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JP2023062648A - Hall element sensor and operating method thereof - Google Patents

Hall element sensor and operating method thereof Download PDF

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Publication number
JP2023062648A
JP2023062648A JP2021187418A JP2021187418A JP2023062648A JP 2023062648 A JP2023062648 A JP 2023062648A JP 2021187418 A JP2021187418 A JP 2021187418A JP 2021187418 A JP2021187418 A JP 2021187418A JP 2023062648 A JP2023062648 A JP 2023062648A
Authority
JP
Japan
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hall element
combination
offset
operating
operating state
Prior art date
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Pending
Application number
JP2021187418A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
祐平 森本
Yuhei Morimoto
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.)
Kohshin Electric Corp
Original Assignee
Kohshin Electric Corp
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.)
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Publication date
Application filed by Kohshin Electric Corp filed Critical Kohshin Electric Corp
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Abstract

To provide a Hall element sensor which provides high-precision output by effectively suppressing residual offset and AC noise generated during spinning measurement by a Hall element without using a large Hall element and additional circuitry with high-capacity filter capacitors and the like.SOLUTION: Residual offset and AC noise generated during spinning measurement by a Hall element sensor with four operating states (0 deg, 90 deg, 180 deg, and 270 deg) are effectively suppressed by measuring offset voltages in the four operating states, selecting a combination with less offset voltage difference among adjacent operating states, and repeating the spinning measurement in the combination.SELECTED DRAWING: Figure 4

Description

本発明は 電流センサおよびその動作方法に関し、特にICチップ(即ち、シリコンウエハ上)にIC技術により形成されたシリコンホール素子(以下、単に「ホール素子」という)を使用して磁界または導体に流れる電流を検知するホール素子センサおよびその動作方法に関する。 Field of the Invention The present invention relates to a current sensor and its operating method, in particular, using a silicon Hall element (hereinafter simply referred to as "Hall element") formed on an IC chip (i.e., on a silicon wafer) by IC technology to flow in a magnetic field or a conductor. The present invention relates to a Hall element sensor that detects current and a method of operating the same.

新型の車両、例えば乗用車等では、バックミラーの開閉、ドアの開閉、ロック等の制御を電気的に行うのが一般的である。すなわち、コントローラ(例えば、マイクロプロセッサ)の制御下で、多数の電気モータやソレノイドに駆動電流を流して上述の動作を行う。その際に、制御信号により被制御体に駆動電流が流れて所期の動作が実際に行われたか否かをコントローラにフィードバックして確認する必要がある。この目的で被制御体である導体に流れる駆動電流を検出するために、最近の車両等においては多数のホール素子センサが使用される。 2. Description of the Related Art In new-model vehicles such as passenger cars, it is common to electrically control the opening/closing of rearview mirrors, door opening/closing, locking, and the like. That is, under the control of a controller (eg, a microprocessor), a number of electric motors and solenoids are energized to perform the operations described above. At that time, it is necessary to feed back to the controller whether or not the control signal causes the drive current to flow through the object to be controlled and the desired operation is actually performed. For this purpose, a large number of Hall element sensors are used in recent vehicles and the like in order to detect the drive current flowing through the conductor, which is the object to be controlled.

一般に、ホール素子センサは、IC技術により小型且つ安価に製造可能である。周知のように、ホール素子は、電流が流れている半導体(または導体)に電流と直角に磁界を加えると、これら電流および磁界と直角方向に電圧(電位差)が生じるホール効果を利用するセンサである。電流が流れる導体の周囲には、それを流れる電流に対応する磁界が生じるので、この磁界中にホール素子を配置することにより導体中を流れる電流が検知可能である。 In general, Hall element sensors can be manufactured in a small size and at low cost using IC technology. As is well known, a Hall element is a sensor that uses the Hall effect to generate a voltage (potential difference) in the direction perpendicular to the current and magnetic field when a magnetic field is applied to a semiconductor (or conductor) through which current is flowing. be. Since a magnetic field corresponding to the current flowing through the conductor is generated around the conductor through which the current flows, the current flowing in the conductor can be sensed by placing the Hall element in this magnetic field.

一般に、シリコンホール素子は、ICチップ上に小型且つ安価に製造または搭載可能であるが、感度が低く且つそれを使用するブリッジ回路にオフセットが生じる。このオフセットを除去または抑圧するために、後述するスピニング測定等の技術が提案されている。例えば、ホール素子の駆動電流の方向を回転させ、サンプルホールドと加算回路で信号を加算することで、オフセットをキャンセルする回路を開示している。(特許文献1参照)。 In general, a silicon Hall element can be manufactured or mounted on an IC chip in a small size and at low cost, but has low sensitivity and causes an offset in a bridge circuit using it. In order to remove or suppress this offset, techniques such as spinning measurement, which will be described later, have been proposed. For example, it discloses a circuit that cancels the offset by rotating the direction of the driving current of the hall element and adding the signals with a sample-and-hold and an addition circuit. (See Patent Document 1).

