CN105607017A - 三触点霍尔效应设备的系统和布置及相关方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及三触点霍尔效应设备的系统和布置及相关方法。实施例涉及垂直霍尔效应设备，所述垂直霍尔效应设备包括具有每个霍尔效应区域中的三个触点的霍尔效应结构。在一个实施例中，所述触点与端子互连，使得所述霍尔效应设备具有对称性以及在没有外部施加的磁场的情况下具有标称上相同的内部电阻。实施例能够在多个操作阶段中操作，使得旋转可以用来冗余地对场进行测量，并改进磁场测量精度。

Description

三触点霍尔效应设备的系统和布置及相关方法

技术领域

实施例涉及磁场传感器。更特别地，实施例涉及霍尔效应传感器的布置和配置。

背景技术

霍尔效应传感器在多种系统中被用于测量磁场。霍尔效应传感器使用霍尔效应，由此，由于移动电荷载流子上的洛伦兹力跨导体或半导体生成电压。称为霍尔电压的该电压可以被测量以确定施加的磁场的强度。霍尔电压与电荷载流子的密度成反比。相应地，霍尔效应设备通常由具有比导体相对更低的电荷载流子密度的半导体材料制成。

霍尔效应传感器可以在半导体管芯中垂直或水平地取向。也称为霍尔板的水平霍尔效应设备对垂直于其中它们被形成的管芯的主表面的磁场分量进行响应。相反，垂直霍尔效应设备对平行于管芯主表面的磁场分量进行响应。

霍尔效应传感器可以在半导体芯片或管芯中垂直或水平地取向。也称为霍尔板的水平霍尔效应设备对垂直于其中它们被形成的管芯的主表面的磁场分量进行响应。相反，垂直霍尔效应设备对平行于管芯主表面的磁场分量进行响应。

四触点和三触点霍尔效应设备是已知的。在四触点设备中，将功率（诸如电源电流）从第一触点驱动到第二触点（通常沿主轴与第一触点相对地安置在霍尔效应设备）。第三和第四触点被安置为测量磁场的作用下由电流流动生成的霍尔电压，并且同样地通常沿副轴彼此相对地被安置在霍尔效应设备。第三和第四触点被安置成使得在没有磁场的情况下第三和第四触点处于相同的电位。这通常通过彼此垂直地布置主轴和副轴来实现。

在三触点设备中，将功率（例如电源电流）从第一触点驱动到第二触点。第三触点处的电压不仅是供电功率的函数，而且是在设备敏感的方向上入射到霍尔效应设备上的任何磁场的函数。三触点设备可以被垂直（例如其中基本上沿线布置触点）或水平（例如，其中彼此共面并且不是沿线布置触点的霍尔板）布置。

三触点垂直霍尔效应设备中的触点（例如电源或信号触点）的作用可以被置换以在不同操作阶段中操作霍尔效应设备。该置换被称为旋转。在旋转操作期间产生各种偏移。在给定操作阶段内，在零施加磁场处，可以观察到被称为“原始偏移”的信号电压。通过旋转霍尔效应设备和组合产生的信号电压，可以校正原始偏移中的一些。其余被称为“残余偏移”。“电偏移”是可以通过霍尔效应设备和开关的等价电阻器模型来建模的偏移的部分。“热偏移”指代由于在霍尔效应设备中出现的诸如塞贝克和帕尔贴效应的热效应而产生的偏移误差。

一般说来，霍尔效应设备的旋转方案尝试产生高磁灵敏度，同时减少系统的残余偏移。在旋转期间，相同电流在全部操作阶段中被注入到设备中。然而，因为设备在各种操作阶段中具有不同的内部电阻，所以电源电压对于每个阶段不同。这是缺点，因为电压余量必须被提供在电路中，并且功率被不必要地耗尽在系统中。

发明内容

在实施例中，一种传感器系统包括第一霍尔效应结构，该第一霍尔效应结构包括被非线性地布置在第一霍尔效应区域的顶面处或附近的第一、第二和第三触点。所述第一触点与所述第三触点之间的所述第一霍尔区域的电阻与在没有磁场的情况下所述第二触点和所述第三触点之间的所述第一霍尔区域的电阻基本上相同。所述系统进一步包括第二霍尔效应结构，该第二霍尔效应结构具有被非线性地布置在第二霍尔效应区域的顶面处或附近的第四、第五和第六触点，并且所述第四触点和所述第六触点之间的电阻与在没有磁场的情况下通过所述第五触点和所述第六触点之间的第二霍尔效应区域的电阻基本上相同。所述系统进一步包括一组互连。这些互连包括：连接到第一和第六触点的第一端子；连接到第二触点的第二端子；连接到第三和第四触点的第三端子；以及连接到第五触点的第四端子。

根据另一实施例，一种传感器系统包括：第一霍尔效应结构，其包括第一霍尔效应区域以及被布置在该第一霍尔效应区域的顶面处或附近的第一、第二和第三触点；第二霍尔效应结构，其包括第二霍尔效应区域以及被布置在该第二霍尔效应区域的顶面处或附近的第四、第五和第六触点；第三霍尔效应结构，其具有第三霍尔效应区域以及被布置在该第三霍尔效应区域的顶面处或附近的第七、第八和第九触点；以及第四霍尔效应结构，其具有第四霍尔效应区域以及被布置在该第四霍尔效应区域的顶面处或附近的第十、第十一和第十二触点，其中，第一、第二、第三和第四霍尔效应区域包括相同类型的多数载流子。第一、第六和第十一触点电耦接到第一端子，第二、第七和第十二触点电耦接到第二端子，第三、第四和第八触点电耦接到第三端子，并且第五、第九和第十触点电耦接到第四端子。

