CN104730474A - 磁传感器以及电流传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种磁传感器以及电流传感器。所述磁传感器包括半导体衬底，设置于半导体衬底表面的第一磁敏元件、第二磁敏元件、第三磁敏元件和第四磁敏元件，每个磁敏元件上各自设置一对偏置电极和一对采样电极，所述偏置电极用于在磁敏元件上引入一偏置电流，所述采样电极用于采样由所述偏置电流和一环境磁场共同作用而产生的一霍尔电压，所述四个磁敏元件上的偏置电流方向依次呈90度角。本发明的优点在于，通过设置多个磁敏元件，彼此的电流呈现90角，能够降低磁敏元件自身由于扩散角度不一致，厚薄不一致而造成的偏差。
Description
技术领域
本发明涉及集成电路设计以及封装领域，尤其涉及一种磁传感器以及电流传感器。
背景技术
电流传感器的基本原理是利用电磁感应现象，采用一颗霍尔传感器来检测通过导线的电流大小。现有技术中，通常是采用一颗霍尔传感器来检测磁场强度。
附图1所示是现有技术中霍尔传感器检测对磁场进行检测的基本原理示意图。磁敏元件10的四个角上分别设置电极101～104，磁场B的方向是垂直于图面的。此时在磁敏元件10的电极101和电极103上施加电压Vs，载流子在霍尔效应的作用下，会在电极102和电极104之间产生电势差Vh。Vs和Vh的符号与磁敏元件10的掺杂类型有关。为了放大电压信号，还可以进一步使用动态失调消除技术对信号进行处理。所谓动态失调技术是使用旋转电流法，即在霍尔片上，周期性的在电极101和电极103之间以及电极102和电极104之间上施加电压Vs，使磁敏元件上中的电流发生90度的周期性旋转。
然而，现有技术中磁敏元件10在扩散掺杂的过程中各个角度的扩散厚薄存在不一致，即自身所存在的不均匀性失调电压，这不会因驱动电流方向的改变而改变。因此，上述的动态失调技术，仍然无法解决磁敏元件10自身由于扩散厚薄不一致而造成的偏差，无法适用在有高精度高线性要求的电流传感器产品中。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，提供一种磁传感器以及电流传感器，能够降低磁敏元件自身由于扩散厚薄不一致而造成的偏差。
为了解决上述问题，本发明提供了一种磁传感器，包括半导体衬底，以及设置于半导体衬底表面的第一磁敏元件、第二磁敏元件、第三磁敏元件和第四磁敏元件，每个磁敏元件的表面各自设置一对偏置电极和一对采样电极，所述偏置电极用于在磁敏元件上引入一偏置电流，所述采样电极用于采样由所述偏置电流和一环境磁场共同作用而产生的一霍尔电压，所述四个磁敏元件上的偏置电流方向依次呈90度角。
可选的，所述每个磁敏元件上的偏置电极和采样电极可以互换使用。
可选的，所述第一磁敏元件、第二磁敏元件、第三磁敏元件和第四磁敏元件均第一磁敏元件和第二磁敏元件为正方形，所述偏置电极位于磁敏元件的两个对角上，所述采样电极位于另外两个对角上。
本发明进一步提供了一种电流传感器，包括一半导体衬底以及设置在半导体衬底上的一上述的磁传感器，所述半导体衬底中包括一段弧形导线，当所述弧形导线中通过电流时，所述弧形导线能够在圆弧的中心处形成一耦合磁场的增强区域，所述磁传感器设置于所述增强区域。
本发明的优点在于，通过设置多个磁敏元件，彼此的电流呈现90角，能多方向抵消制作工艺上造成的偏差，同时将获得的多个角度上的有效信号进行相加处理，大大降低有效信号误差，改善了信号噪声，从而降低磁敏元件自身由于扩散角度不一致，厚薄不一致而造成的偏差。
附图说明
附图1所示是现有技术中霍尔传感器检测对磁场进行检测的基本原理示意图。
附图2所示是本发明具体实施方式所述的磁传感器结构示意图。
附图3所示是本发明具体实施方式所述的电流传感器的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明提供的磁传感器以及电流传感器的具体实施方式做详细说明。
附图2所示是本发明所述的磁传感器结构示意图，包括半导体衬底20，半导体衬底20表面的第一磁敏元件21、第二磁敏元件22、第三磁敏元件23、以及第四磁敏元件24。其中第一磁敏元件21上设置一对偏置电极211a、211b和一对采样电极212a、212b。所述偏置电极211a、211b之间在具有电压Vs的情况下，能够在磁敏元件上引入一偏置电流Is，所述采样电极212a、212b用于采样由所述偏置电流Is和一环境磁场B共同作用而产生的一霍尔电压Vh。其它磁敏元件也是相同的设置方式，此处不做赘述。作为优选的实施方式，所述第一磁敏元件21为正方形，所述偏置电极211a、211b位于磁敏元件的两个对角上，所述采样电极212a、212b位于另外两个对角上。在其它的实施方式中，保持两个偏置电极的连接线与采样电极的连接线不平行，即互呈一角度（优选为90度）的情况下，磁敏元件可以是包括菱形，八角形等对称性图形块在内的任意形状。
