CN101937063A - 磁场传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种磁场传感器芯片，包括：磁阻传感器；霍尔传感器；控制集成电路，所述控制集成电路与所述霍尔传感器处于同一层，并围绕所述霍尔传感器，所述控制集成电路接收并处理所述磁阻传感器和霍尔传感器的输出信号。所述控制集成电路可包括电源偏置电路和信号处理电路，并可进一步包括时序控制电路和信号选通电路。所述磁场传感器可制作在钝化隔离层上。本发明的磁场传感器芯片可以检测三轴全向磁场变化，具有功耗低、面积小、灵敏度高、抗干扰能力强和输出波形稳定等优点。

Description

磁场传感器

技术领域

本发明一般涉及磁场传感器，特别涉及一种单片集成的三轴全向磁场传感器。

背景技术

如图1所示，磁阻传感器检测平行于感应元件方向的磁场变化。在各向异性磁阻电桥式传感器中，具有磁阻效应的薄膜材料以不同的形状制作在基片上(基片可以是硅、锗硅、砷化镓等半导体材料或二氧化硅等绝缘材料)，以检测本地磁场的强度和方向。通常，磁阻传感器采用薄膜合金，它是一种包含镍和铁的铁磁合金。磁阻传感器的电桥结构采用恒定电压或电流偏置，当外部磁场的大小或方向发生变化时，传感器的电阻会相应地变化，电阻的改变会导致电阻两端的电压降发生变化。因此，通过检测这种电压降的变化就可以间接测量外部磁场的变化。磁阻传感器也可以检测垂直方向的磁场变化，但是感应效果不佳。磁阻传感器的磁滞特性和特性曲线的线性基本上取决于施加磁场作用于导体的均匀性，早期的磁阻传感器不含用于实现磁场尽可能均匀作用于导体上的任何措施，我国专利CN100420953C中公开了一种使用屏蔽条结构减少磁滞现象和提高线性度的磁阻传感器结构。这种传感器同样只能检测平行于传感器的磁场方向。

如图2所示，霍尔传感器检测垂直于感应元件方向的磁场变化。它的工作原理主要基于半导体材料的霍尔效应。当半导体薄片两端通过控制电流时，如果在其垂直方向上施加磁场，则将会在垂直于电流和磁场平面的方向上产生电势差，通过检测这种电势差，即可推断出外部磁场的变化。霍尔传感器的工作原理决定了这种传感器无法检测平行于感应元件方向上的磁场。由于霍尔传感器的制造工艺和标准集成电路制造工艺一致，美国专利US5627398提出了一种CMOS集成电路中制作霍尔传感器的方法，这种传感器同样只能检测垂直于传感器的磁场方向。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种磁场传感器，能同时检测平行和垂直方向的磁场。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案如下：

一种磁场传感器芯片，包括：磁阻传感器；霍尔传感器；控制集成电路，所述控制集成电路与所述霍尔传感器处于同一层，并围绕所述霍尔传感器，所述控制集成电路接收并处理所述磁阻传感器和霍尔传感器的输出信号。

所述控制集成电路包括电源偏置电路和信号处理电路；所述电源偏置电路向所述磁阻传感器和霍尔传感器输出偏置信号，以开启或关闭所述磁阻传感器和霍尔传感器；所述信号处理电路接收并处理所述磁阻传感器和霍尔传感器的所述输出信号。

所述控制集成电路可进一步包括时序控制电路和信号选通电路；所述时序控制电路向所述电源偏置电路输出偏置控制信号，所述偏置控制信号对所述电源偏置电路输出的所述偏置信号进行控制；所述磁阻传感器和霍尔传感器向所述信号选通电路输出各自的输出信号；所述时序控制电路向所述信号选通电路和信号处理电路输出选通控制信号，所述选通控制信号控制所述信号选通电路输出所述磁阻传感器和霍尔传感器的输出信号之一，并控制所述信号处理电路处理由所述信号选通电路输出的该输出信号。

所述磁场传感器芯片还包括位于所述磁阻传感器与所述同一层之间的钝化隔离层。

所述钝化隔离层设有接触孔，所述磁阻传感器具有连接线，所述磁阻传感器通过所述连接线和接触孔与所述控制集成电路电连接。

所述霍尔传感器位于所述控制集成电路的中心位置。

所述霍尔传感器呈对称结构。

所述磁阻传感器是蛇形导体结构构成的惠斯通电桥，且相邻的所述导体结构彼此垂直。

所述导体结构旁设有屏蔽条。

本发明的磁场传感器芯片将磁阻传感器、霍尔传感器和控制集成电路集成在一起，充分利用磁阻传感器和霍尔传感器各自的特点，可以检测三轴全向磁场变化。它可以同时应用于磁阻传感器和霍尔传感器领域，单片集成的特性使其在应用上能最大限度地节省物理空间。同时由于内部控制集成电路采用了新颖的脉冲偏置、信号读出电路选通共享技术，使得本发明的磁场传感器功耗更低、面积更小。相对于传统的单一型磁阻传感器或霍尔传感器，本发明还具有更好的灵敏度、更强的抗干扰能力和更稳定的输出波形等优点。