根据另一实施例，描述了一种使用传感器系统来感测磁场的方法。所述传感器系统包括第一霍尔效应结构，该第一霍尔效应结构具有被非线性地布置成邻近第一霍尔效应区域的第一、第二和第三触点。所述传感器系统进一步包括第二霍尔效应结构，该第二霍尔效应结构具有被非线性地布置成邻近第二霍尔效应区域的第四、第五和第六触点。所述方法进一步包括通过以下在第一操作阶段中操作所述传感器系统：在连接到第一和第六触点的第一端子处注入电流、保持连接到第三和第四触点的第二端子处在恒定电压、测量第一输出电压、测量连接到所述第五触点的第四端子处的第二输出电压、以及组合所述第一电压和所述第二电压以生成第一操作阶段输出。所述方法进一步包括通过以下在第二操作阶段中操作所述传感器系统：在所述第三端子处注入电流、保持所述第四端子处在恒定电压、测量所述第一端子处的第三输出电压、测量所述第二端子处的第四输出电压、以及组合所述第三电压和所述第四电压以生成第二操作阶段输出。所述方法进一步包括组合所述第一操作阶段输出和所述第二操作阶段输出以生成传感器输出，由此，第一和第二操作阶段输出对相同的磁场分量进行响应。

附图说明

考虑下面的详细描述以及结合附图，可以更充分地理解实施例，其中：

图1A-1B是根据一个实施例的系统的横截面视图，所述系统包括分别处在第一和第二操作阶段中的、每个都具有三个触点和霍尔效应区域的两个霍尔效应结构。

图2A-2B是根据实施例的系统的横截面视图，所述系统包括分别处在第一和第二操作阶段中的四个霍尔效应结构。

图2C是根据实施例的系统的横截面视图，所述系统包括分别处在第一和操作阶段中的四个霍尔效应结构以及埋层和去耦区域。

图3是根据实施例的具有两个霍尔效应结构和埋层的设备的透视图。

图4是根据实施例的包括四个霍尔效应结构的系统的透视图。

图5是根据一个实施例的包括四个霍尔效应结构以及去耦区域和埋层的系统的横截面和符号速记视图。

图6是根据一个实施例的包括四个霍尔效应结构的布置的顶视图或布局视图，每个结构是三触点水平霍尔效应设备。

虽然本发明可经历各种修改和可替换形式，但是其细节已在附图中作为示例示出，并将被详细描述。然而应当理解，目的不是将本发明限于所描述的特定实施例。相反，目的是覆盖落在如由所附权利要求限定的本发明的精神和范围内的全部修改、等价物和可替换项。

具体实施方式

如附图中所示和在下面讨论的，一种霍尔效应设备被设计，该霍尔效应设备具有对称性，以便解决当在本文中讨论的旋转方案下操作时在各种阶段中的不同内部电阻的问题。在本文中描述了在多个操作阶段中可操作的三触点霍尔效应设备。下面描述的设备具有在所述操作阶段的每个下标称相等的电阻，这提升场强测量的精度，同时最小化汲取到传感器所需的电流。

参考图1A，描绘了传感器系统100的示例。传感器系统100包括具有表面103的基底102。第一霍尔效应结构104和第二霍尔效应结构106被布置在基底102中。第一霍尔效应结构104和第二霍尔效应结构106每个包括三个触点以及霍尔效应区域。特别地，第一霍尔效应结构104包括被布置在基底102的顶面103中或附近处并且被布置在第一霍尔效应区域114中的触点108、110和112，以及第二霍尔效应结构106包括被布置在基底102的顶面103之中或附近处并且被布置在第二霍尔效应区域122中的触点116、118和120。端子124、126、128和130连接到触点108、110、112、116、118和120。特别地，第一霍尔效应结构104和第二霍尔效应结构106被互连，使得触点108和触点120可以被保持在共同的电压，并且被连接到端子124。触点110连接到端子126。触点112和116也可以被保持在共同的电压，并且被连接到端子128。触点118连接到端子130。在图1A中所示的实施例中，端子124与端子128之间的输出电压被描述为V_out。标记为B的磁场被施加到传感器系统100。所述端子的每个永久连接到其关联的触点，其中，永久连接是其中即使设备未被供电也存在低欧姆连接的连接。

在各种实施例中，基底102可以包括基底、半导体管芯、与一个或多个半导体管芯耦接的引线框架、部件板、其组合或部分，或者某种其它支撑结构，所述其它支撑结构能够建立和/或维持第一霍尔效应结构104和第二霍尔效应结构106关于彼此和/或至少一个其它部件的精确或相对放置。例如并且简单来说，术语“基底”在本文中从头至尾将被一般地使用，但是关于全部实施例和/或权利要求的范围不是限制的。在一些实施例中，基底102可以是半导体基底（例如硅），并且霍尔效应区域114和122可以是具有低掺杂（大约1×10¹⁵-5×10¹⁷/cm³）的区域。

在各种实施例中，霍尔效应结构104和106可以被布置在单一基底（例如基底102）上或在单独基底上。基底102在各种实施例中可以进一步被布置在管芯、传感器组件或另一结构中或在管芯、传感器组件或另一结构上。在一些实施例中，霍尔效应区域114和122包括具有相同导电类型（即，两者都具有n型多数载流子，或可替换地为p型）的半导体材料。在其中期望较高电荷载流子迁移率的那些实施例中，可以使用n型而不是p型。例如在同一发明人的美国专利申请序号13/627,468中，描述了各种可替换霍尔效应结构、传感器和系统，该申请的内容通过参考整体地引入于此。与在本文中描述的系统和结构关联的互连和操作阶段在许多实施例中可以在那些可替换霍尔效应结构上来实施。到了所引入的公布、文档或事物以及本申请中任一些之间的术语的定义或使用的任何不一致或冲突的程度，本申请的那些应当占优势。

