CN112097800A - 360度磁角度传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种360度磁角度传感器，其包括：各向异性磁电阻传感器，其基于感测平面内的磁场产生表示磁角度的第一信号，所述第一信号具有180度的角范围；霍尔传感器，其基于所述感测平面内的磁场产生表示磁角度的第二信号，所述第二信号具有360度的角范围；信号处理电路，其与所述各向异性磁电阻传感器和霍尔传感器电性连接，其基于第二信号判断所述磁角度的所属区间，所属区间为0到180度或180到360度，并结合所述磁角度的所属区间和所述第一信号产生表示磁角度的第三信号，所述第三信号具有360度的角范围。与现有技术相比，本发明不但能实现360度范围内高精度的角度测量，而且还可以降低体积和成本。
Description
【技术领域】
本发明涉及磁场传感器领域，尤其涉及一种通过磁场测量角度的传感器。
【背景技术】
目前，各向异性磁电阻(AMR)技术在磁场传感器中应用广泛，制造工艺也很成熟。AMR的电阻值取决于电流和磁化方向之间的夹角，在用于磁角度的测量中，采用双惠斯通电桥的模式，其中一个电桥输出正弦信号，另一个输出余弦信号。通过反正切可得出具体的角度值。对于AMR角度传感器，其磁性层一直工作在磁化饱和状态，该状态下可认为，外部施加的磁场方向与磁阻条的磁化方向基本保持一致。由于AMR角度传感器输出的随磁场角度变化为sin2θ和cos2θ的关系，也因此AMR可测量的角度周期只有180度，应用范围也受到很大的限制。
360度的磁角度传感器基于其他原理的较多，如基于霍尔效应、巨磁电阻(GMR)效应和隧穿磁电阻(TMR)效应等。基于霍尔效应的角度传感器，由于霍尔本身的信噪比，精度相比于AMR较小。基于巨磁电阻(GMR)效应和隧穿磁电阻(TMR)效应的角度传感器的精度比Hall高，但低于AMR。原因是，对于AMR角度传感器，磁性层只有一层，其精度误差主要来源于该层形状各向异性场和磁晶各向异性场的影响。对于GMR和TMR，核心结构包含两个磁性层即自由层和钉扎层，它们的电阻取决于自由层和钉扎层磁化方向之间的夹角。误差来源除了自由层中形状各向异性场和磁晶各向异性场外，还包括在外加磁场的作用下，自由层随外磁场变化θ1，而钉扎层的磁化方向也会发生小角度θ2，此θ2误差将叠加到原有误差中。且自由层和钉扎层之间的静磁相互作用也会影响精度，这些因素叠加在一起，使得传感器最终的精度下降。
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360度磁角度传感器，其不但能实现360度范围内高精度的角度测量，而且还可以降低体积和成本。
根据本发明的一个方面，本发明提供一种360度磁角度传感器，其包括：各向异性磁电阻传感器，其基于感测平面内的磁场产生表示磁角度的第一信号，所述第一信号具有180度的角范围；霍尔传感器，其基于所述感测平面内的磁场产生表示磁角度的第二信号，所述第二信号具有360度的角范围；信号处理电路，其与所述各向异性磁电阻传感器和霍尔传感器电性连接，其基于第二信号判断所述磁角度的所属区间，所属区间为0到180度或180到360度，并结合所述磁角度的所属区间和所述第一信号产生表示磁角度的第三信号，所述第三信号具有360度的角范围。
进一步的，所述各向异性磁电阻传感器、霍尔传感器和信号处理电路集成在单芯片中。
进一步的，所述单芯片包括衬底，以及层叠于所述衬底上的第一结构层和第二结构层，所述霍尔传感器和信号处理电路设置于所述第一结构层中；所述各向异性磁电阻传感器设置于所述第二结构层中。
进一步的，所述第一结构层位于所述衬底上；所述第二结构层位于所述第一结构层上方。
进一步的，所述单芯片还包括隔离层和第三结构层，所述隔离层位于第一结构层和第二结构层之间，过孔金属穿过所述隔离层将各向异性磁电阻传感器和信号处理电路电连接；所述第三结构层位于所述第二结构层上方，第三结构层包括各向异性磁电阻传感器保护层及其上的电极，所述电极通过过孔金属与信号处理电路连接。