日本特許第3022957号公報Japanese Patent No. 3022957

本発明の説明に先立ち、ホール素子におけるスピニング測定技術について少し詳しく説明する。図1(A)に示すように、ホール素子は、正方形の4つの頂点に対応する位置に形成された4個の端子A、B、CおよびDを有する。そして、選択された1対の端子にバイアス源(不図示)から選択された方向に電流(駆動電流)を流し、他の端子から電圧出力を得る。図1(B)は、駆動電流を流す端子および方向、電圧出力を得る端子および動作状態(または角度)を示す表図である。 Before describing the present invention, the spinning measurement technique in the Hall element will be described in some detail. As shown in FIG. 1A, the Hall element has four terminals A, B, C and D formed at positions corresponding to four vertices of a square. Then, a current (driving current) is passed in a selected direction from a bias source (not shown) to the selected pair of terminals, and a voltage output is obtained from the other terminals. FIG. 1(B) is a table showing the terminals and directions through which drive currents flow, the terminals for obtaining voltage outputs, and operating states (or angles).

図1(B) において、動作状態0degでは、電流を端子AからCへ流し、端子BとD間から、磁場に依存した電圧Vhallを出力する。動作状態0degに対して右方向に90deg回転している動作状態90degでは、電流を端子BからDへ流し、端子CとA間から、磁場に依存した電圧Vhallを出力する。動作状態90degから更に90deg右回転している動作状態180degでは、電流を端子CからAへ流し、端子DとB間から、磁場に依存した電圧Vhallを出力する。また、動作状態180degから更に90deg右回転(すなわち、上述した動作状態0degから90deg左回転に相当)する動作状態270degでは、電流を端子DからBへ流し、端子AとC間から、磁場に依存した電圧Vhallを出力する。 In FIG. 1B, in the operating state of 0 deg, current flows from terminals A to C, and a magnetic field-dependent voltage Vhall is output from terminals B and D. FIG. In an operating state of 90 degrees, which is rotated 90 degrees to the right with respect to the operating state of 0 degrees, a current is passed from the terminal B to the terminal D, and a voltage Vhall depending on the magnetic field is output from the terminals C and A. In the operating state 180deg, which is rotated further 90deg to the right from the operating state 90deg, a current flows from the terminal C to the terminal A, and the voltage Vhall depending on the magnetic field is output from between the terminals D and B. Further, in the operating state of 270 deg, which is a further 90 deg clockwise rotation from the operating state of 180 deg (that is, corresponds to the above-described operating state of 0 deg to 90 deg counterclockwise rotation), a current flows from the terminal D to B, and from between the terminals A and C depends on the magnetic field. output the voltage Vhall.

次に、図2(A)~(D)は、図1(A)および図1(B)を参照して上述したホール素子Hの4つの動作状態0deg、90deg、180degおよび270degにおけるバイアス源および差動増幅器(AMP)の接続状態をそれぞれ示している。図2において、説明の便宜上、ホール素子Hを、ブリッジ接続された4個の抵抗値(またはブリッジ抵抗値)R1~R4で、バイアス源をIrefで、そして電圧出力を増幅する差動増幅器をAMPで示している。 Next, FIGS. 2(A)-(D) show the bias source and bias source in the four operating states 0 deg, 90 deg, 180 deg and 270 deg of the Hall element H described above with reference to FIGS. 1(A) and 1(B). Each shows a connection state of a differential amplifier (AMP). In FIG. 2, for convenience of explanation, the Hall element H is represented by four bridge-connected resistance values (or bridge resistance values) R1 to R4, the bias source is Iref, and the differential amplifier for amplifying the voltage output is AMP. is shown.

図2より、零磁場状態を仮定すると、動作状態0degでは、端子Aの電圧は、
VA={(R1+R3)//(R2+R4)}IREF
となり、端子B、端子Dはそれぞれ、
VB={R4/(R2+R4)}*VA
VD={R3/(R1+R3)}*VA
となる。端子BとD間の電圧差であるオフセット電圧Vofsは、
Vofs=VB-VD=IREF(R1R4-R2R3)/(R1+R2+R3+R4)となる。したがって、R1R4=R2R3となる条件ではオフセット電圧は発生しないが、ミスマッチにより、R1R4≠R2R3となると、オフセット電圧Vofsが発生する。
Assuming a zero magnetic field state from FIG.
VA={(R1+R3)//(R2+R4)}IREF
As a result, terminals B and D are respectively
VB={R4/(R2+R4)}*VA
VD={R3/(R1+R3)}*VA
becomes. The offset voltage Vofs, which is the voltage difference between terminals B and D, is
Vofs=VB-VD=IREF(R1R4-R2R3)/(R1+R2+R3+R4). Therefore, no offset voltage is generated under the condition of R1R4=R2R3, but the offset voltage Vofs is generated when R1R4≠R2R3 due to mismatch.

同様に零磁場状態を仮定し、動作状態90degのオフセット電圧を考えると、端子CとA間からは、VC-VA=Vofs、動作状態180degの端子DとB間からは、VD-VB= Vofs、動作状態270degの端子AとC間からはVA-VC=Vofsが出力される。 Similarly, assuming a zero magnetic field state and considering the offset voltage in the operating state of 90 degrees, VC-VA = Vofs from terminals C and A, and VD-VB = Vofs from terminals D and B in the operating state of 180 degrees. , VA-VC=Vofs is output from terminals A and C in the operating state of 270 degrees.