第一霍尔效应结构104和第二霍尔效应结构106是垂直霍尔结构，使得传感器系统100的输出信号响应于平行于基底102的顶面103并且垂直于通过霍尔效应区域114和122的电流流动方向的磁场分量。换句话说，霍尔效应结构104和106被配置为感测指向页面的磁场分量，如在本实施例中由针对到页面中的通量的常规符号所示的，尽管在其它实施例中可以实施其它布置、配置或取向。随着磁场B的强度增加，从触点108、110或112的一个向下流入霍尔效应区域114的电荷载流子上的洛伦兹力成比例地增加。同样地，随着磁场B的强度增加，从触点116、118或120的一个向下流入霍尔效应区域122的电荷载流子上的洛伦兹力成比例地增加。

两个霍尔效应区域114和122除了触点之间的连接外可以与彼此电隔离。在一些实施例中，两个霍尔效应区域114和122可以是同一个“槽（tub）”的部分，并且它们之间可以存在大于该槽的深度的间隔或者某一其它种类的去耦（诸如浅或深反向偏置槽）。此外，两个霍尔效应区域114和122可以通过埋层彼此电耦接，如关于例如在图3处所示的实施例更详细描述的那样。在那些实施例中，埋层可以具有与关联的霍尔效应区域相同类型的掺杂，但处在更高掺杂水平，以便实现更高的电导率水平。在一些实施例中，埋层的电导率可以具有为霍尔效应区域的10倍或更大的电导率。此外，在可替换实施例中，两个霍尔效应区域114和122可以具有与图1A和1B的实施例中所示那些不同的大小、几何形状或纵横比。在各种可替换实施例中，霍尔效应区域114和122可以相对于彼此来进行对准或成角度，以感测各个方向上的磁场分量。

触点108、110、112、116、118和120是霍尔效应结构104和106内的区域，所述区域促进经由电源触点向相应霍尔效应区域114和122的电源流入和流出、以及经由信号触点对霍尔效应区域中各个位置处的电压的测量。触点108、110、112、116、118和120的每个的作用可以取决于传感器系统100的旋转状态而变化。

在一些实施例中，触点108、110、112、116、118和120可以是欧姆触点（例如与肖特基触点相反），所述欧姆触点可以用比周围霍尔效应区域114或122更高剂量的掺杂剂来进行注入或扩散。通常，触点108、110、112、116、118和120具有掺杂剂的剂量的至少10倍，以及至少10¹⁷电荷载流子/cm³。触点可以通过从顶到底堆叠铝或铜线，然后是钨插塞，然后是触点槽来形成，所述触点槽通常是浅n+S/D-扩散（例如200nm深度的重n掺杂源-漏扩散）。在先前描述的那三层之间可以存在被配置成防止层间扩散的额外层。这样的导线可以在半导体制造过程期间在互连层中形成。在实施例中，所述导线可以具有矩形横截面，所述矩形横截面具有大约500nm到大约2μm的厚度以及具有可以在大约500nm到大约500μm的范围中缩放的宽度。这样的导线可以具有平层的外观。触点108、110、112、116、118和120可以相对于其被安置所在之处的霍尔效应区域114或122对称，但是在可替换实施例中（例如图4中所示的实施例），触点108、110、112、116、118和120可以非对称地来布置。

触点108、110、112、116、118和120的每个都沿其被布置所在之处的基底102的表面来布置。通常，如图1A和1B中所示，基底102的表面103与触点（108、110、112、116、118和120）被布置所沿着的每个霍尔效应区域（114、122）的表面相同。然而，在可替换实施例中，诸如其中霍尔效应区域被布置在彼此不同的基底中的那些实施例中，触点不需要全部沿共同的表面（例如103）来布置。

触点108、110和112被布置成促进第一霍尔效应区域114中的垂直于磁场B的电流流动方向上的电流，而触点116、118和120被布置成促进第二霍尔效应区域122中的垂直于磁场B的电流流动方向上的电流。在图1A中所示的实施例中以及在操作中，在端子126处通过恒定电流源将电流注入到触点110中。端子130连接到地。所注入的电流因此具有两条到地的路径：向右行进的电流路径和向左行进的电流路径。在向右行进的电流路径中，电流通过第一霍尔效应区域114从触点110流到触点112，然后通过第二霍尔效应区域122从触点116流到触点118。在向左行进的电流路径中，电流通过第一霍尔效应区域114从触点110流到触点108，以及然后通过第二霍尔效应区域122从触点120流到触点118。

在图1A中所示的配置中，电流将主要遵循向右行进的电流路径。由在端子126处提供电压或电流源（如由箭头所指示的）产生的注入电流关于图1A是向下的，并且磁场（进入页面）关于图1A指进页面。因此，洛伦兹力qv×B关于图1A将电荷载流子移向右，并且沿向右行进的电流路径的电流被增加。出于相同的原因，沿向左行进的电流路径从触点110到触点108的电流流动将被减少。这导致端子124和128之间的电位不平衡。触点112电连接到触点116，并且电流可以再次关于图1A向右从触点116流到触点118和地。

由于上面描述的电流流动模式，在图1A中所示的实施例中，端子128处的电压将大于端子124处的电压。在磁场的量值增加时，该电压差也将增加，并且因此，端子124和128之间的电压差的量值可以用于确定磁场B的量值。

触点108、110、112、116、118和120与端子124、126、128和130的互连允许如上面描述的那样、在下文中被称为第一操作阶段的磁场B的测量。然而，端子124、126、128和130的功能可以被互换，使得磁场的测量以不同方式来测量，这在下文中被称为第二操作阶段并且关于图1B进行更详细地描述。这些操作阶段之间的切换是被称为“旋转”的过程。传感器系统100的旋转减少残余偏移并且需要低电流消耗，同时提供高磁灵敏度。

仅使用单一操作阶段（诸如关于图1A所描述的操作阶段），由于制造公差、触点放置等通常存在小的不对称性，使得甚至在零磁场处输出电压（例如触点124和128之间的电位差）非零。该输出称为零点误差或“原始偏移”。通过在第二阶段中额外操作，该原始偏移可以至少部分上被抵消。在一些实施例中，当在多个操作阶段中旋转时获得的残余原始偏移可以具有比仅使用单一操作阶段获得的原始偏移更小的数量级。

