＶHoff1 の和である。
【００２０】ホールセンサＨS1と同様に、ホールセンサ
ＨS2〜ＨSnのセンサ出力電圧の夫々は、ホールセンサＨ
S2〜ＨSnの感度ＶHO2 〜ＶHOn と磁気センサＩＣ１１に
印加される磁界の磁束密度Ｂとの積（（ＶHO2 ・Ｂ）〜
（ＶHOn ・Ｂ））と、不平衡電圧ＶHoff2 〜ＶHoffn の
和である。
【００２１】ホールセンサＨS1〜ＨSnのセンサ出力電圧
は、夫々、１対１に対応する差動増幅器ＤA1〜ＤAnの入
力端子間に供給される。差動増幅器ＤA1は、トランジス
タＱ 11，Ｑ21、電流帰還抵抗ＲE1、定電流源Ｊ11，Ｊ21
から構成されている。差動増幅器ＤA2〜ＤAnも同様の構
成である。
【００２２】夫々の差動増幅器ＤA1〜ＤAnの出力電流Ｉ
C11 〜ＩC1n ，ＩC21 〜ＩC2n は、共通接続された負荷
抵抗ＲC1，ＲC2により電流加算されて、出力端子Ｔ1 〜
Ｔ2間に出力電圧Ｖout2として出力される。即ち、出力
端子Ｔ1 の電圧をＶ1 、出力端子Ｔ2 の電圧をＶ2 とす
ると、夫々下記(3) 式，(4) 式で示される。
【００２３】 Ｖ1 ＝Ｖcc−ＲC1・（ＩC11 ＋・・＋ＩC1n ） (3) Ｖ2 ＝Ｖcc−ＲC2・（ＩC21 ＋・・＋ＩC2n ） (4) 従って、磁気センサＩＣ１１の出力電圧Ｖout2は、下記
(5) 式で示される。 Ｖout2＝Ｖ2 −Ｖ1 ＝ＲC1・（ＩC11 ＋・・＋ＩC1n ）−ＲC2・（ＩC21 ＋・・＋ＩC2n ） (5) ここで、各差動増幅器ＤA1〜ＤAn夫々についての電圧利
得がＡとなるように、負荷抵抗ＲC1，ＲC2、電流帰還抵
抗ＲE1〜ＲEn、定電流源Ｊ11〜Ｊ1nのバイアス電流Ｉ11
〜Ｉ1n、定電流源Ｊ21〜Ｊ2nのバイアス電流Ｉ21〜Ｉ2n
を設定するものとする。
【００２４】但し、ＲC1＝ＲC2、ＲE1＝・・＝ＲEn、Ｉ
11＝Ｉ21＝・・＝Ｉ1n＝Ｉ2nとする。このとき、磁気セ
ンサＩＣ１１の出力電圧ＶOUT2は、下記(6) 式で示され
る。 Ｖout2＝Ａ・（ＶHO1 ＋・・＋ＶHOn ）・Ｂ ＋Ａ・（（ＶHoff1 ＋・・＋ＶHoffn ） ＋（ＶAoff1 ＋・・＋ＶAoffn ）） (6) 但し、 Ａ ：差動増幅器ＤA1〜ＤAnの電圧利得 ＶHO1 〜ＶHOn ：ホールセンサＨS1〜ＨSnの感度 Ｂ ：磁気センサＩＣに印加される磁界の磁束密度 ＶHoff1 〜ＶHoffn ：ホールセンサＨS1〜ＨSnの不平衡
電圧 ＶAoff1 〜ＶAoffn ：差動増幅器ＤA1〜ＤAnの入力オフ
セット電圧 ここで、(6) 式の第１項は、磁気センサＩＣ１１に磁束
密度Ｂが印加されたときの、ホール出力電圧成分であ
り、第２項は、ホールセンサＨS1〜ＨSnの不平衡電圧と
差動増幅器ＤA1〜ＤAnの入力オフセット電圧の和が差動
増幅器ＤA1〜ＤAnの電圧利得倍された、不平衡電圧成分
である。
【００２５】ここで、ｎ個のホールセンサＨS1〜Ｈ
Snは、同一半導体チップ上に、同一形状で、互いに近接
して形成されているため、物理特性がほぼ同じとなる。
このため、各ホールセンサＨS1〜ＨSnの感度ＶHO1 〜Ｖ
HOn は、ほぼ等しくなる。そこで、 ＶHO1 ≒ＶHO2 ≒・・≒ＶHOn ＝ＶHO (7) とする。
【００２６】(7) 式を(6) 式に代入すると、下記(8) 式
となる。 Ｖout2＝Ａ・ＶHO・ｎ・Ｂ ＋Ａ・（（ＶHoff1 ＋・・＋ＶHoffn ） ＋（ＶAoff1 ＋・・＋ＶAoffn ）） (8) ｎ：ホールセンサ及び差動増幅器の個数 ここで、(8) 式の第１項は、磁気センサＩＣ１１に磁束