附图说明

图1是传统磁阻传感器能够检测的磁场方向的示意图；

图2是传统霍尔传感器能够检测的磁场方向的示意图；

图3是本发明的芯片的整体结构示意图；

图4是本发明的霍尔传感器的剖面示意图；

图5是本发明的霍尔传感器的版图示意图；

图6是本发明的磁阻传感器的结构示意图；

图7是图6的磁阻传感器的等效电路图；

图8是本发明的磁阻传感器的磁滞特性曲线；

图9是本发明的磁阻传感器和一般磁阻传感器的特性曲线比较；

图10是本发明的电路系统框图；

图11示出了本发明的芯片正常工作时消耗的电流大小；

图12是本发明的芯片能够检测的磁场方向的示意图，该芯片在磁场中任意位置都能够有效检测。

具体实施方式

下面根据图3-12，给出本发明的较佳实施例，并予以详细描述，使能更好地理解本发明的功能、特点。

图3所示为本发明的整体结构图，传感器系统制作在半导体衬底13上。该传感器系统包括霍尔传感器11、控制集成电路12和磁阻传感器7，其中，控制集成电路12与霍尔传感器11处于同一层，并围绕霍尔传感器11，控制集成电路12接收并处理磁阻传感器7和霍尔传感器11的输出信号。

霍尔传感器11和控制集成电路12的制作工艺可以是传统硅工艺、SOI工艺、锗硅工艺或砷化镓工艺等。视制作工艺的不同，半导体衬底13可以是硅、砷化镓、锗硅等可以制作出霍尔传感器11和控制集成电路12的半导体材料。由于霍尔传感器的制造工艺和传统集成电路制造工艺相兼容，因此，霍尔传感器11和控制集成电路12制作在同一层，即集成电路层，并使控制集成电路12围绕在霍尔传感器11四周，优选将霍尔传感器11布置在集成电路层面的中心位置。磁阻传感器7制作在集成电路层上的钝化隔离层10上。钝化隔离层10设有接触孔9，磁阻传感器7具有连接线8，磁阻传感器11通过连接线8和接触孔9与控制集成电路12电连接。制作完毕的传感器系统由外部封装14封装。

图4是本发明的霍尔传感器11的剖面示意图。它采用半导体集成电路工艺制作，和控制集成电路12制作工艺兼容，不需要增加额外成本。其中：金属层15作为霍尔传感器11的电流流入或流出端；P隔离示于16；高浓度N掺杂区示于17；SiO2隔离示于18；N阱19作为霍尔材料。受剖面图限制，图中没有标注出霍尔传感器11的电压输出端。

图5是本发明中霍尔传感器11的版图示意图。其中：Bias+和Bias-分别代表霍尔器件的电流流入端和电流流出端，即图4中的金属层15；VH+和VH-分别代表霍尔传感器11的高输出电压端和低输出电压端。版图采用高精度对称结构，能够最大限度地减小结构非对称性引入系统的直流失调电压。

在对钝化隔离层10作工艺平整化处理后，在钝化隔离层10上方制作磁阻传感器电桥。

本发明使用冷阴溅射制备薄膜的方法，通过直流磁控溅射、离子束蚀刻仪器制备磁阻。选择各向异性磁电阻薄膜材料作为磁阻材料，其结构为NiFeCr/NiFe(薄膜厚度在纳米级别)，在NiFe层20nm时磁电阻变化率已高达3％。制作完成后的薄膜电阻外形如图6所示。

如图6所示，磁阻传感器7包括由磁阻材料形成的四个蛇形的导体结构2以及形成导体结构的边界的屏蔽层1。各导体结构2的相邻导体在所示实例中互相电连接构成为惠斯通电桥的电路的分支，相邻的导体结构2彼此垂直。该惠斯通电桥由端子5、6施加电源电压，并由端子3、4引出磁阻传感器7的两个输出电压。

如图7所示，本发明中的磁阻传感器7等效为惠斯通电桥结构。磁阻传感器7的四个信号端子3、4、5和6用于和控制集成电路12相连接。除电源电压端子5和电源地端子6外，磁阻传感器7还有两个信号输出端子3和4输出差分信号进入控制集成电路12。这样做的好处除了能够增加信号幅度、提高传感器信噪比外，还能够最大限度地抑制系统中的共模串扰。