图1B示出了与图1A相同的传感器系统100的实施例，但是端子已被重新配置成在第二操作阶段中测量磁场B。在图1B中所示的配置中，触点108和120是被配置成接收电压或电流输入的源触点（如由箭头所指示的）。如先前关于图1A描述的，磁场B增强向右流动的电流，但减弱向左流动的电流。因此，具有不同极性的输出电压将在图1B中出现。因为触点108、110、112、116、118和120与端子124、126、128和130之间的互连，所以V_out随磁场B的强度增加而增加。

两个额外的操作阶段是可能的。特别地，在第三操作阶段中，电源被提供在源端子128处，并且源端子124连接到地。在第四操作阶段中，电源被提供在源端子130处，并且源端子126连接到地。在第三和第四操作阶段的每个中，信号端子处的测量电压相比于前两个操作阶段在符号上改变。因此，信号端子在第三和第四操作阶段中也可以被重新布置。可以实施旋转方案，该旋转方案顺序地或者以杂乱随机或半随机的次序在不同操作阶段中操作各种霍尔效应结构。

霍尔效应区域上的触点之间的连接在旋转期间不被改变。因此，在一些实施例中，端子可以通过互连层的硬连线连接到触点。在可替换实施例中，霍尔效应区域114和122可以是单一的邻接霍尔效应区域，而不是两个单独的部分。在这样的实施例中，在相邻霍尔效应结构之间包括诸如具有与周围半导体材料相反的掺杂的井的去耦特征可以是所期望的。在其它实施例中，诸如下面在图3和4中所示的实施例中，如先前描述的，例如取决于半导体槽内的间隔，霍尔效应区域和/或结构的触点可以被布置成使得去耦区域是不必要的。

在图2A中所示的实施例中，描绘了传感器系统200。传感器系统200包括基底202，该基底202支撑四个3触点霍尔效应结构204、205、206和207。霍尔效应结构204-207每个包括在基底202的顶面203中或附近处的触点208-221中的三个。可以在触点208-221的每个与端子224、226、228和230之间进行各种连接，诸如下面描述的那些。在所示的实施例中，端子224包括源端子中的一个，端子226包括第一输出电压节点，端子228包括另一源端子，以及端子230包括第二输出电压节点。在图2A中描绘的实施例中，两个输出电压节点226和230之间的电压差被描绘为V_out，并且可以用来确定作用在传感器系统200上并且指进页面的磁场B的量值。

霍尔效应结构204和206与图1A-1B的霍尔效应结构104和106基本上类似。为清楚和简化比较起见，指派给霍尔效应结构204和206的部件的标号简单地将其在图1A-1B中的相对部分迭加100。因此，霍尔效应结构204包括位于霍尔效应区域214中的触点208、210和212；并且霍尔效应结构206包括位于霍尔效应区域222中的触点216、218和220。

应当进一步指出，霍尔效应结构204和206以与先前关于图1B的霍尔效应结构104和106描述的互连基本上类似的方式与端子224、226、228和230互连。在操作中，电源可以经由端子224被提供给触点208和220，正如在关于图1A-1B所示的实施例中电源从源端子124被提供给触点108那样。触点212和216可以连接到源端子228，该源端子228可以进而连接到地或另一恒定电压，正如触点112和116连接到源端子128那样，该源端子128在图1A-1B中所示的实施例中连接到地。参考电压V_out可以在端子226和230之间来测量，所述端子226和230连接到触点210和218，正如关于在图1A-1B中所示的实施例参考电压V_out在端子110和118之间来测量那样。

尽管有上面描述的相似性，但图2A中所示的实施例与先前关于图1A和1B描述的实施例不同，在于图2A中所示的实施例包括额外的霍尔效应结构。特别地，图2A中所示的实施例包括霍尔效应结构205和207。霍尔效应结构205和207可以以与先前分别关于霍尔效应结构106和104描述的并且如图1A和1B中所示的互连基本上类似的方式互连。霍尔效应结构204-207可以被旋转，所述旋转是其中指派给每个端子的功能被改变以对应于多种操作阶段的过程。在每个操作阶段中，端子224、226、228和230中的至少一个关联于以下两个功能中的每个：电源和信号。在各种实施例中，电源功能（在图2A中被示出关联于端子224，该端子224为了本实施例的目的将被称为“源端子”）可以是电压源或恒定电流源。另外，源端子228在各种实施例中可以是到地的连接或恒定电压。两个源端子224和228提供通过霍尔效应区域214、215、222和223的电流。

电流可以从源端子224被注入到触点219，正如电流从端子126被注入到触点110那样。触点211可以连接到源端子228，该源端子228可以进而连接到地或恒定电压，正如端子118连接到端子130和地那样。如图2A中所示，触点209和221连接到包括第一输出电压节点的信号端子226，并且触点213和217连接到包括第二输出电压节点的信号端子230。类似地，关于先前在图1A-1B中所示的实施例，触点120和108连接到形成第一电压节点的端子124，并且触点116和112连接到形成第二电压节点的端子128。

贯穿本申请所描述的连接在附图中被示为直接电连接。在其它实施例中，所述连接可以是比所示的连接更复杂和/或间接的。例如，各种互连、通孔、带通滤波器或整流器在其它特征中可以存在于贯穿本说明书所描述的触点、端子、电压/电流源、地和/或输出节点之间。如贯穿本申请所描述的连接指代任何直接或间接电连接，只要其不通过附图中所示的霍尔效应区域中的一个。因此，例如，图2A的触点208连接到源端子224，但未连接到触点210。