密度Ｂが印加されたときの、ホール出力電圧成分であ
り、第１項を磁束密度Ｂで割った下記(9) 式は、磁気セ
ンサＩＣ１１の感度Ｋ2 となる。
【００２７】 Ｋ2 ＝Ａ・ＶHO・ｎ (9) 前記、従来の磁気センサＩＣ２１についての(2) 式、
(9) 式共に、磁気センサＩＣの感度を示しており、(9)
式を(2) 式で割ると、下記(10)式となる。 Ａ・ＶH0・ｎ／（Ａ・ＶH0）＝ｎ (10) (10)式より、図１の磁気センサＩＣ１１では、図４の従
来の磁気センサＩＣ２１に対して、感度がｎ倍されてい
ることが分かる。
【００２８】ここで、一般的に、半導体チップ上に形成
された、同一形状の素子、及び回路の電気的特性は、多
数の半導体チップに関して、正規分布することが知られ
ている。この正規分布する電気的特性の母集団の標準偏
差をσ0 とすると、ｎ個の素子或いはｎ個の回路が並列
接続されて形成された素子或いは回路の電気的特性の標
準偏差σは、下記(11)式で示される。
【００２９】 σ＝σ0 ／√ｎ (11) また、ｎ個の素子或いはｎ個の回路の電気的特性を等価
的に平均する構成の回路の場合、電気的特性の標準偏差
σは、ｎ個の素子或いはｎ個の回路が並列接続された場
合と同様に、上記(11)式で示される。
【００３０】ところで、図４の従来の磁気センサＩＣ２
１では、ホールセンサＨS と差動増幅器ＤAVを単独で使
用している。従って、磁気センサＩＣ２１の多数の半導
体チップに関する母集団における、ホールセンサＨS の
不平衡電圧ＶHoffの標準偏差をσH0とし、また、差動増
幅器ＤAVの入力オフセット電圧ＶAoffの標準偏差をσ A0
とすると、磁気センサＩＣ２１の出力電圧Ｖout1中の不
平衡成分の電圧の標準偏差σ1 は、前記(1) 式より、下
記(12)式となる。
【００３１】 σ1 ＝Ａ・√（σH0 2 ＋σA0 2 ） (12) 一方、本実施例の磁気センサＩＣ１１ついて考えると、
前記(8) 式の第２項では、ホールセンサＨS1〜ＨSnのｎ
個の不平衡電圧ＶHoff1 〜ＶHoffn の和がとられてお
り、また、差動増幅器ＤA1〜ＤAnのｎ個の入力オフセッ
ト電圧ＶAoff1 〜ＶAoffn の和がとられている。
【００３２】このため、図１の磁気センサＩＣ１１は、
等価的に、ホールセンサＨS1〜ＨSnのｎ個の不平衡電圧
ＶHoff1 〜ＶHoffn の平均をとる構成であり、かつ、差
動増幅器ＤA1〜ＤAnのｎ個の入力オフセット電圧Ｖ
Aoff1 〜ＶAoffn の平均をとる構成である。
【００３３】従って、磁気センサＩＣ１１の多数の半導
体チップに関する母集団における、ホールセンサＨS1〜
ＨSnの不平衡電圧ＶHoff1 〜ＶHoffn 夫々の標準偏差を
σH0としたとき、磁気センサＩＣ１１の出力電圧Ｖout2
中のホールセンサの不平衡電圧成分を、ホールセンサ１
個分の不平衡電圧に換算した場合の、ホールセンサの不
平衡電圧の標準偏差σH は、前記(11)式より、下記(13)
式で示される。
【００３４】 σH ＝σH0 ／√ｎ (13) 同様に、磁気センサＩＣ１１の多数の半導体チップに関
する母集団における、差動増幅器ＤA1〜ＤAnの入力オフ
セット電圧ＶAoff1 〜ＶAoffn 夫々の標準偏差をσA0と
したとき、磁気センサＩＣ１１の出力電圧Ｖout2中の差
動増幅器の入力オフセット電圧成分を、差動増幅器１個
分の入力オフセット電圧に換算した場合の、入力オフセ
