CN111562528A - 三轴磁场传感器 - Google Patents

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李大来
蒋乐跃
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Abstract

本发明提供一种三轴磁场传感器，其包括：第一导电类型衬底；第一垂直霍尔传感器，其包括延伸至第一导电类型衬底内的第一个第二导电类型阱，以及沿延伸至第一个第二导电类型阱内的第一组第二导电类型端口；第二垂直霍尔传感器，其包括延伸至第一导电类型衬底内的第二个第二导电类型阱，以及延伸至第二个第二导电类型阱内的第二组第二导电类型端口；平面霍尔传感器，其包括延伸至第一导电类型衬底内的第三个第二导电类型阱，以及延伸至第三个第二导电类型阱内的第三组第二导电类型端口。与现有技术相比，本发明不仅可以实现探测三轴磁场，而且制备工艺简单，零点不受强磁场干扰的影响。

Description

三轴磁场传感器
【技术领域】
本发明涉及三轴磁场传感器技术领域，尤其涉及一种基于平面霍尔和垂直霍尔效应的三轴磁场传感器。
【背景技术】
传统的三轴霍尔磁场传感器基于平面霍尔效应和软磁体，有两个主要缺点：制备工艺复杂；由于软磁体的存在，使得三轴霍尔磁场传感器被强磁场干扰后，零点发生漂移。
因此，有必要提出一种技术方案来克服上述问题。
【发明内容】
本发明的目的之一在于提供一种三轴磁场传感器，其不仅可以实现探测三轴磁场，而且制备工艺简单，零点不受强磁场干扰的影响。
根据本发明的一个方面，本发明提供一种三轴磁场传感器，其包括：第一导电类型衬底；第一垂直霍尔传感器，其包括沿所述第一导电类型衬底的上表面向下延伸至第一导电类型衬底内的第一个第二导电类型阱，以及沿第一个第二导电类型阱的上表面向下延伸至第一个第二导电类型阱内的第一组第二导电类型端口；第二垂直霍尔传感器，其包括沿所述第一导电类型衬底的上表面向下延伸至第一导电类型衬底内的第二个第二导电类型阱，以及沿第二个第二导电类型阱的上表面向下延伸至第二个第二导电类型阱内的第二组第二导电类型端口；平面霍尔传感器，其包括沿所述第一导电类型衬底的上表面向下延伸至第一导电类型衬底内的第三个第二导电类型阱，以及沿第三个第二导电类型阱的上表面向下延伸至第三个第二导电类型阱内的第三组第二导电类型端口。
进一步的，所述第一垂直霍尔传感器用于探测x轴磁场；所述第二垂直霍尔传感器用于探测y轴磁场；所述平面霍尔传感器用于探测z轴磁场，其中，x轴、y轴、z轴属于笛卡尔坐标系，且z轴与x轴和y轴满足右手定则。
进一步的，所述第一导电类型衬底为p型衬底；所述第二导电类型阱为n阱；所述第二导电类型端口为n+端口。
进一步的，所述第一导电类型衬底为n型衬底；所述第二导电类型阱为p阱；所述第二导电类型端口为p+端口。
进一步的，所述第二导电类型阱通过向所述第一导电类型衬底扩散或注入形成；所述第二导电类型端口通过向所述第二导电类型阱扩散或注入形成。
进一步的，所述第一组第二导电类型端口包括第一电源端、第一接地端、第二接地端、第一信号正端和第一信号负端；所述第二组第二导电类型端口包括第二电源端、第三接地端、第四接地端、第三信号正端和第四信号负端；所述第三组第二导电类型端口包括第三电源端、第五接地端、第五信号正端和第六信号负端。
进一步的，所述第一组第二导电类型端口中的各个端口形成一条沿y轴的直线；所述第二组第二导电类型端口中的各个端口形成一条沿x轴的直线；所述第三组第二导电类型端口中，第三电源端和第五接地端形成的直线垂直于第五信号正端和第六信号负端形成的直线。
进一步的，所述第三组第二导电类型端口中，所述第三电源端和第五接地端形成一条沿x轴的直线；所述第五信号正端和第六信号负端形成一条沿y轴的直线。
进一步的，第一垂直霍尔传感器和第二垂直霍尔传感器分别位于所述平面霍尔传感器的相邻的两侧。
进一步的，所述第二导电类型端口的掺杂浓度较所述第二导电类型阱的掺杂浓度高。
与现有技术相比，本发明中的三轴磁场传感器包括集成在同一衬底上的第一垂直霍尔传感器、第二垂直霍尔传感器和平面霍尔传感器，其不仅可以实现探测三轴磁场，而且制备工艺简单，零点不受强磁场干扰的影响。