磁場に依存した出力(感度電圧)Vhallと、上述したミスマッチによって発生したオフセット電圧Vofsが加算されたものがホール素子出力VOHとなるため、4つの動作状態(0deg、90deg、180deg、270deg)のホール素子出力は下記表1となる。表1より、0degと90degの差分÷2、90degと180degの差分÷2、180degと270degの差分÷2、270degと0degの差分÷2を計算すると、オフセットをキャンセルでき、感度電圧のみを抽出できる。これがスピニング測定の原理である。図1(B)、図2および表1は、90deg回転させたときの電圧出力を得る端子方向を反転させているため、感度電圧の極性が交互に切り替わるため、これを感度変調と呼ぶ。90deg回転させたときの電圧出力を得る端子方向を反転させなければ、表2に示すように、オフセット電圧の極性が交互に切り替わるため、これをオフセット変調と呼ぶ。オフセット変調では、0degと90degの平均、90degと180degの平均、180degと270degの平均、270degと0degの平均を計算すると、オフセットをキャンセルでき、感度電圧のみを抽出できる。

Figure 2023062648000002
Figure 2023062648000003
The sum of the output (sensitivity voltage) Vhall depending on the magnetic field and the offset voltage Vofs generated by the above-described mismatch is the Hall element output VOH. The device output is shown in Table 1 below. From Table 1, by calculating the difference between 0 deg and 90 deg ÷ 2, the difference between 90 deg and 180 deg ÷ 2, the difference between 180 deg and 270 deg ÷ 2, and the difference between 270 deg and 0 deg ÷ 2, the offset can be canceled and only the sensitivity voltage can be extracted. . This is the principle of spinning measurement. In FIG. 1B, FIG. 2 and Table 1, the direction of the terminal for obtaining the voltage output when rotated by 90 degrees is reversed, so the polarity of the sensitivity voltage is alternately switched, and this is called sensitivity modulation. If the terminal direction for obtaining the voltage output when rotated by 90 degrees is not reversed, the polarity of the offset voltage is alternately switched as shown in Table 2. This is called offset modulation. In offset modulation, by calculating the average of 0deg and 90deg, the average of 90deg and 180deg, the average of 180deg and 270deg, and the average of 270deg and 0deg, the offset can be canceled and only the sensitivity voltage can be extracted.
Figure 2023062648000002
Figure 2023062648000003

しかし、実際には、ホール素子のホールプレートとバックゲート間に形成されるPN接合に、逆バイアス電圧依存性による空乏層幅の変化があり、例えば、ホールプレートがN型半導体でバックゲートがP型半導体の場合、0deg状態では電圧が高いトップ側(端子A側)のホールプレート厚みよりも、電圧が低いボトム側(端子B側)のホールプレート厚みが薄くなる。したがって、トップ側の抵抗R1、R2の抵抗値が高くなり、ボトム側のR3、R4の抵抗値が小さくなる。この効果によって、抵抗のミスマッチ発生箇所がトップ側にある場合と、ボトム側にある場合で、オフセットの生じ方が変化する。例として、R1にミスマッチがあるときのスピニング測定を考える。ここで、抵抗のミスマッチ発生箇所がトップ側にある状態のオフセットをVofs1、ボトム側にあるときのオフセットをVofs2と仮定する。0deg、270deg状態では、抵抗のミスマッチ発生箇所がトップ側になるので、オフセットはVofs1となり、90deg、180deg状態では、抵抗のミスマッチ発生箇所がボトム側になるので、オフセットはVofs2となる。したがって、0degと90degの組み合わせにおけるスピニング測定では残留オフセットが生じ、90degと180degの組み合わせにおけるスピニング測定では残留オフセットが零となり、180degと270degの組み合わせにおけるスピニング測定では残留オフセットが生じ、270degと0degの組み合わせにおけるスピニング測定では残留オフセットが零となる。同様にして、R2、R3、R4にミスマッチが発生した時のオフセット電圧も考えることができ、これを表3にまとめる。表3より、R1、R4にミスマッチがあるときと、R2、R3にミスマッチがあるときで、オフセットの生じ方が異なることが分かる。また、ミスマッチは製造時にランダムに発生し、応力変化の影響も受けるため、R1、R2、R3、R4のどこにミスマッチが発生するかはわからない。また、上述したように、スピニング測定時には、残留オフセットが零→有→零→有と交互に生じるため、ホール出力においてはACノイズとして現れる。

Figure 2023062648000004
However, in reality, the PN junction formed between the Hall plate and the back gate of the Hall element has a change in depletion layer width due to the dependence of the reverse bias voltage. In the case of a type semiconductor, in the 0 deg state, the thickness of the hole plate on the bottom side (terminal B side) where the voltage is low is thinner than the thickness of the hole plate on the top side (terminal A side) where the voltage is high. Therefore, the resistance values of the top-side resistors R1 and R2 are increased, and the resistance values of the bottom-side resistors R3 and R4 are decreased. Due to this effect, the occurrence of offset changes depending on whether the resistor mismatch occurs on the top side or on the bottom side. As an example, consider a spinning measurement when there is a mismatch in R1. Here, it is assumed that the offset is Vofs1 when the resistor mismatch occurs on the top side, and the offset is Vofs2 when it is on the bottom side. In the 0 deg and 270 deg states, the resistor mismatch occurs on the top side, so the offset is Vofs1. In the 90 deg and 180 deg states, the resistor mismatch occurs on the bottom side, so the offset is Vofs2. Therefore, a residual offset occurs in the spinning measurement in the combination of 0deg and 90deg, the residual offset becomes zero in the spinning measurement in the combination of 90deg and 180deg, the residual offset occurs in the spinning measurement in the combination of 180deg and 270deg, and the combination of 270deg and 0deg. The spinning measurement at has zero residual offset. Similarly, offset voltages when mismatches occur in R2, R3, and R4 can also be considered, which are summarized in Table 3. From Table 3, it can be seen that the offset occurs differently when there is a mismatch in R1 and R4 and when there is a mismatch in R2 and R3. Moreover, since mismatches occur randomly during manufacturing and are also affected by stress changes, it is not known at which of R1, R2, R3, and R4 mismatches will occur. In addition, as described above, since the residual offset alternately occurs in the order of 0→present→zero→present during spinning measurement, it appears as AC noise in the Hall output.
Figure 2023062648000004