ット電圧の標準偏差σA は、前記(11)式より、下記(14)
式で示される。
【００３５】 σA ＝σA0 ／√ｎ (14) このとき、磁気センサＩＣ１１の出力電圧Ｖout2中の不
平衡成分の電圧の標準偏差は、前記(8) ，(13)，(14)
式，より、下記(15)式となる。 σ2 ＝Ａ・√（σH0 2 ＋σA0 2 ）／√ｎ (15) (15)式を(12)式で割ると、下記(16)式となる。
【００３６】 σ2 ／σ1 ＝１／√ｎ (16) このように、磁気センサＩＣ１１は、磁気センサＩＣ２
１に対して、不平衡成分の電圧の標準偏差を１／√ｎに
低減することができる。ここで、磁気センサＩＣの出力
電圧中の不平衡成分のバラツキに対する、ホール出力電
圧成分の割合は、従来例の磁気センサＩＣ２１の場合は
下記(17)式で示され、磁気センサＩＣ１１の場合は下記
(18)式で示される。
【００３７】 Ａ・ＶHO・Ｂ／（Ａ・√（σH0 2 ＋σA0 2 ）） (17) Ａ・ＶHO・ｎ・Ｂ／（Ａ・√（σH0 2 ＋σA0 2 ）／√ｎ） (18) (18)式を(17)式で割ると、従来例の磁気センサＩＣ２１
に対しての本実施例の磁気センサＩＣ１１の相対感度Ｋ
となり、下記(19)式で示される。
【００３８】 Ｋ＝ｎ・√ｎ (19) 従って、ｎ個のホールセンサＨS1〜ＨSn及びｎ個の差動
増幅器ＤA1〜ＤAnを用いて構成した図１の磁気センサＩ
Ｃ１１では、１個のホールセンサＨS と１個の差動増幅
器ＤAVで構成した従来の磁気センサＩＣ２１と比較し
て、感度はｎ倍することができ、出力電圧のバラツキは
１／√ｎに低減することができる。そのため、出力電圧
のバラツキを含めた上での、相対感度Ｋは、前記(19)式
よりｎ・√ｎとなり、高感度の磁気センサＩＣを構成す
ることができる。
【００３９】このように磁気センサＩＣ１１は、感度が
高く、かつ、出力電圧のバラツキが小さいため、精密な
磁界測定を行う用途に使用することができる。図２は、
本発明の第２実施例の磁気センサＩＣ１２の構成図を示
す。図２において、図１と同一構成部分には、同一符号
を付し、適宜説明を省略する。
【００４０】磁気センサＩＣ１２は、同一半導体チップ
上に形成された、ｎ個のホールセンサＨS1〜ＨSnとｎ個
の差動増幅器ＤA1〜ＤAnと負荷抵抗ＲC1，ＲC2（電流加
算回路）とシュミットトリガ回路ＳC 及び出力トランジ
スタＱ0 から構成されている。
【００４１】シュミットトリガ回路ＳC は、端子Ｔ1 〜
Ｔ2 間での出力電圧Ｖout2を、基準電圧と比較して、２
値（Ｈレベル又はＬレベル）のディジタル信号を出力す
る。トランジスタＱ0 は、シュミットトリガ回路ＳC の
出力電圧がＨレベルのときオンとなり、Ｌレベルのとき
オフとなる。トランジスタＱ0 のコレクタ（出力端子Ｔ
4 ）から、オープン（Ｈレベル）又はＧＮＤレベル（Ｌ
レベル）となる２値の出力信号が取り出される。
【００４２】この構成により、検出対象の磁界の磁束密
度Ｂが閾値以上の場合に、例えば、Ｈレベルの出力信号
を出力する磁気センサＩＣ１２とすることができる。前
記の磁気センサＩＣ１１で説明したように、端子Ｔ1 〜
Ｔ2 間の出力電圧Ｖ out2のバラツキとなる不平衡成分の
バラツキを小さくすることができるため、磁気センサＩ
Ｃ１２は、感度が高く、かつ、磁束密度Ｂの閾値の精度
を高くすることができ、精密な磁界測定を行う用途に使
用することができる。
【００４３】図３は、本発明の第３実施例の圧力センサ