【附图说明】
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。其中：
图1为本发明在一个实施例中的基于平面霍尔和垂直霍尔效应的三轴磁场传感器的结构示意图；
图2为沿图1所示的三轴磁场传感器的A-A剖面线的剖面示意图；
图3为沿图1所示的三轴磁场传感器的B-B剖面线的剖面示意图；
图4为沿图1所示的三轴磁场传感器的C-C剖面线的剖面示意图。
【具体实施方式】
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本发明至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本说明书中不同地方出现的“在一个实施例中”并非均指同一个实施例，也不是单独的或选择性的与其他实施例互相排斥的实施例。除非特别说明，本文中的连接、相连、相接的表示电性连接的词均表示直接或间接电性相连。
请参阅图1所示，其为本发明在一个实施例中的基于平面霍尔和垂直霍尔效应的三轴磁场传感器的结构示意图。图1所示的三轴磁场传感器100包括p型衬底101，以及集成在同一p型衬底101上的第一垂直霍尔传感器102、第二垂直霍尔传感器103和平面霍尔传感器104。其中，第一垂直霍尔传感器102和第二垂直霍尔传感器103分别位于所述平面霍尔传感器104的相邻的两侧。
为方便后面的描述，在图1中定义笛卡尔坐标系，x轴垂直于第一垂直霍尔传感器102沿p型衬底101上表面的纵向走向，y轴平行于第一垂直霍尔传感器102沿p型衬底101上表面的纵向走向，z轴与x轴和y轴满足右手定则。
请参考图2所示，其为沿图1所示的三轴磁场传感器的A-A剖面线的剖面示意图。
由图1和图2可知，第一垂直霍尔传感器102包括沿p型衬底101的上表面向下延伸至p型衬底101内的第一个n阱105，以及沿第一个n阱105的上表面向下延伸至第一个n阱105内的5个n+端口(其可称为第一组n+端口)106。其中，第一个n阱105是通过向所述p型衬底101扩散或注入形成的；所述5个n+端口106是通过向第一个n阱105扩散或注入形成的；所述5个n+端口106包括第一电源端106a、第一接地端106b、第二接地端106c、第一信号正端106d和第一信号负端106e；所述5个n+端口106形成一条沿y轴的直线。其中，第一电源端106a位于最中间，第一信号正端106d和第一信号负端106e分别位于所述第一电源端106a两侧；第一接地端106b、第二接地端106c分别位于第一信号正端106d和第一信号负端106e的外侧。
请参考图3所示，其为沿图1所示的三轴磁场传感器的B-B剖面线的剖面示意图。
由图1和图3可知，第二垂直霍尔传感器103包括沿p型衬底101的上表面向下延伸至p型衬底101内的第二个n阱107，以及沿第二个n阱107的上表面向下延伸至第二个n阱107内的5个n+端口(其可称为第二组n+端口)108。其中，第二个n阱107是通过向所述p型衬底101扩散或注入形成的；所述5个n+端口108是通过向第二个n阱107扩散或注入形成的；5个n+端口108包括第二电源端108a、第三接地端108b、第四接地端108c、第三信号正端108d和第四信号负端108e；所述5个n+端口108形成一条沿x轴的直线。其中，第二电源端108a位于最中间，第三信号正端108d和第四信号负端108e分别位于所述第二电源端108a两侧；第三接地端108b、第四接地端108c分别位于第三信号正端108d和第四信号负端108e的外侧。
请参考图4所示，其为沿图1所示的三轴磁场传感器的C-C剖面线的剖面示意图。
由图1和图4可知，所述平面霍尔传感器104包括沿p型衬底101的上表面向下延伸至p型衬底101内的第三个n阱109，以及沿第三个n阱109的上表面向下延伸至第三个n阱109内的4个n+端口(其可称为第三组n+端口)110。其中，第三个n阱109是通过向所述p型衬底101扩散或注入形成的；所述4个n+端口110是通过向第三个n阱109扩散或注入形成的；所述4个n+端口110包括第三电源端110a、第五接地端110b、第五信号正端110c和第六信号负端110d，其中，第三电源端110a和第五接地端110b形成的直线垂直于第五信号正端110c和第六信号负端110d形成的直线。在图1所示的具体实施例中，所述第三电源端110a和第五接地端110b形成一条沿x轴的直线；第五信号正端110c和第六信号负端110d形成一条沿y轴的直线。