在现有技术中是采用一片磁敏元件来检测环境磁场B。由于霍尔电压的产生基础是磁敏元件通过掺杂引入的载流子发生迁移，那么显然各个磁敏元件自身由于扩散厚薄不一致而造成的掺杂浓度的偏差就会引起测试的误差。故本具体实施方式中，同时设置了第一磁敏元件21、第二磁敏元件22、第三磁敏元件23、以及第四磁敏元件24，且四个磁敏元件上的偏置电流方向依次呈90度角。这样的设置可以通过将四个磁敏元件的Vs的算术平均值来降低系统误差。对于此种设置，若可以在后续的测试工艺中能够对四个磁敏元件的测试误差进行评估，通过对Vs实施加权平均的运算方式，可以进一步提高结果的精确度。无论采用何种方式做后续的信号处理，以上将四个磁敏元件的偏置电流方向设置成依次呈90度角都是实现后续信号处理的基本结构。
现有技术中使用旋转电流法会存在单个磁敏元件旋转时，对应的Vh和Vs 并不一定相等，会因为工艺的不均匀性存在微弱偏差。导致有效信号的不线性（旋转不同方向的Vh偏差造成 ），和偏置电压的去除不够干净（不同方向的Vs造成）。因为即使5uv的不一致性的偏差，通过后级2000倍左右的放大，也会出现10mv的误差。而上述方案采用4个磁敏元件就会大大提高有效信号的线性度和去除足够干净的偏置电压。
特别需要指出的是，晶圆的掺杂浓度若发生变化，一般是沿着某一方向变化，因此带来的误差在同一方向上是一致的。基于上述原因，四个磁敏元件的偏置电流方向设置成依次呈90度角的设置恰好可以抵消这一误差。
进一步地，也可以设置多个（例如6个或者8个）磁敏元件，其内部的偏置电流依次呈固定的角度（例如60或者45度），可以进一步抵消掺杂浓度变化带来的误差。
以上的偏置电极和采样电极可以互换使用，即仍然可以采用旋转电流法的动态失调消除技术对信号进行处理。旋转电流法是通过周期性的互换偏置电极和采样电极，使磁敏元件上中的电流发生90度的周期性旋转，来去除传感器自身的偏差，理想情况下等效为一惠斯通电桥。若发生旋转，则附图2中的4个磁敏元件中的电流应一同旋转，这样仍然可以保证彼此之间仍然呈90度或180度角。
同时，在多对霍尔传感器的应用下，可以等比放大有效信号输出倍数，而输出的不均匀性失调偏差被有效降低，因此非常适用于霍尔传感器这种微弱灵敏度的磁传感器（一般半导体工艺为50uv/mT），尤其是电流传感器这种要求高精度，高线性度，低噪声的产品。
附图3所示是本发明所述电流传感器的结构示意图，包括一半导体衬底30以及设置在半导体衬底30上的一上述的磁传感器20，其特征在于，所述半导体衬底中包括一段弧形导线31，当所述弧形导线31中通过电流时，所述弧形导线31能够在圆弧的中心处形成一耦合磁场的增强区域，所述磁传感器20设置于所述增强区域。在本具体实施方式中，所述弧形导线31进一步是180度圆弧形，所述磁传感器20设置于圆弧形的圆心处，以获得最大的电磁感应效果。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (4)
1.一种磁传感器，包括半导体衬底，其特征在于，进一步包括设置于半导体衬底表面的第一磁敏元件、第二磁敏元件、第三磁敏元件和第四磁敏元件，每个磁敏元件的表面各自设置一对偏置电极和一对采样电极，所述偏置电极用于在磁敏元件上引入一偏置电流，所述采样电极用于采样由所述偏置电流和一环境磁场共同作用而产生的一霍尔电压，所述四个磁敏元件上的偏置电流方向依次呈90度角。
2.根据权利要求1所述的磁传感器，其特征在于，所述每个磁敏元件上的偏置电极和采样电极可以互换使用。
3.根据权利要求2所述的磁传感器，其特征在于，所述第一磁敏元件、第二磁敏元件、第三磁敏元件和第四磁敏元件均为正方形，所述偏置电极位于磁敏元件的两个对角上，所述采样电极位于另外两个对角上。
4.一种电流传感器，包括一半导体衬底以及设置在半导体衬底上的一权利要求1所述的磁传感器，其特征在于，所述半导体衬底中包括一段弧形导线，当所述弧形导线中通过电流时，所述弧形导线能够在圆弧的中心处形成一耦合磁场的增强区域，所述磁传感器设置于所述增强区域。
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