ＩＣ１３の構成図を示す。図３において、図１と同一構
成部分には、同一符号を付し、適宜説明を省略する。圧
力センサＩＣ１３は、同一半導体チップ上に形成され
た、ｎ個のゲージ抵抗素子（半導体圧力センサ）ＰS1〜
ＰSnとｎ個の差動増幅器ＤA1〜ＤAnと負荷抵抗ＲC1，Ｒ
C2（電流加算回路）とから構成されている。圧力センサ
ＩＣ１３は、例えば、シリコンバイポーラプロセスによ
り作製される。
【００４４】圧力センサＩＣ１３は、図１の磁気センサ
ＩＣ１１中のホールセンサＨS1〜Ｈ Snの代わりに、ゲー
ジ抵抗素子ＰS1〜ＰSnを設けた構成である。圧力センサ
ＩＣ１３の半導体チップ上で、同一形状のｎ個のゲージ
抵抗素子Ｐ S1〜ＰSnは、互いに近接して形成されてお
り、同一パターンからなる同一回路であるｎ個の差動増
幅器ＤA1〜ＤAnは、互いに近接して形成されており、ま
た、同一形状，同一の値である負荷抵抗ＲC1，ＲC2は、
互いに近接して形成されている。
【００４５】ゲージ抵抗素子ＰS1〜ＰSnは、シリコン結
晶のピエゾ抵抗効果を利用したもので、シリコンダイヤ
フラム上に形成した拡散抵抗ＲP1〜ＲP4のブリッジ回路
である。ゲージ抵抗素子ＰS1〜ＰSnの出力端子間には、
印加圧力に比例した検出電圧が生成される。
【００４６】ゲージ抵抗素子ＰS1〜ＰSnの出力端子から
生成されるセンサ出力電圧の夫々は、印加圧力に比例し
た検出電圧ＶPO1 ・Ｐ〜ＶPOn ・Ｐと不平衡電圧Ｖ
Poff1 〜ＶPoffn の和である。但し、ＶPO1 〜Ｖ
POn は、ゲージ抵抗素子ＰS1〜ＰSnの感度であり、Ｐは
印加された圧力である。
【００４７】ゲージ抵抗素子ＰS1〜ＰSnのセンサ出力電
圧は、夫々、１対１に対応する差動増幅器ＤA1〜ＤAnの
入力端子間に供給される。夫々の差動増幅器ＤA1〜ＤAn
の出力電流ＩC11 〜ＩC1n ，ＩC21 〜ＩC2n は、共通接
続された負荷抵抗ＲC1，ＲC2により電流加算されて、出
力端子Ｔ4 〜Ｔ5 間に出力電圧Ｖout3として出力され
る。
【００４８】即ち、出力端子Ｔ4 の電圧をＶ4 、出力端
子Ｔ5 の電圧をＶ5 とすると、夫々下記(20)式，(21)式
で示される。 Ｖ4 ＝Ｖcc−ＲC1・（ＩC11 ＋・・＋ＩC1n ） (20) Ｖ5 ＝Ｖcc−ＲC2・（ＩC21 ＋・・＋ＩC2n ） (21) 従って、圧力センサＩＣ１３の出力電圧Ｖout3は、下記
(22)式で示される。
【００４９】 Ｖout3＝Ｖ5 −Ｖ4 ＝ＲC1・（ＩC11 ＋・・＋ＩC1n ）−ＲC2・（ＩC21 ＋・・＋ＩC2n ） (22) ここで、各差動増幅器ＤA1〜ＤAn夫々についての電圧利
得がＡとなるように、負荷抵抗ＲC1，ＲC2、電流帰還抵
抗ＲE1〜ＲEn、定電流源Ｊ11〜Ｊ1nのバイアス電流Ｉ11
〜Ｉ1n、定電流源Ｊ21〜Ｊ2nのバイアス電流Ｉ21〜Ｉ2n
を設定するものとする。
【００５０】但し、ＲC1＝ＲC2、ＲE1＝・・＝ＲEn、Ｉ
11＝Ｉ21＝・・＝Ｉ1n＝Ｉ2nとする。このとき、圧力セ
ンサＩＣ１３の出力電圧Ｖout3は、下記(23)式で示され
る。 Ｖout3＝Ａ・ＶPO・ｎ・Ｐ ＋Ａ・（（ＶPoff1 ＋・・＋ＶPoffn ） ＋（ＶAoff1 ＋・・＋ＶAoffn ）） (23) 但し、 ＶPO＝ＶPO1 ≒ＶPO2 ≒・・≒ＶPOn Ａ ：差動増幅器ＤA1〜ＤAnの電圧利得 ＶPO1 〜ＶPOn ：ゲージ抵抗素子ＰS1〜ＰSnの感度 Ｐ ：圧力センサＩＣに印加される圧力 ＶPoff1 〜ＶPoffn ：ゲージ抵抗素子ＰS1〜ＰSnの不平