従来技術においては、ホールプレートとバックゲート端子間に形成されるPN接合の逆バイアス電圧依存性により、スピニング測定時に残留オフセットやACノイズが発生する課題があった。 In the prior art, there was a problem that residual offset and AC noise were generated during spinning measurement due to the reverse bias voltage dependence of the PN junction formed between the Hall plate and the back gate terminal.

本発明のホール素子センサは、4つの動作状態(0deg、90deg、180degおよび270deg)を有するホール素子センサにおいて、前記4つの動作状態のオフセット電圧を測定し、隣接する動作状態のうち、オフセット電圧差が小さい組みあわせを選択し、前記組み合わせにおけるスピニング測定を繰り返すことで、スピニング測定時に発生する残留オフセット及びACノイズを効果的に抑圧する。 The Hall element sensor of the present invention measures the offset voltages of the four operating states (0deg, 90deg, 180deg and 270deg) in the Hall element sensor having four operating states, and measures the offset voltage difference among the adjacent operating states. By selecting a combination with a small , and repeating the spinning measurement in said combination, the residual offset and AC noise generated during the spinning measurement are effectively suppressed.

本発明のホール素子センサおよびその動作方法によると、上記ミスマッチ抑制のために大きなホール素子を使用したり、上記ACノイズ抑制のために大容量のフィルタキャパシタ等の付加回路を使用したりすることなく、ホール素子のスピニング測定時に発生する残留オフセット及びACノイズを効果的に抑圧するという顕著な効果を有する。 According to the Hall element sensor and its operation method of the present invention, there is no need to use a large Hall element for suppressing the mismatch, or to use an additional circuit such as a large-capacity filter capacitor for suppressing the AC noise. , has a significant effect of effectively suppressing the residual offset and AC noise generated during the spinning measurement of the Hall element.

一般的な半導体ホール素子の説明図であり、(A)はホール素子の模型図、(B)はホール素子の4つの動作状態を説明する表図である。BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS It is explanatory drawing of a general semiconductor Hall element, (A) is a model diagram of a Hall element, (B) is a table|surface explaining four operation states of a Hall element. 図1に示すようなホール素子を使用するホール素子センサの動作状態の説明図であり、(A)は動作状態0deg、(B)は動作状態90deg、(C)は動作状態180deg、(D)は動作状態270degを示す。It is explanatory drawing of the operating state of the Hall element sensor which uses a Hall element as shown in FIG. 1, (A) is operating state 0deg, (B) is operating state 90deg, (C) is operating state 180deg, (D) indicates an operating state of 270deg. 本発明によるホール素子センサの基本構成を示すブロック図である。1 is a block diagram showing the basic configuration of a Hall element sensor according to the present invention; FIG. 本発明の実施の形態1におけるホール素子センサ及びその動作方法を示すタイミングチャート図である。FIG. 2 is a timing chart diagram showing the Hall element sensor and its operation method according to Embodiment 1 of the present invention. 本発明の実施の形態2におけるホール素子センサ及びその動作方法を示すタイミングチャート図である。It is a timing chart figure which shows the hall element sensor in Embodiment 2 of this invention, and its operation method.

図3は、本発明によるホール素子センサの基本構成を示すブロック図である。本発明のホール素子センサは、ホール素子101、スイッチマトリックス102、バイアス生成部103、制御回路104、ホール感度測定回路105、ホールオフセット測定回路106により構成される。 FIG. 3 is a block diagram showing the basic configuration of the Hall element sensor according to the present invention. The Hall element sensor of the present invention comprises a Hall element 101, a switch matrix 102, a bias generator 103, a control circuit 104, a Hall sensitivity measuring circuit 105 and a Hall offset measuring circuit .