如先前关于图1A和1B描述的，霍尔效应结构104和106可以顺序地在两个或更多个操作阶段中来操作。例如，第一阶段在图1A中来描绘，并且第二阶段在图1B中来描绘。在图2A中所示的实施例中，两个操作阶段同时被使用。当霍尔效应结构204和206在先前描述的第二操作阶段中操作时，霍尔效应结构205和207同时地在第一操作阶段中操作。如先前关于图1A和1B描述的，第三和第四操作阶段也是可能的。在这些阶段的子集之间进行旋转，由此电流源、地和输出电压耦接在端子224、226、228和230之间被互换，当通过不同电流路径测量时产生对磁场的冗余测量。这几个冗余测量的输出可以用来对原始偏移进行补偿。

图2B示出了图2A的传感器系统200，但端子224、226、228和230已被重新配置成在另一操作阶段配置下操作霍尔效应结构204-207。如图2B中所示，霍尔效应结构204和206在第一操作阶段中操作（先前关于图1A描述），而霍尔效应结构205和207在第二操作阶段中操作（先前关于图1B描述）。

事实上，传感器系统200包括两个传感器对。包括霍尔效应结构204和206的第一霍尔效应结构对在一个操作阶段配置下操作，而包括霍尔效应结构205和207的第二霍尔效应结构对在另一操作阶段配置下操作。在端子224、226、228和230处将这两个传感器对的输出进行组合。通过在端子224、226、228和230处例如在图2A和2B中所示的布置之间进行旋转，每个霍尔效应结构对也被旋转。

图2C描绘了包括互连的霍尔效应结构204’-207’的传感器系统200’。霍尔效应结构204’-207’以与先前关于图2A-2B描述和示出的几乎相同的方式互连。然而，在图2C中所示的系统200’中，霍尔效应结构204’-207’通过去耦区域238’彼此分离，所述去耦区域238’沿霍尔效应结构204’-207’被布置在其上的表面203’来布置。此外，在共同操作阶段内操作的霍尔效应结构（例如，霍尔效应结构204’和霍尔效应结构206’，或者霍尔效应结构205’和霍尔效应结构207’）经由埋层234’至少部分彼此互连。

图3是根据一个实施例的传感器系统300的透视图示。传感器系统300是能够测量磁场B的结构。传感器系统300包括与参考图1A-1B和2A-2C中所示的实施例描述那些部件类似的部件。为此，在适当指示那些类似的特征情况下已使用迭加了100的倍数的类似标号。

除了与先前关于其它实施例描述那些部件类似的部件之外，传感器系统300包括埋层332和334。在图3中所示的实施例中，埋层332和334是与霍尔效应结构304的距离触点最远的边缘欧姆接触的半导体材料的高导电性区域。在一些实施例中，在操作中，埋层332和334提升沿该层（即垂直于霍尔效应区域304的“深度”，并且平行于触点被布置在其中的平面）的电流。在半导体技术中，术语“埋层”以非常受限的方式（联系到特定半导体制造流程）被使用，并且应当理解，在本专利申请上下文中，在较宽泛意义上使用该术语，从而意味着在组成霍尔效应区域304的第一半导体表面下面存在包括电子设备的触点的层。这样的层可以通过以下来产生：将该层生长在基础基底上并在该层上面添加额外层，或者通过以非常高的动能将大浓度剂量注入到基底中使得掺杂轮廓的峰值在最终基底的表面之下。这样的埋层可以未图案化，从而意味着该埋层在将其从基底单体化之后跨整个基底或至少跨整个芯片延伸；然而该埋层也可以被图案化，从意味着在单一芯片上存在至少两个或三个或数千个该层的单独的岛状物。

传感器系统300还包括去耦部分336和338。去耦部分336和338可以用与霍尔效应区域相反符号的掺杂剂来掺杂。例如，如果霍尔效应结构304包括n型霍尔效应区域，则去耦部分336可以是p型的，并且反之亦然。电荷载流子将不行进通过去耦部分336和338，从而进一步提升向下的电流流动，并且防止霍尔效应结构304和306（针对去耦部分336）与霍尔效应结构305和307（针对去耦部分338）之间不希望的交叉耦接。

应当理解，埋层332和334以及去耦部分336和338的定位不限于图3中所示的布置。各种其它布置是可能的，所述各种其它布置也使电流流动被路由得距表面303更远，每个实施例的触点沿该表面303来布置。例如，去耦特征可以被布置在图1A-1B的触点110和112以及118和120之间。埋层也可以被包括在霍尔效应区域114和122的每个的基座处（即在霍尔效应区域114和122的与触点108、110、112和116、118、120相对的部分处）。类似地，去耦特征可以被布置在图2A-2B的触点210和212、以及218和220、以及211和213、以及219和221之间。另外或可替换地，埋层可以在每个霍尔效应区域214、215、222和223的基座处来添加。此外，各个实施例的触点的布置可以不同，以提升期望的电流流动模式。

图4是根据另一实施例的传感器系统400的透视图。传感器系统400包括霍尔效应结构404-407。霍尔效应结构404和406不必位于同一基底内。霍尔效应结构404和406在图4中被整齐地示出，使得霍尔效应结构404和406两者都检测如由磁场B指示的、朝着页面背后的磁场分量。该布置为了简化与先前描述的实施例的比较而使用。因为霍尔效应结构404和406不必被布置在共同的基底内，然而在可替换实施例中，霍尔效应结构404和406可以以相对于彼此的任意期望的角度来配置。例如，霍尔效应结构404可以检测具有朝着页面背后的分量的场，而霍尔效应结构406可以被旋转90度以检测具有朝着页面右侧的分量的磁场。

图4的传感器系统400包括与参考图1A-1B、2A-2B和3中所示的实施例描述那些部件类似的部件。为此，在适当指示那些具有类似功能的特征情况下已使用迭加了100的倍数的类似标号。然而，霍尔效应结构404和406是垂直霍尔效应结构，其具有与参考先前的实施例所示那些触点布置不同的触点布置。此外，图4中所示的实施例包括埋层434。