衡電圧 ＶAoff1 〜ＶAoffn ：差動増幅器ＤA1〜ＤAnの入力オフ
セット電圧 (23)式は、第１実施例の(8) 式と同等の式である。
【００５１】第１実施例の磁気センサＩＣ１１と同様
に、図３の圧力センサＩＣ１３は、等価的に、ゲージ抵
抗素子ＰS1〜ＰSnのｎ個の不平衡電圧ＶPoff1 〜Ｖ
Poffn の平均をとる構成であり、差動増幅器ＤA1〜ＤAn
のｎ個の入力オフセット電圧ＶAoff 1 〜ＶAoffn の平均
をとる構成である。
【００５２】従って、圧力センサＩＣ１３の多数の半導
体チップに関する母集団における、ゲージ抵抗素子ＰS1
〜ＰSnの不平衡電圧ＶPoff1 〜ＶPoffn 夫々の標準偏差
をσ P0としたとき、圧力センサＩＣ１３の出力電圧Ｖ
out3中のゲージ抵抗素子の不平衡電圧成分を、ゲージ抵
抗素子１個分の不平衡電圧に換算した場合、ゲージ抵抗
素子の不平衡電圧の標準偏差σP は、前記(11)式より、
下記(24)式で示される。
【００５３】 σP ＝σP0 ／√ｎ (24) 同様に、圧力センサＩＣ１３の多数の半導体チップに関
する母集団における、差動増幅器ＤA1〜ＤAnの入力オフ
セット電圧ＶAoff1 〜ＶAoffn 夫々の標準偏差をσA0と
したとき、圧力センサＩＣ１３の出力電圧Ｖout3中の差
動増幅器の入力オフセット電圧成分を差動増幅器１個分
の入力オフセット電圧に換算した場合の、入力オフセッ
ト電圧の標準偏差σA は、前記(11)式より、下記(25)式
で示される。
【００５４】 σA ＝σA0 ／√ｎ (25) このとき、圧力センサＩＣ１３の出力電圧Ｖout3中の不
平衡成分の電圧の標準偏差σ3 は、前記(23)，(24)，(2
5)式，より、下記(26)式となる。 σ3 ＝Ａ・√（σP0 2 ＋σA0 2 ）／√ｎ (26) 従って、ｎ個のゲージ抵抗素子ＰS1〜ＰSn及びｎ個の差
動増幅器ＤA1〜ＤAnを用いて構成した図３の圧力センサ
ＩＣ１３では、１個のゲージ抵抗素子と１個の差動増幅
器で構成した場合の圧力センサＩＣと比較して、感度は
ｎ倍することができ、出力電圧のバラツキとなる不平衡
成分の電圧の標準偏差は、前記(26)式より、１／√ｎに
低減することができる。
【００５５】このため、感度が高く、かつ、出力電圧の
バラツキが小さな、高感度の圧力センサＩＣを構成する
ことができる。このように圧力センサＩＣ１３は、感度
が高く、かつ、出力電圧のバラツキが小さいため、精密
な圧力測定を行う用途に使用することができる。
【００５６】
【発明の効果】上述の如く、請求項１の発明によれば、
１個のホールセンサと１個の差動増幅器で構成した従来
のセンサＩＣと比較して、磁束密度に対する感度はｎ倍
することができ、出力電圧のバラツキとなるホールセン
サと差動増幅器による不平衡成分の電圧の標準偏差は１
／√ｎに低減することができるため、感度が高く、か
つ、出力電圧のバラツキが小さい高感度のセンサＩＣを
構成することができる。従って、精密な磁界測定を行う
用途に使用できるセンサＩＣを実現することができる。
【００５７】請求項２の発明によれば、磁束密度に対す
る感度が高く、かつ、波形整形回路の入力電圧のバラツ
キを小さくすることができるため、磁束密度が所定の閾
値以上であるかどうかを、高感度で、かつ、高精度に検
出できるセンサＩＣを構成することができる。
【００５８】請求項３の発明によれば、１個の半導体圧
力センサと１個の差動増幅器で構成した従来のセンサＩ