ホール素子101は、半導体チップに形成または搭載される少なくとも一つのシリコンホール素子である。バイアス生成部103は、ホール素子101の選択された対角位置にある1対の端子に選択的かつ選択された方向に所定電流を流す定電圧源または定電流源である。ホール素子の駆動方法は、電圧モードであっても良いが、電流モードであっても良い。スイッチマトリックス102は、好ましくはMOS半導体により構成される電子スイッチマトリックスである。制御回路104は、ホール素子への電流を流す方向及び、ホール素子から電圧を取り出す端子対を切り替えて、0deg、90deg、180deg、270degのスピン状態を遷移させる制御信号をスイッチマトリクス102に供給し、スピニング測定によって変調されたホール出力VOHに含まれたオフセット電圧をキャンセルするように、ホール感度測定回路105を制御し、4つのスピン状態(0deg、90deg、180deg、270deg)のオフセット電圧を測定するようにホールオフセット測定回路106を制御し、ホールオフセット測定回路106から出力された、各スピン状態に対応した4つのオフセット電圧Vofs=(a1、a2、a3、a4)が入力され、前記4つのオフセット電圧から隣接する動作状態のオフセット電圧差が小さくなる組み合わせを選択して、前記組み合わせにおけるスピニング測定を繰り返すように制御を行う、ロジック回路またはマイクロプロセッサである。ここで、スピニング測定の方式は、感度変調であっても良いが、オフセット変調であっても良い。ホール感度測定回路105は、スピニング測定によって変調されたホール出力VOHから、オフセット電圧をキャンセルするように動作する回路である。ホール感度測定回路105は、増幅回路、フィルタ回路、復調回路等を含むアナログ回路のみで構成されたものであっても良いし、ホール出力VOH信号をアナログデジタル変換器でデジタル信号に変換した後にデジタル信号処理でオフセットをキャンセルするようなアナログデジタル混載の回路構成でも良い。ホールオフセット測定回路106は、4つのスピン状態(0deg、90deg、180deg、270deg)のオフセット電圧を増幅器、アナログデジタル変換器で測定し、各スピン状態に対応した4つのオフセット電圧Vofs=(a1、a2、a3、a4)を出力する回路である。前記ホールオフセット測定回路106は、直接的にオフセットを測定するものであっても良いが、ホール素子の隣接する端子間の抵抗値を測定するようにスイッチマトリックス102を制御し、4つの抵抗値(R1、R2、R3、R4)を取得した結果より、オフセット電圧を推定するものであってもよい。前記ホールオフセット測定回路106は、ホールIC内部に搭載しても良いが、チップの外部(テスタ等)に実装しても良い。 Hall element 101 is at least one silicon Hall element formed or mounted on a semiconductor chip. The bias generation unit 103 is a constant voltage source or a constant current source that selectively supplies a predetermined current in a selected direction to a pair of terminals at selected diagonal positions of the Hall element 101 . A method of driving the Hall element may be a voltage mode or a current mode. Switch matrix 102 is an electronic switch matrix preferably constructed from MOS semiconductors. The control circuit 104 supplies the switch matrix 102 with a control signal that switches the direction of the current flow to the Hall element and the terminal pair that extracts the voltage from the Hall element, thereby transitioning the spin states of 0 deg, 90 deg, 180 deg, and 270 deg, Control the Hall sensitivity measurement circuit 105 to cancel the offset voltage contained in the Hall output VOH modulated by the spinning measurement, and measure the offset voltage of the four spin states (0deg, 90deg, 180deg, 270deg). , the Hall offset measurement circuit 106 is controlled, four offset voltages Vofs=(a1, a2, a3, a4) corresponding to each spin state output from the Hall offset measurement circuit 106 are input, and the four offset voltages A logic circuit or a microprocessor that selects a combination from which the offset voltage difference between adjacent operating states is small and repeats the spinning measurement in the combination. Here, the spinning measurement method may be sensitivity modulation or offset modulation. The Hall sensitivity measurement circuit 105 is a circuit that operates to cancel the offset voltage from the Hall output VOH modulated by the spinning measurement. The Hall sensitivity measurement circuit 105 may be composed only of an analog circuit including an amplifier circuit, a filter circuit, a demodulator circuit, etc., or may convert the Hall output VOH signal into a digital signal with an analog-to-digital converter and convert it into a digital signal. An analog-digital mixed circuit configuration that cancels the offset in signal processing may be used. Hall offset measurement circuit 106 measures the offset voltages of four spin states (0deg, 90deg, 180deg, 270deg) with an amplifier and an analog-to-digital converter, and obtains four offset voltages Vofs=(a1, a2 , a3, a4). The Hall offset measurement circuit 106 may directly measure the offset, but it controls the switch matrix 102 to measure the resistance between adjacent terminals of the Hall element, and the four resistance values ( R1, R2, R3, R4) may be used to estimate the offset voltage. The Hall offset measuring circuit 106 may be mounted inside the Hall IC, or may be mounted outside the chip (tester, etc.).

実施の形態1
図4は、本発明の実施の形態1におけるホール素子センサ及びその動作方法を示すタイミングチャート図である。図4(A)は図2においてR2にミスマッチがあり、感度変調動作の場合、図4(B)は図2においてR1にミスマッチがあり、感度変調動作の場合、図4(C)は図2においてR2にミスマッチがあり、オフセット変調動作の場合、図4(D)は図2においてR1にミスマッチがあり、オフセット変調の場合を示す。
Embodiment 1
FIG. 4 is a timing chart showing the Hall element sensor and its operating method according to Embodiment 1 of the present invention. FIG. 4A shows a mismatch in R2 in FIG. 2, and in the case of sensitivity modulation operation, FIG. 4(D) shows the case of mismatch in R1 in FIG. 2 and offset modulation.