进一步的，所述衬底101采用标准CMOS工艺中的单晶硅；所述第二结构层中的霍尔传感器与专用集成电路采用标准的CMOS工艺制作于单晶硅衬底上；所述隔离层由氮化硅、二氧化硅组成；所述过孔金属采用Al，Cu材料；所述隔离层采用化学机械抛光降低其上表面粗糙度。
进一步的，所述感测平面与单芯片平面相平行；或所述感测平面与所述各向异性磁电阻传感器中的惠斯通电桥占据的平面相平行。
进一步的，所述各向异性磁电阻传感器包括两组惠斯通电桥，其中第一组惠斯通电桥与第二组惠斯通电桥的排布成45度角，各个惠斯通电桥的输出组成所述各向异性磁电阻传感器输出的第一信号；所述霍尔传感器为垂直霍尔传感器，其包括至少两个垂直霍尔器件，各个垂直霍尔器件的输出组成所述霍尔传感器输出的第二信号。
进一步的，所述霍尔传感器包括两个垂直霍尔器件，其中，一个垂直霍尔器件与另一个垂直霍尔器件的电流方向成90度夹角。
进一步的，所述垂直霍尔器件包括：p型硅；自p型硅的上表面延伸入所述p型硅内的n型硅构成势阱；位于n型硅上表面的电极。
进一步的，位于n型硅上表面的电极包括电源端VDD、两个接地端，以及第一输出端和V+和第二输出端V-，其中，电源端VDD位于中间，第一输出端V+和第二输出端V-位于电源端VDD的两侧；两个接地端位于电源端VDD的两侧。
与现有技术相比，本发明中的360度磁角度传感器包括集成于单芯片中的各向异性磁电阻传感器、霍尔传感器和信号处理电路。其中，霍尔传感器采用垂直霍尔传感器来感测平行于芯片平面(或芯片表面)的磁场；信号处理电路基于垂直霍尔传感器的输出判断磁角度(角度或外磁场角度)所处的区间在0到180度或180到360度，更精确的角度由AMR传感器的输出结合磁角度所处的区间得到0到360度高精度磁角度。
【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单芯片360度磁角度传感器的纵向剖面示意图；
图2为图1所示的垂直霍尔传感器中的垂直霍尔器件在一个实施例中的纵向剖面示意图；
图3为在一个实施例中图1所示的AMR传感器的等效电桥的示意图；
图4(a)为在一个实施例中本发明中的垂直霍尔传感器中两组垂直霍尔器件的输出随外磁场角度的变化关系图；
图4(b)为在一个实施例中本发明中的AMR传感器的中两组惠斯通电桥的输出随外磁场角度的变化关系图。
【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。
请参考图1所示，其为本发明在一个实施例中的单芯片360度磁角度传感器的纵向剖面示意图。图1所示的单芯片360度磁角度传感器包括基于同一硅衬底(或半导体衬底)101形成的霍尔(Hall)传感器、各向异性磁电阻(AMR)传感器和信号处理电路。其中，各向异性磁电阻传感器基于感测平面内的磁场产生表示磁角度的第一信号，所述第一信号具有180度的角范围；霍尔传感器，其基于所述感测平面内的磁场产生表示磁角度的第二信号，所述第二信号具有360度的角范围；信号处理电路，其与所述各向异性磁电阻传感器和霍尔传感器电性连接，其基于第二信号判断所述磁角度的所属区间，所属区间为0到180度或180到360度，并结合所述磁角度的所属区间和所述第一信号产生表示磁角度的第三信号，所述第三信号具有360度的角范围。
所述霍尔传感器和信号处理电路设置于第一结构层102，所述AMR传感器设置于第二结构层104，且第一结构层102和第二结构层104在所述硅衬底101上层叠设置。其中，设置有所述霍尔传感器和信号处理电路的第一结构层102位于所述衬底101上；设置有所述AMR传感器的第二结构层104位于所述第一结构层101的上方，信号处理电路和AMR传感器通过过孔金属(未图示)电性连接。在一个实施例中，所述衬底101可以采用标准CMOS工艺中的单晶硅；所述第二结构层中102中的霍尔传感器与专用集成电路采用标准的CMOS工艺制作于单晶硅衬底101上。