Ｃと比較して、圧力に対する感度はｎ倍することがで
き、出力電圧のバラツキとなる半導体圧力センサと差動
増幅器による不平衡成分の電圧の標準偏差は１／√ｎに
低減することができるため、感度が高く、かつ、出力電
圧のバラツキが小さい高感度のセンサＩＣを構成するこ
とができる。従って、精密な圧力測定を行う用途に使用
できるセンサＩＣを実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施例の磁気センサＩＣの構成図
である。
【図２】本発明の第２実施例の磁気センサＩＣの構成図
である。
【図３】本発明の第３実施例の圧力センサＩＣの構成図
である。
【図４】従来の一例の磁気センサＩＣの構成図である。
【符号の説明】
１１，１２，２１ 磁気センサＩＣ １３ 圧力センサＩＣ ＨS1〜ＨSn ホールセンサ ＤA1〜ＤAn，ＤAV 差動増幅器 ＰS1〜ＰSn 磁気抵抗素子 ＲC1，ＲC2 負荷抵抗 ＳC シュミットトリガ回路 Ｊ11〜Ｊ1n，Ｊ21〜Ｊ2n，Ｊ1 ，Ｊ2 定電流源 ＲE1〜ＲEn，ＲE 電流帰還抵抗
フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 庁内整理番号 ＦＩ 技術表示箇所 Ｈ０１Ｌ 21/822 29/84 Ｚ 41/04 43/06 Ａ (72)発明者 矢野 克暁 神奈川県厚木市酒井1601 ミツミ電機株式 会社厚木事業所内

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 印加された磁界の磁束密度に比例したホ
    ール出力電圧成分を含むセンサ出力電圧を生成するホー
    ルセンサと、前記センサ出力電圧を増幅する差動増幅器
    を用いたセンサＩＣにおいて、 同一半導体チップ上に互いに近接して形成された同一形
    状のｎ個（ｎは２以上の整数）のホールセンサと、 同一回路で構成され、前記半導体チップ上に互いに近接
    して形成されており、１対１に対応する前記ホールセン
    サの出力端子から前記センサ出力電圧を供給されて、前
    記センサ出力電圧を所定利得倍した出力信号を生成する
    ｎ個の差動増幅器と、 前記各差動増幅器の出力信号を加算した出力電圧を生成
    する加算回路とを有することを特徴とするセンサＩＣ。
  2. 【請求項２】 前記加算回路で生成された電圧を基準電
    圧と比較して２値のディジタル信号に変換する波形整形
    回路を有することを特徴とする請求項１記載のセンサＩ
    Ｃ。
  3. 【請求項３】 印加された圧力に比例した検出電圧成分
    を含むセンサ出力電圧を生成する半導体圧力センサと、
    前記センサ出力電圧を増幅する差動増幅器を用いたセン
    サＩＣにおいて、 同一半導体チップ上に互いに近接して形成された同一形
    状のｎ個（ｎは２以上の整数）の半導体圧力センサと、 同一回路で構成され、前記半導体チップ上に互いに近接
    して形成されており、１対１に対応する前記半導体圧力
    センサの出力端子から前記センサ出力電圧を供給され
    て、前記センサ出力電圧を所定利得倍した出力信号を生
    成するｎ個（ｎは２以上の整数）の差動増幅器と、 前記各差動増幅器の出力信号を加算した出力電圧を生成
    する加算回路とを有することを特徴とするセンサＩＣ。
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