本発明のホール素子センサ及びその動作は、ホールオフセット測定期間と、スピニング測定を行うホールセンサ動作期間に分かれている。ホールオフセット測定期間では、ホール素子101が4つの状態(0deg、90deg、180deg、270deg)に切り替わるように、制御回路104が制御信号CONTROL3を生成し、制御信号CONTROL3が入力されたスイッチマトリックス102が、ホール素子の4つの端子VA、VB、VC、VDの接続切替えを行う。この際、ホールオフセット測定回路105は、制御回路104からの制御信号CONTOL2により、4つのスピン状態(0deg、90deg、180deg、270deg)のオフセット電圧を、増幅器、アナログデジタル変換器を用いて測定し、各スピン状態に対応した4つのオフセット電圧Vofs=(a1、a2、a3、a4)を制御回路104に出力する。前記ホールオフセット測定は、ホールオフセット測定期間だけでなく、ホールセンサ動作期間にも、常時実施しても良いが、電源起動時のみに実施、またはホールIC製造後のテスト時のみに実施しても良い。また、前記ホールオフセット測定を複数回行い、平均値をとることで、耐ノイズ性を向上させても良いし、前記ホールオフセット測定を複数回行い、オフセット測定結果の絶対値と変動幅から、外部磁場によるオフセット電圧の急激な変化がないこと判定し、零磁場状態に近い状態でのオフセット測定結果のみを使用する動作でも良い。 The Hall element sensor of the present invention and its operation are divided into a Hall offset measurement period and a Hall sensor operation period for performing spinning measurement. During the Hall offset measurement period, the control circuit 104 generates the control signal CONTROL3 so that the Hall element 101 is switched between four states (0deg, 90deg, 180deg, 270deg), and the switch matrix 102 to which the control signal CONTROL3 is input, The connections of the four terminals VA, VB, VC, and VD of the Hall element are switched. At this time, the Hall offset measurement circuit 105 measures the offset voltages of the four spin states (0deg, 90deg, 180deg, 270deg) using an amplifier and an analog-to-digital converter according to the control signal CONTROL2 from the control circuit 104, Four offset voltages Vofs=(a1, a2, a3, a4) corresponding to each spin state are output to the control circuit 104 . The Hall offset measurement may be performed not only during the Hall offset measurement period but also during the Hall sensor operation period. good. Further, the Hall offset measurement may be performed a plurality of times and the average value may be taken to improve the noise resistance. It is also possible to determine that there is no abrupt change in the offset voltage due to the magnetic field, and to use only the offset measurement result in a state close to the zero magnetic field state.

ホールセンサ動作期間では、制御回路104は、4つのオフセット電圧Vofs=(a1、a2、a3、a4)の測定結果より、隣接する動作状態のうち、オフセット電圧差が最も小さい第1の動作状態の組みあわせと、次点でオフセット電圧差が小さい第2の動作状態の組みあわせを選択する。図4(A)、(C)に示すような、R2にミスマッチがある場合は、0degと90degの組み合わせと、180degと270degの組み合わせでオフセットキャンセルする様に、制御回路104が制御信号CONTROL1をホール感度測定回路105に出力し、ホール感度測定回路105が0degと90degの組み合わせ、180degと270degの組み合わせでオフセットキャンセルを繰り返す。図4(B)、(D)に示すような、R1にミスマッチがある場合は、90degと180degの組み合わせ、270degと0degの組み合わせでオフセットキャンセルする様に、制御回路104が制御信号CONTROL1をホール感度測定回路105に出力し、ホール感度測定回路105が90degと180degの組み合わせ、270degと0degの組み合わせでオフセットキャンセルを行う。 During the Hall sensor operation period, the control circuit 104 selects the first operation state having the smallest offset voltage difference among the adjacent operation states from the measurement results of the four offset voltages Vofs=(a1, a2, a3, a4). A combination and a second operating state combination having a smaller offset voltage difference at the next point are selected. If there is a mismatch in R2 as shown in FIGS. 4A and 4C, the control circuit 104 holds the control signal CONTROL1 so as to cancel the offset in the combination of 0deg and 90deg and the combination of 180deg and 270deg. It is output to the sensitivity measurement circuit 105, and the Hall sensitivity measurement circuit 105 repeats offset cancellation with a combination of 0deg and 90deg and a combination of 180deg and 270deg. When there is a mismatch in R1 as shown in FIGS. 4B and 4D, the control circuit 104 outputs the control signal CONTROL1 with Hall sensitivity so as to cancel the offset with a combination of 90deg and 180deg and a combination of 270deg and 0deg. It is output to the measurement circuit 105, and the Hall sensitivity measurement circuit 105 performs offset cancellation with a combination of 90deg and 180deg and a combination of 270deg and 0deg.

実施の形態2
図5は、本発明の実施の形態2におけるホール素子センサ及びその動作方法を示すブロック図である。図5(A)は図2においてR2にミスマッチがあり、感度変調動作の場合、図5(B)は図2においてR1にミスマッチがあり、感度変調動作の場合、図5(C)は図2においてR2にミスマッチがあり、オフセット変調動作の場合、図5(D)は図2においてR1にミスマッチがあり、オフセット変調の場合を示す。
Embodiment 2
FIG. 5 is a block diagram showing a Hall element sensor and its operating method according to Embodiment 2 of the present invention. FIG. 5A shows a mismatch in R2 in FIG. 2, and in the case of sensitivity modulation operation, FIG. In the case of offset modulation operation with a mismatch in R2, FIG. 5D shows the case of offset modulation with a mismatch in R1 in FIG.