所述第一垂直霍尔传感器102用于探测x轴磁场Hx，第二垂直霍尔传感器103用于探测y轴磁场Hy，平面霍尔传感器104用于探测z轴磁场Hz，从而实现探测三轴磁场的目的。与现有技术相比，本发明中的基于平面霍尔和垂直霍尔效应的三轴磁场传感器100，制备工艺简单，由于不包含软磁体，零点完全不受强磁场干扰的影响。
需要特别说明的是在另一个实施例中，可以将图1中的p型衬底101替换为n型衬底；将图1中的n阱105、107、109替换为p阱；将图1中的n+端口106、108、110替换为p+端口。
也就是说，本发明中的三轴磁场传感器100包括第一导电类型衬底101；以及集成在同一第一导电类型衬底101上的第一垂直霍尔传感器102、第二垂直霍尔传感器103和平面霍尔传感器104。
所述第一垂直霍尔传感器102包括沿所述第一导电类型衬底101的上表面向下延伸至第一导电类型衬底101内的第一个第二导电类型阱105，以及沿第一个第二导电类型阱105的上表面向下延伸至第一个第二导电类型阱105内的第一组第二导电类型端口106。
所述第二垂直霍尔传感器103包括沿所述第一导电类型衬底101的上表面向下延伸至第一导电类型衬底101内的第二个第二导电类型阱107，以及沿第二个第二导电类型阱107的上表面向下延伸至第二个第二导电类型阱107内的第二组第二导电类型端口108。
所述平面霍尔传感器104包括沿所述第一导电类型衬底101的上表面向下延伸至第一导电类型衬底101内的第三个第二导电类型阱109，以及沿第三个第二导电类型阱109的上表面向下延伸至第三个第二导电类型阱109内的第三组第二导电类型端口110。
在图1所示的实施例中，第一导电类型衬底101为p型衬底；第二导电类型阱105、107、109为n阱；第二导电类型端口106、108、110为n+端口.所述第一组第二导电类型端口106包括5个n+端口106a、106b、106c、106d、106e；所述第二组第二导电类型端口108包括5个n+端口108a、108b、108c、108d、108e；所述第三组第二导电类型端口110包括4个n+端口110a、110b、110c、110d。其中，n+端口106、108、110的n型掺杂浓度较105、107、109的n型掺杂浓度高。
在另一实施例中，第一导电类型衬底101为n型衬底；第二导电类型阱105、107、109为p阱；第二导电类型端口106、108、110为p+端口。所述第一组第二导电类型端口106包括5个p+端口106a、106b、106c、106d、106e；所述第二组第二导电类型端口108包括5个p+端口108a、108b、108c、108d、108e；所述第三组第二导电类型端口110包括4个p+端口110a、110b、110c、110d。其中，p+端口106、108、110的p型掺杂浓度较105、107、109的n型掺杂浓度高。
综上所述，本发明中的三轴磁场传感器100包括集成在同一衬底101上的第一垂直霍尔传感器102、第二垂直霍尔传感器103和平面霍尔传感器104。所述第一垂直霍尔传感器102用于探测x轴磁场Hx，第二垂直霍尔传感器103用于探测y轴磁场Hy，平面霍尔传感器104用于探测z轴磁场Hz，从而实现探测三轴磁场的目的。与现有技术相比，本发明中的基于平面霍尔和垂直霍尔效应的三轴磁场传感器100，制备工艺简单，由于不包含软磁体，零点完全不受强磁场干扰的影响。
在本发明中，“连接”、“相连”、“连”、“接”等表示电性连接的词语，如无特别说明，则表示直接或间接的电性连接。
以上所述仅为本发明的较佳实施方式，本发明的保护范围并不以上述实施方式为限，但凡本领域普通技术人员根据本发明揭示内容所作的等效修饰或变化，皆应纳入权利要求书中记载的保护范围内。