霍尔效应结构404包括触点408、410、412A和412B。触点412A和412B以共同的电位彼此电耦接，并且实质上是同一触点的两半。触点412A与触点408和410跨霍尔效应区域414A安置，而触点412B与触点408和410跨霍尔效应区域414B安置。可选地，在其它实施例中，触点412A和412B中的一个也可以被移除。可选地，在仍进一步的实施例中，触点420A和420B中的一个也可以被移除。如果触点412A、412B、420A、420B中的任一个被移除，则关联的霍尔效应区域414A、414B、422A、422B也可以可选地被移除。在实施例中，高导电性底层434和434中的一个或两个也可以被移除。

类似地，霍尔效应结构406包括触点416、418、420A和420B，并且触点420A和420B电耦接以形成同一触点的两半。触点420A与触点416和418跨霍尔效应区域422A安置，并且触点420B与触点416和418跨霍尔效应区域422B安置。

触点408电耦接到分支的触点420A和420B，并且全部三个触点连接到端子424。触点410连接到端子426。分支的触点412A和412B电耦接到触点416，并且全部三个触点连接到端子428。触点418连接到端子430。值得注意，这些互连与先前关于在先前实施例中示出的实施例描述的那些互连一致。因此，端子424、426、428和430可以用来在四个先前描述的操作阶段的任一个中操作霍尔效应结构404和406。进一步地，与端子424、426、428和430的连接的旋转可以用来使霍尔效应结构404和406的每个在其中操作的阶段交替。

触点408、410和412A-B被非线性地布置。即，与常规垂直霍尔单元不同，不沿沿着关联基底（在本实施例中，基底402）的表面403和垂直于要被测量的磁场（在本实施例中，磁场B）的方向的线来分布触点。代替地，触点408、410和412A-412B以延长菱形布置来安置。触点416、418和420A-420B以类似布置来安置。埋层434提升垂直于磁场B的方向的电流流动，而不是霍尔效应结构404内的触点408、410和412A-412B与霍尔效应结构406内的触点416、418和420A-420B之间的横向电流流动。每个霍尔效应结构的触点之间的横向电流流动可以被施加的磁场较少（就算有的话）地影响。此外，甚至与关联于基于导线的系统的损耗相比，通过埋层434的电流流动以中到低的功率消耗从系统400提供高的信号输出。

图5是系统的横截面或简化横截面图示，该系统包括与先前描述那些部分类似的部分。图5示出了四个霍尔效应结构（504-507），每个霍尔效应结构包括触点（508-513、516-521）中的三个和霍尔效应区域（514、515、522、523）中的一个。图5中所示的端子（524、526、528和530）以与先前关于实施例描述的基本上类似的方式与图5的触点（508-513、516-521）互连，该实施例先前关于图2A、2B、3和4来描述。因此，图5中所示的系统可以在两个阶段中同时通过经由两个源端子提供电流或电压源以及测量两个输出端子处的输出信号来操作。此外，使图5中所示的系统对称。即，在没有施加的磁场的情况下，通过该系统的内部电阻在任一操作阶段中标称上相同。通过“标称上相同”，意指在没有过程扩展的情况下电阻相同。少量百分比的电阻的标称差别仍导致产生有功能的系统。在一些实施例中，掺杂轮廓是非均匀的，并且可以根据深度坐标而变化。这样的掺杂轮廓可以被测量，但只是在设备是大（通常横向大小大约100μmx100μm）的情况下。如果设备较小，则轮廓对深度还取决于横向尺寸。因此，不可能精确到足以以高达1%的精度预测电阻来对轮廓进行测量。可替换地，可以使用过程计算（数值FEM）来预测掺杂轮廓，但这在电阻上也不必精确到高达1%。

图5中所示的实施例包括去耦区域538A和538B以及埋层534。去耦区域538A被安置在霍尔效应结构内并且在触点之间，而去耦区域538B被安置在相邻霍尔效应结构之间。去耦区域538A被安置成提升霍尔效应区域（514、515、522、523）内从基底的表面503深入的电流流动。在霍尔效应区域（514、515、522、523）的底部，可以存在如图5中所示的高导电性层（例如埋层）534，但这是可选的，并且在其它实施例中，在霍尔效应区域的底部处可以不存在高导电性层。通过在垂直于磁场B的预期方向的方向上将电流流动路由得更远，霍尔电压被影响，并且整个系统的灵敏度被提高。此外，在期望的区域内（例如通过使用去耦区域538A来阻断潜在电流路径）对电流流动进行路由减少实现特定灵敏度所需的电流流动，并且因此减少关联传感器系统的功率汲取。

图5可以被理解为简单横截面视图，但是是多种3维霍尔系统和结构的简化示意图。在该更一般的解释中，每个霍尔结构具有包括两个触点的霍尔效应区域，并且将第三触点与该霍尔效应区域去耦。所述去耦可以是一维的（如图5中所示）或三维的。

图6是传感器系统600的示意平面视图，该传感器系统600以与先前描述的实施例类似的方式来连接。与先前实施例中的任一个不同，该传感器系统由水平霍尔效应设备而非垂直霍尔效应设备组成。特别地，传感器系统600包括水平霍尔效应设备604-607。水平霍尔结构可以包括与先前描述的垂直霍尔设备相比相对薄的霍尔效应区域。水平霍尔效应结构的典型横向大小通常在大约10μm和大约200μm之间，其中，总厚度在大约0.3μm和大约7μm之间。通常，厚度是横向大小的至多1/10。

水平霍尔效应结构604-607的每个以与先前关于图2A-2B和3中所示实施例所描述的方式类似的方式互连。特别地，水平霍尔效应结构604包括由霍尔效应区域614分离的三个触点（608、610和612）。同样地，水平霍尔效应结构606包括由霍尔效应区域522分离的三个触点（616、618和620），水平霍尔效应结构605包括由霍尔效应区域615分离的三个触点（609、611和613），并且水平霍尔效应结构607包括由霍尔效应区域623分离的三个触点（617、619和621）。