本発明のホール素子センサ及びその動作は、ホールオフセット測定期間と、スピニング測定を行うホールセンサ動作期間に分かれている。ホールオフセット測定期間の動作は、上述した実施の形態1と同様であるので割愛する。 The Hall element sensor of the present invention and its operation are divided into a Hall offset measurement period and a Hall sensor operation period for performing spinning measurement. The operation during the hole offset measurement period is the same as that of the first embodiment described above, so the description thereof is omitted.

ホールセンサ動作期間では、制御回路104は、4つのオフセット電圧Vofs=(a1、a2、a3、a4)より、隣接する動作状態のうち、オフセット電圧差が最も小さい第1の動作状態の組みあわせを選択する。もし、最も小さい第1の動作状態の組みあわせが複数検出された場合は、オフセットの絶対値が最小のものを選択する。図5(A)、(C)に示すような、R2にミスマッチがある場合では、0degと90degの組み合わせのオフセット電圧差が最も小さいので、0degと90degの組み合わせのみでホール素子101をスピンさせて、オフセットキャンセルする様に、制御回路104が制御信号CONTROL3を生成し、制御信号CONTROL3が入力されたスイッチマトリックス102が、ホール素子の4つの端子VA、VB、VC、VDの接続切替えを行う。0degと90degの組み合わせでオフセットキャンセルする様に、制御回路104が制御信号CONTROL1を生成し、制御信号CONTROL1が入力されたホール感度測定回路105が、0degと90degの組み合わせでオフセットキャンセルを繰り返す。図5(B)、(D)に示すような、R1にミスマッチがある場合では、270degと0degの組み合わせのオフセット電圧差が最も小さいので、270degと0degの組み合わせでホール素子101をスピンさせて、オフセットキャンセルする様に、制御回路104が制御信号CONTROL3を生成し、制御信号CONTROL3が入力されたスイッチマトリックス102が、ホール素子の4つの端子VA、VB、VC、VDの接続切替えを行う。また、270degと0degの組み合わせでオフセットキャンセルする様に、制御回路104が制御信号CONTROL1を生成し、制御信号CONTROL1が入力されたホール感度測定回路105が、270degと0degの組み合わせでオフセットキャンセルを繰り返す。 During the Hall sensor operation period, the control circuit 104 selects a combination of the first operation state with the smallest offset voltage difference among the adjacent operation states from the four offset voltages Vofs=(a1, a2, a3, a4). select. If multiple combinations of the smallest first operating states are detected, the one with the smallest absolute value of the offset is selected. When there is a mismatch in R2 as shown in FIGS. 5A and 5C, the combination of 0deg and 90deg has the smallest offset voltage difference. , the control circuit 104 generates a control signal CONTROL3 so as to cancel the offset, and the switch matrix 102 to which the control signal CONTROL3 is input switches connection of the four terminals VA, VB, VC, and VD of the Hall element. The control circuit 104 generates the control signal CONTROL1 so as to cancel the offset with a combination of 0deg and 90deg, and the Hall sensitivity measurement circuit 105 to which the control signal CONTROL1 is input repeats the offset cancellation with a combination of 0deg and 90deg. When there is a mismatch in R1 as shown in FIGS. 5B and 5D, the combination of 270deg and 0deg has the smallest offset voltage difference. The control circuit 104 generates the control signal CONTROL3 so as to cancel the offset, and the switch matrix 102 to which the control signal CONTROL3 is input switches connection of the four terminals VA, VB, VC, and VD of the Hall element. Further, the control circuit 104 generates the control signal CONTROL1 so as to cancel the offset with the combination of 270deg and 0deg, and the Hall sensitivity measurement circuit 105 to which the control signal CONTROL1 is input repeats the offset cancellation with the combination of 270deg and 0deg.

実施の形態1、実施の形態2で示した様に、本発明のホール素子センサ及びその動作方法は、4つの動作状態(0deg 、90deg、180degおよび270deg)を有するホール素子センサにおいて、前記4つの動作状態のオフセット電圧を測定し、隣接する動作状態のうち、オフセット電圧差が小さい組みあわせを選択し、前記組み合わせにおけるスピニング測定を繰り返すことで、スピニング測定時に発生する残留オフセット及びACノイズを効果的に抑圧する。 As shown in Embodiments 1 and 2, the Hall element sensor and the operating method thereof according to the present invention provide a Hall element sensor having four operating states (0deg, 90deg, 180deg and 270deg). By measuring the offset voltage in the operating state, selecting a combination with a small offset voltage difference from adjacent operating states, and repeating the spinning measurement in the combination, the residual offset and AC noise generated during the spinning measurement can be effectively removed. suppress to

本発明のホール素子センサ及びその動作方法は、大きなホール素子や、大容量のフィルタキャパシタ等の付加回路を使用することなく、ホール素子のスピニング測定時に発生する残留オフセット及びAC雑音を効果的に抑圧するため、ホール素子センサの小型化、高精度化に顕著な効果を有し、IC技術により小型且つ安価に製造可能であるので、電気モータの可変速制御を行うための電流センサ等を含む広範囲の利用が可能である。 The Hall element sensor and its operation method of the present invention effectively suppresses the residual offset and AC noise generated when measuring the spinning of the Hall element without using an additional circuit such as a large Hall element or a large-capacity filter capacitor. Therefore, it has a remarkable effect on miniaturization and high accuracy of the Hall element sensor, and it can be manufactured in a small size and at a low cost by IC technology. is available.