在图1所示的实施例中，所述单芯片360度磁角度传感器还包括隔离层103和第三结构层105。其中，所述隔离层103位于第一结构层102和第二结构层104之间；所述第三结构层105位于所述第二结构层104上方。所述隔离层103设置有贯穿其厚度的通孔(未图示)，过孔金属(未图示)穿过所述通孔(或过孔金属穿过隔离层)将AMR传感器和信号处理电路电连接。隔离层103可由氮化硅、二氧化硅等材料组成，过孔金属可以采用Al，Cu等材料。隔离层103的上表面的粗糙度足够小，可以采用化学机械抛光等方法降低粗糙度。第三结构层105包括AMR传感器保护层及其上的电极，电极通过过孔金属与信号处理电路连接，信号电路的输出信号经过孔金属传送至所述第三结构层105的电极处。
图1所示的角度传感器完全由单芯片集成，最终的封装体采用晶圆级封装，也可采用塑封。
设置于第二结构层104中的霍尔传感器采用垂直霍尔传感器，其感测平面平行于所述单芯片平面(或单芯片表面)
图1所示的垂直霍尔传感器包括至少两个或其他偶数个垂直霍尔器件，各个垂直霍尔器件的输出组成垂直霍尔传感器输出的表示磁角度的第二信号。请参考图2所示，其为图1所示的垂直霍尔传感器中的垂直霍尔器件在一个实施例中的纵向剖面示意图。为了便于描述，在图2中定义笛卡尔坐标系，其中，x轴从左向右延伸，z轴从底向上延伸，y轴远离观察者向页面内延伸，z轴与x轴和y轴满足右手定则。
图2所示的垂直霍尔器件包括沿p型基底201(例如，p型硅p-Si)的上表面向下延伸至p型基底201内的n阱202(例如，n型硅构成的势阱n+Si)，以及位于n阱202上方的端口组206。
图2所示的垂直霍尔器件的主体结构为n阱202，外围为p型基底201，工作时电流只在处于中心区域的n阱202内流动。在p型基底201和n阱202的Si界面处成反偏的PN结，防止漏电流。
所述端口组206包括相互间隔排布的五个端口，分别为电源端VDD、第一接地端GND1、第二接地端GND2、信号正端V+和信号负端V-。这五个端口依次间隔排布成一条沿x轴的直线。其中，电源端VDD位于最中间，信号正端V+和信号负端V-分别位于所述电源端VDD两侧；第一接地端GND1和第二接地端GND2分别位于信号正端V+和信号负端V-的外侧。其中，电源端VDD与接地端GND1、GND2的位置也可互换。
以下介绍图2所示的垂直霍尔器件的工作原理。
垂直霍尔器件的输出端为信号正端V+和信号负端V-。电流从电源端VDD进入n阱202，当施加205方向(即垂直纸面向里，坐标y方向)的外磁场时，由于洛伦兹力的作用向左边流经的电流203中，电子将向信号负端V-聚集，向右流经的电流204中，电子将向远离信号正端V+的方向聚集。因此信号正端V+与信号负端V-间产生电势差，该电势差与外加磁场成正比。
在一个实施例中，所述垂直霍尔传感器包括两个垂直霍尔器件，且一个与另一个垂直霍尔器件的电流方向成90度夹角。请参考图4(a)所示，其为在一个实施例中本发明中的垂直霍尔传感器中两个垂直霍尔器件的输出随外磁场角度的变化关系图，其中，一个垂直霍尔器件的输出随外磁场角度为sinθ的变化关系，具体如图4(a)中的403所示，另一个垂直霍尔器件的输出随外磁场角度为cosθ的变化关系，具体如图4(a)中的404所示，通过反正切或等效的方法计算出360度周期的磁角度。
请参阅图3所示，其为在一个实施例中图1所示的AMR传感器的等效电桥的示意图。图3中定义直角坐标系，其中，x轴从左向右延伸，y轴从底向上延伸。图3所示的AMR传感器包括第一惠斯通电桥104a和第二惠斯通电桥104b。
第一惠斯通电桥104a包括电阻元件(或桥臂电阻)R11、R12、R13和R14，其中，电阻R11连接于电源端VDD1和信号负端V1-之间；电阻R12连接于信号负端V1-和接地端GND1之间；电阻R13连接于信号正端V1+和接地端GND1之间；电阻R14连接于电源端VDD1和信号正端V1+；第一惠斯通电桥104a的输出端为信号正端V1+和信号负端V1-。第二惠斯通电桥104b包括电阻元件R21、R22、R23和R24，其中，电阻R21连接于电源端VDD2和信号负端V2-之间；电阻R22连接于信号负端V2-和接地端GND2之间；电阻R23连接于信号正端V2+和接地端GND2之间；电阻R24连接于电源端VDD2和信号正端V2+；第二惠斯通电桥104b的输出端为信号正端V2+和信号负端V2-。