触点（608-613、616-621）和霍尔效应区域（614-615、622-623）的每个沿其相应水平霍尔效应结构（604-607）的表面603来布置，该表面603在图6中所示的平面视图中是可见的。与垂直霍尔效应感测结构不同，水平霍尔效应感测结构中的电流流动主要沿表面603。当与表面603正交地施加磁场（例如磁场B）时，在霍尔效应结构的一个触点（例如霍尔效应结构604的触点608）处注入的电流将优先流向另外两个触点中的一个（例如流向触点610或612）。当磁场B的量值被增加并且电荷载流子上的洛伦兹力增加时，该优先流将强化。

如图6中所示，端子624、626、628和630以与先前关于图2A-2B描述的模式类似的模式连接到触点608-613、616-621。通过在先前描述的四个操作阶段之间旋转那些端子，可以进行对磁场B的精确测量，并且传感器604-607中的两个将总是在第一阶段或第二阶段中操作。

由于水平霍尔效应结构604-607的对称性，内部电阻在两个操作阶段中理论上相同。然而，实际霍尔效应感测结构可以具有与制造公差或其它变量相关的稍微不同电阻。因此，如关于先前实施例的垂直霍尔单元所示的那样的对称化不是严格必要的，并且在其它实施例中，可以使用其它配置。然而，图6中所示的实施例确实对称化了触点放置，这可以降低由传感器上的机械应力引起的水平和垂直方向之间的不对称性。

霍尔效应结构604的触点608、610和612以三角方式非线性地来布置。类似地，触点616、518和620以三角方式被布置在霍尔效应结构606上，触点609、611和613以三角方式被布置在霍尔效应结构605上，并且触点617、619和621以三角方式被布置在霍尔效应结构607上。因此，触点608-613、616-621不沿直线来布置。

在实施例中，霍尔效应结构被配置成对磁场进行响应。霍尔效应结构可以包括：彼此至少部分电去耦的至少四个霍尔效应区域，所述四个霍尔效应区域的每个包括三个触点；以及至少四个端子，其中，所述端子的每个永久电连接到与另外端子相同数量的触点，并且其中，没有两个端子连接到相同的触点，并且其中，没有同一霍尔效应区域的两个触点连接到相同的端子。第一端子不连接到第一霍尔效应区域的三个触点中的任一个，第二端子不连接到第二霍尔效应区域的三个触点中的任一个，第三端子不连接到第三霍尔效应区域的三个触点中的任一个，并且第四端子不连接到第四霍尔效应区域的三个触点中的任一个。连接被配置成，使得在没有磁场的情况下，第一组的两个端子之间的电阻与包括所述布置的另外两个端子的第二组之间的电阻标称上相同。

在本文中已描述的系统、设备和方法的各种实施例。这些实施例仅作为示例被给出，并且不旨在限制本发明的范围。此外，应当认识到，已描述的实施例的各种特征可以以各种方式被组合以产生众多附加的实施例。此外，尽管各种材料、尺寸、形状、配置和位置等已被描述供所公开实施例使用，但在不超过本发明的范围的情况下，可以利用除所公开那些之外的其它项。

相关领域的普通技术人员将认识到，本发明可以包括比在任何上面描述的个别实施例中所示的更少的特征。本文中描述的实施例不旨在是以其可以将本发明的各种特征组合的方式的穷举呈现。相应地，实施例不是相互排斥的特征组合；相反，如本领域的普通技术人员所理解的，本发明可以包括从不同个别实施例中选择的不同个别特征的组合。此外，关于一个实施例描述的元件可以在其它实施例中被实施，即使当未在这样的实施例中被描述时，除非另外指出。尽管从属权利要求在权利要求书中可以涉及与一个或多个其它权利要求的特定组合，但其它实施例还可以包括该从属权利要求与每个其它从属权利要求的主题的组合、或者一个或多个特征与其它从属或独立权利要求的组合。在本文中提出这样的组合，除非声明未预期特定组合。此外，还预期在任何其它独立权利要求中包括权利要求的特征，即使未直接使该权利要求从属于该独立权利要求。

上面通过文档引用进行的任何合并被限制为，使得没有与本文中的明确公开相反的主题被合并。上面通过文档引用进行的任何合并被进一步限制为，使得没有被包括在所述文档中的权利要求通过引用被合并到本文中。上面通过文档引用进行的任何合并还进一步被限制为，使得在所述文档中提供的任何定义除非明确被包括在本文中否则不通过引用被合并到本文中。

为了解释权利要求的目的，明确预期美国法典第35条的第112章第六段的规定不要被援引，除非特定术语“用于……的装置”或“用于……的步骤”在权利要求中进行叙述。

Claims (19)

1.一种传感器系统，包括：

第一霍尔效应结构，包括第一霍尔效应区域以及被非线性地布置在所述第一霍尔效应区域的顶面处或附近的第一、第二和第三触点，其中，在没有磁场的情况下，所述第一触点和所述第三触点之间的所述第一霍尔效应区域的电阻与在没有磁场的情况下所述第二触点和所述第三触点之间的所述第一霍尔效应区域的电阻基本上相同；

第二霍尔效应结构，包括第二霍尔效应区域以及被非线性地布置在所述第二霍尔效应区域的顶面处或附近的第四、第五和第六触点，其中，所述第四触点和所述第六触点之间的所述第二霍尔效应区域的电阻与在没有磁场的情况下所述第五触点和所述第六触点之间的所述第二霍尔效应区域的电阻基本上相同；以及