图8是本发明中采用的磁阻传感器7产生的磁感B和磁场的场强H之间的磁滞特性曲线。这个磁滞特性曲线非常陡峭，具有清晰的、可再现的磁滞特性。

图9是本发明中采用的磁阻传感器7和一般的磁阻传感器在施加相同的磁场场强H下的各自输出电压UA的特性曲线。其中，S1代表的是一般的磁阻传感器的特性曲线，S2代表的是本发明中采用的磁阻传感器7的特性曲线。本发明中的磁阻传感器7采用屏蔽条1保证各导体结构2的磁特性，特别是磁滞、线性和灵敏度的特性保持相同，而不受制造工艺的影响。显然，本发明中的磁阻传感器7具有更好的线性。

整个电路系统的框图如图10所示。控制集成电路12的电源偏置电路向磁阻传感器7和霍尔传感器11输出偏置信号，以开启或关闭磁阻传感器7和霍尔传感器11。该偏置信号为两个独立的脉冲信号，能在不同的时段开启或关闭磁阻传感器7和霍尔传感器11。控制集成电路12的信号处理电路接收并处理磁阻传感器7和霍尔传感器11的输出信号。

优选地，控制集成电路12还包括时序控制电路和信号选通电路，其中：

时序控制电路向电源偏置电路输出偏置控制信号，该偏置控制信号对电源偏置电路输出的偏置信号的频率和占空比进行控制；

磁阻传感器7和霍尔传感器11向信号选通电路输出各自的输出信号；

时序控制电路向信号选通电路和信号处理电路输出选通控制信号，该选通控制信号控制信号选通电路输出磁阻传感器7和霍尔传感器11的输出信号之一，并控制信号处理电路处理由信号选通电路输出的该输出信号。

整个电路系统的典型消耗的电流如图11所示，由于采用了脉冲偏置，所以整个系统的消耗电流程脉冲形式，均方根值(RMS)为4uA左右，和同种类型的产品相比，功耗降低了一个数量级。

本发明的传感器由于内部同时集成了磁阻传感器和霍尔传感器，所以能够检测平行和垂直方向的外部磁场，实现三轴全向磁场检测功能，如图12所示。

显然，在上述教导下，可能对本发明进行多种修正和变型，并在所附权利要求的范围内，本发明可实施为不同于具体描述的方式。

Claims (9)

1.一种磁场传感器芯片，包括：

磁阻传感器；

霍尔传感器；

控制集成电路，所述控制集成电路与所述霍尔传感器处于同一层，并围绕所述霍尔传感器，所述控制集成电路接收并处理所述磁阻传感器和霍尔传感器的输出信号。

2.如权利要求1所述的磁场传感器芯片，其特征在于，所述控制集成电路包括电源偏置电路和信号处理电路；所述电源偏置电路向所述磁阻传感器和霍尔传感器输出偏置信号，以开启或关闭所述磁阻传感器和霍尔传感器；所述信号处理电路接收并处理所述磁阻传感器和霍尔传感器的所述输出信号。

3.如权利要求2所述的磁场传感器芯片，其特征在于，所述控制集成电路进一步包括时序控制电路和信号选通电路；所述时序控制电路向所述电源偏置电路输出偏置控制信号，所述偏置控制信号对所述电源偏置电路输出的所述偏置信号进行控制；所述磁阻传感器和霍尔传感器向所述信号选通电路输出各自的输出信号；所述时序控制电路向所述信号选通电路和信号处理电路输出选通控制信号，所述选通控制信号控制所述信号选通电路输出所述磁阻传感器和霍尔传感器的输出信号之一，并控制所述信号处理电路处理由所述信号选通电路输出的该输出信号。

4.如权利要求1至3中任一项所述的磁场传感器芯片，其特征在于，所述磁场传感器芯片还包括位于所述磁阻传感器与所述同一层之间的钝化隔离层。

5.如权利要求4所述的磁场传感器芯片，其特征在于，所述钝化隔离层设有接触孔，所述磁阻传感器具有连接线，所述磁阻传感器通过所述连接线和接触孔与所述控制集成电路电连接。

6.如权利要求4所述的磁场传感器芯片，其特征在于，所述霍尔传感器位于所述控制集成电路的中心位置。

7.如权利要求4所述的磁场传感器芯片，其特征在于，所述霍尔传感器呈对称结构。

8.如权利要求4所述的磁场传感器芯片，其特征在于，所述磁阻传感器是蛇形导体结构构成的惠斯通电桥，且相邻的所述导体结构彼此垂直。

9.如权利要求8所述的磁场传感器芯片，其特征在于，所述导体结构旁设有屏蔽条。

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