Claims (10)

1.一种三轴磁场传感器，其特征在于，其包括：
第一导电类型衬底；
第一垂直霍尔传感器，其包括沿所述第一导电类型衬底的上表面向下延伸至第一导电类型衬底内的第一个第二导电类型阱，以及沿第一个第二导电类型阱的上表面向下延伸至第一个第二导电类型阱内的第一组第二导电类型端口；
第二垂直霍尔传感器，其包括沿所述第一导电类型衬底的上表面向下延伸至第一导电类型衬底内的第二个第二导电类型阱，以及沿第二个第二导电类型阱的上表面向下延伸至第二个第二导电类型阱内的第二组第二导电类型端口；
平面霍尔传感器，其包括沿所述第一导电类型衬底的上表面向下延伸至第一导电类型衬底内的第三个第二导电类型阱，以及沿第三个第二导电类型阱的上表面向下延伸至第三个第二导电类型阱内的第三组第二导电类型端口。
2.根据权利要求1所述的三轴磁场传感器，其特征在于，
所述第一垂直霍尔传感器用于探测x轴磁场；
所述第二垂直霍尔传感器用于探测y轴磁场；
所述平面霍尔传感器用于探测z轴磁场，
其中，x轴、y轴、z轴属于笛卡尔坐标系，且z轴与x轴和y轴满足右手定则。
3.根据权利要求1所述的三轴磁场传感器，其特征在于，
所述第一导电类型衬底为p型衬底；
所述第二导电类型阱为n阱；
所述第二导电类型端口为n+端口。
4.根据权利要求1所述的三轴磁场传感器，其特征在于，
所述第一导电类型衬底为n型衬底；
所述第二导电类型阱为p阱；
所述第二导电类型端口为p+端口。
5.根据权利要求1所述的三轴磁场传感器，其特征在于，
所述第二导电类型阱通过向所述第一导电类型衬底扩散或注入形成；
所述第二导电类型端口通过向所述第二导电类型阱扩散或注入形成。
6.根据权利要求2所述的三轴磁场传感器，其特征在于，
所述第一组第二导电类型端口包括第一电源端106a、第一接地端106b、第二接地端106c、第一信号正端106d和第一信号负端106e；
所述第二组第二导电类型端口包括第二电源端108a、第三接地端108b、第四接地端108c、第三信号正端108d和第四信号负端108e；
所述第三组第二导电类型端口包括第三电源端110a、第五接地端110b、第五信号正端110c和第六信号负端110d。
7.根据权利要求6所述的三轴磁场传感器，其特征在于，
所述第一组第二导电类型端口中的各个端口形成一条沿y轴的直线；
所述第二组第二导电类型端口中的各个端口形成一条沿x轴的直线；
所述第三组第二导电类型端口中，第三电源端110a和第五接地端110b形成的直线垂直于第五信号正端110c和第六信号负端110d形成的直线。
8.根据权利要求7所述的三轴磁场传感器，其特征在于，
所述第三组第二导电类型端口中，
所述第三电源端110a和第五接地端110b形成一条沿x轴的直线；
所述第五信号正端110c和第六信号负端110d形成一条沿y轴的直线。
9.根据权利要求1所述的三轴磁场传感器，其特征在于，
第一垂直霍尔传感器和第二垂直霍尔传感器分别位于所述平面霍尔传感器的相邻的两侧。
10.根据权利要求1所述的三轴磁场传感器，其特征在于，
所述第二导电类型端口的掺杂浓度较所述第二导电类型阱的掺杂浓度高。
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WO2022067599A1 (zh) * 2020-09-30 2022-04-07 上海灿瑞科技股份有限公司 三轴向霍尔磁力计

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