一组互连，包括：

　　连接到第一和第六触点的第一端子；

　　连接到第二触点并且不连接到所述第二霍尔效应结构的第四、第五和第六触点中的任一个的第二端子；

　　连接到第三和第四触点的第三端子；以及

　　连接到第五触点的第四端子。

2.根据权利要求1所述的传感器系统，其中：

所述第一霍尔效应结构和所述第二霍尔效应结构两者都是垂直霍尔效应结构。

3.根据权利要求2所述的传感器系统，其中，第三和第六触点是分支的。

4.根据权利要求1所述的传感器系统，其中，所述第一霍尔效应结构和所述第二霍尔效应结构两者都是水平霍尔效应设备。

5.根据权利要求1所述的传感器系统，其中，所述第一霍尔效应结构和所述第二霍尔效应结构被布置成彼此平行，以测量同一方向上的磁场分量。

6.根据权利要求1所述的传感器系统，其中：

第一和第二霍尔效应区域被布置在具有顶面的公共基底中，其中，所述第一霍尔效应区域的顶面和所述第二霍尔效应区域的顶面与所述基底的顶面一致；

第一和第二霍尔效应区域经由埋层电耦接；以及

第一和第二霍尔效应区域的每个被布置在所述埋层和所述公共顶面之间。

7.一种传感器系统，包括：

第一霍尔效应结构，包括第一霍尔效应区域以及被布置在所述第一霍尔效应区域的顶面处或附近的第一、第二和第三触点；

第二霍尔效应结构，包括第二霍尔效应区域以及被布置在所述第二霍尔效应区域的顶面处或附近的第四、第五和第六触点；

第三霍尔效应结构，包括第三霍尔效应区域以及被布置在所述第三霍尔效应区域的顶面处或附近的第七、第八和第九触点；

第四霍尔效应结构，包括第四霍尔效应区域以及被布置在所述第四霍尔效应区域的顶面处或附近的第十、第十一和第十二触点；

其中，第一、第二、第三和第四霍尔效应区域包括相同类型的多数载流子；以及

其中，第一、第六和第十一触点电耦接到第一端子，第二、第七和第十二触点电耦接到第二端子，第三、第四和第八触点电耦接到第三端子，第五、第九和第十触点电耦接到第四端子，并且第二端子不连接到所述第二霍尔效应区域的第四、第五和第六触点中的任一个。

8.根据权利要求7所述的传感器系统，其中，在没有所施加的磁场的情况下：

所述第一触点和所述第三触点之间的所述第一霍尔效应区域的电阻与所述第二触点和所述第三触点之间的所述第一霍尔效应区域的电阻标称上相同；

所述第四触点和所述第六触点之间的所述第二霍尔效应区域的电阻与所述第五触点和所述第六触点之间的所述第二霍尔效应区域的电阻标称上相同；

所述第七触点和所述第九触点之间的所述第三霍尔效应区域的电阻与所述第八触点和所述第九触点之间的所述第三霍尔效应区域的电阻标称上相同；以及

所述第十触点和所述第十二触点之间的所述第四霍尔效应区域的电阻与所述第十一触点和所述第十二触点之间的所述第四霍尔效应区域的电阻标称上相同。

9.根据权利要求7所述的传感器系统，其中：

所述第一霍尔效应结构和所述第二霍尔效应结构两者都是垂直霍尔效应结构。

10.根据权利要求7所述的传感器系统，其中，第一、第二、第三和第四霍尔效应结构是水平霍尔效应结构。

11.根据权利要求7所述的传感器系统，其中，第一、第二、第三和第四霍尔效应结构的每个被彼此对齐，以在单一方向上测量磁场。

12.根据权利要求7所述的传感器系统，其中，第一、第二、第三和第四霍尔效应区域中的至少两个经由埋层电耦接、共享公共的顶面以及被布置在所述埋层和所述公共顶面之间。

13.一种感测磁场的方法，所述方法包括：

在第一操作阶段中操作传感器系统，所述传感器系统包括：

　　第一霍尔效应结构，包括被布置成邻近第一霍尔效应区域的第一表面的第一、第二和第三触点；以及

　　第二霍尔效应结构，包括被布置成邻近第二霍尔效应区域的第二表面的第四、第五和第六触点；

其中，在所述第一操作阶段中操作所述传感器系统包括：

　　使电流在第一端子和第二端子之间流动，其中：

　　　　　　所述第一端子连接到第一和第六触点；以及

　　　　　　所述第二端子连接到第三和第四触点；

　　感测连接到所述第二触点的第三端子处的第一输出信号，以及其中，所述第三端子不连接到所述第二霍尔效应区域的第四、第五和第六触点中的任一个；

　　感测连接到所述第五触点的第四端子处的第二输出信号；

　　生成关于所述第一输出信号和所述第二输出信号的第一操作阶段输出信号；

在第二操作阶段中操作所述传感器系统包括：

　　使电流在第三和第四端子之间流动；以及

　　生成关于在第一端子处感测出的第三输出信号和在所述第二端子处感测出的第四输出信号的第二操作阶段输出信号；以及

组合所述第一操作阶段输出信号和所述第二操作阶段输出信号，以生成传感器输出信号。

14.根据权利要求13所述的方法，其中，第一和第二霍尔效应结构是垂直霍尔效应结构。

15.根据权利要求14所述的方法，其中，第三和第六触点是分支的。

16.根据权利要求13所述的方法，其中，第一和第二霍尔效应结构是水平霍尔效应结构。

17.根据权利要求13所述的方法，其中，所述传感器系统进一步包括：

第三霍尔效应结构，包括被布置成邻近第三霍尔效应区域的第七、第八和第九触点；

第四霍尔效应结构，包括被布置成邻近第四霍尔效应区域的第十、第十一和第十二触点；

所述第一端子进一步连接到第十一触点；

所述第二端子进一步连接到第八触点；

所述第三端子进一步连接到第七和第十二触点；以及

所述第四端子进一步连接到第九和第十触点。

18.根据权利要求17所述的方法，其中，第一、第二、第三和第四霍尔效应结构是垂直霍尔效应结构。

19.根据权利要求17所述的方法，其中，第一、第二、第三和第四霍尔效应结构是水平霍尔效应结构。