JP2023062648A - Hall element sensor and operating method thereof - Google Patents
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Abstract
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).
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
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。
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。
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.
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
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。
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。
FIG. 4 is a timing chart showing the Hall element sensor and its operating method according to
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
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
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。
FIG. 5 is a block diagram showing a Hall element sensor and its operating method according to
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
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
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
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20240924 |