101 ホール素子
102 スイッチマトリックス
103 バイアス生成部
104 制御回路
105 ホール感度測定回路
106 ホールオフセット測定回路
101 Hall element 102 Switch matrix 103 Bias generator 104 Control circuit 105 Hall sensitivity measurement circuit 106 Hall offset measurement circuit

Claims (10)

それぞれ対角位置に2対の端子が設けられ、4つの動作状態(0deg 、90deg、180degおよび270deg)を有するホール素子センサの動作状態をスイッチの切り替えにより選択するホール素子センサの動作方法において、前記4つの動作状態のオフセット電圧を測定し、隣接する動作状態のうち、オフセット電圧差が小さい組みあわせを選択し、前記組み合わせにおけるスピニング測定を繰り返すことを特徴とするホール素子センサ及びその動作方法。 In the method for operating a Hall element sensor, wherein two pairs of terminals are provided at diagonal positions and four operating states (0 deg, 90 deg, 180 deg and 270 deg) are selected by switching a switch. A Hall element sensor and its operating method characterized by measuring offset voltages in four operating states, selecting a combination with a small offset voltage difference from adjacent operating states, and repeating spinning measurement in said combination. 前記隣接する動作状態のうち、オフセット電圧差が最も小さい第1の動作状態の組みあわせと、次点でオフセット電圧差が小さい第2の動作状態の組みあわせを選択し、前記第1の動作状態の組み合わせにおけるスピニング測定と、前記第2の動作状態の組み合わせにおけるスピニング測定を繰り返すことを特徴とする請求項1に記載のホール素子センサ及びその動作方法。 A combination of a first operating state having the smallest offset voltage difference and a combination of a second operating state having the next smallest offset voltage difference are selected from among the adjacent operating states, and the first operating state is selected. and the spinning measurement in the second operating state combination are repeated. 前記第1の動作状態の組み合わせにおけるスピニング測定結果と、前記第2の動作状態の組み合わせにおけるスピニング測定結果を平均することを含む請求項2に記載のホール素子センサ及びその動作方法。 3. The Hall element sensor and method of operation of claim 2, comprising averaging the spinning measurement results in the first operating state combination and the spinning measurement results in the second operating state combination. 前記第1の動作状態の組み合わせにおけるスピニング測定と、前記第2の動作状態の組み合わせにおけるスピニング測定の間、前記4つの動作状態のオフセット電圧を測定し、前記第1の動作状態の組みあわせと、前記第2の動作状態の組み合わせを更新することを含む請求項2に記載のホール素子センサ及びその動作方法。 measuring offset voltages for the four operating states between spinning measurements in the first operating state combination and spinning measurements in the second operating state combination; 3. The Hall element sensor and method of operation of claim 2, comprising updating the combination of the second operating states. 前記隣接する動作状態のうち、オフセット電圧差が最も小さい第3の動作状態の組みあわせを選択し、前記第3の動作状態の組み合わせのスピニング測定を繰り返すことを特徴とする請求項1に記載のホール素子センサ及びその動作方法。 2. The method according to claim 1, wherein a combination of a third operating state having a smallest offset voltage difference is selected from among the adjacent operating states, and the spinning measurement of the combination of the third operating states is repeated. Hall element sensor and method of operation thereof. 前記4つの動作状態のオフセット電圧を、ホール素子の隣接する端子間の抵抗値より推定することを含む請求項1に記載のホール素子センサ及びその動作方法。 2. The Hall element sensor and its operating method according to claim 1, further comprising estimating the offset voltages in said four operating states from resistance values between adjacent terminals of the Hall element. 電源起動時に、前記第1の動作状態の組みあわせと、前記第2の動作状態の組み合わせを更新することを含む請求項1に記載のホール素子センサ及びその動作方法。 2. The Hall element sensor and the operating method thereof according to claim 1, comprising updating the combination of the first operating state and the combination of the second operating state at power-on. ホール素子センサのテスト時に、前記第1の動作状態の組みあわせと、前記第2の動作状態の組み合わせを更新することを含む請求項1に記載のホール素子センサ及びその動作方法。 2. The Hall element sensor and method of operation of claim 1, comprising updating the first operating state combination and the second operating state combination when testing the Hall element sensor. 前記4つの動作状態のオフセット電圧を複数回測定し、オフセット電圧の絶対値と変動幅より、零磁場状態であることを判定した後に、前記4つの動作状態のオフセット電圧差が小さい組みあわせを選択することを含む請求項1に記載のホール素子センサ及びその動作方法。 After measuring the offset voltages in the four operating states multiple times and judging the zero magnetic field state from the absolute values and fluctuation widths of the offset voltages, a combination with a small offset voltage difference between the four operating states is selected. The Hall element sensor and method of operation thereof of claim 1, comprising: 前記4つの動作状態のオフセット電圧を複数回測定して平均化した測定データを使用し、前記4つの動作状態のオフセット電圧差が小さい組みあわせを選択することを含む請求項1に記載のホール素子センサ及びその動作方法。 2. The Hall element according to claim 1, comprising selecting a combination with a small offset voltage difference between the four operating states by using measurement data obtained by measuring the offset voltages of the four operating states multiple times and averaging them. Sensor and method of operation.
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