图3所示的第一惠斯通电桥104a和第二惠斯通电桥104b成45度夹角，即第二惠斯通电桥104b中的每个电阻元件的方向与第一惠斯通电桥104a中相应电阻元件的方向偏移45度，例如，第一惠斯通电桥104a中的电阻元件R11、R12、R13和R14分别相对第二惠斯通电桥104b中的电阻元件R21、R22、R23和R24偏移45度。AMR电阻只与磁性层磁化方向与电流之间的夹角有关，角度周期为180度。当施加的磁场H的方向与x轴方向为θ时，第一惠斯通电桥104a中桥臂电阻R14＝R⊥+(R║-R⊥)cos2θ,R11＝R⊥+(R║-R⊥)sin2θ，R11＝R13,R12＝R14,其中R⊥为磁化方向与电流方向垂直时桥臂的电阻，R║为磁化方向与电流方向平行时桥臂的电阻。第一惠斯通电桥104a的输出为：V1+-V1-＝(R13-R12)/(R11+R12)＝AMR/(2+AMR)cos2θ·VDD1,其中AMR为各向异性磁电阻比值，且AMR＝(R║-R⊥)/R⊥。同理，得出第二惠斯通电桥104b的输出为：V2+-V2-＝(R23-R22)/(R21+R22)＝AMR/(2+AMR)sin2θ·VDD2，两个电桥电源电压分别为VDD1和VDD2。第一惠斯通电桥104a对应的输出如图4(b)中402所示，第二惠斯通电桥104b对应的输出如图4(b)中401所示。请参考图4(b)所示，其为在一个实施例中本发明中的AMR传感器的中两组惠斯通电桥的输出随外磁场角度的变化关系图。
需要特别说明的是，图1中的AMR传感器由至少两组惠斯通电桥组成，各个惠斯通电桥的输出组成所述AMR传感器输出的表示磁角度的第一信号；所述感测平面与所述AMR传感器中的惠斯通电桥占据的平面相平行。
所述第二结构层104中还设置有该单芯片360度磁角度传感器的全部专用集成电路(即信号处理电路)，所述信号处理电路基于霍尔传感器的输出信号判断磁角度位于0到180还是180到360度区间；所述信号处理电路基于AMR传感器的输出信号以及磁场角度所属的区间输出0-360范围内的磁角度。在一个实施例中，所述处理电路包括实现Hall/AMR传感器信号的放大滤波的电路模块、通过对放大滤波后的正余弦信号计算具体角度值、判断磁场角度位于0到180还是180到360度的电路模块，结合Hall与AMR的信号输出360度范围内的高精度角度的电路模块及其他必要的电路模块。
综上所述，本发明中的单芯片360度磁角度传感器，将AMR传感器和垂直霍尔器相结合，其既能结合AMR传感器的高精度，又能测量360度周期，且只需要施加面内磁场(与单芯片平面相平行的磁场)即可分辨角度。此外，本发明中的单芯片360度磁角度传感器集成于单芯片中，不但能实现360度范围内高精度的角度测量，而且还可以降低体积、成本和由封装引起的角度误差。
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 (11)
1.一种360度磁角度传感器，其特征在于，其包括：
各向异性磁电阻传感器，其基于感测平面内的磁场产生表示磁角度的第一信号，所述第一信号具有180度的角范围；
霍尔传感器，其基于所述感测平面内的磁场产生表示磁角度的第二信号，所述第二信号具有360度的角范围；
信号处理电路，其与所述各向异性磁电阻传感器和霍尔传感器电性连接，其基于第二信号判断所述磁角度的所属区间，所属区间为0到180度或180到360度，并结合所述磁角度的所属区间和所述第一信号产生表示磁角度的第三信号，所述第三信号具有360度的角范围。
2.根据权利要求1所述的360度磁角度传感器，其特征在于，所述各向异性磁电阻传感器、霍尔传感器和信号处理电路集成在单芯片中。
3.根据权利要求2所述的360度磁角度传感器，其特征在于，所述单芯片包括衬底，以及层叠于所述衬底上的第一结构层和第二结构层，
所述霍尔传感器和信号处理电路设置于所述第一结构层中；
所述各向异性磁电阻传感器设置于所述第二结构层中。
4.根据权利要求3所述的360度磁角度传感器，其特征在于，
所述第一结构层位于所述衬底上；
所述第二结构层位于所述第一结构层上方。
5.根据权利要求4所述的360度磁角度传感器，其特征在于，
所述单芯片还包括隔离层和第三结构层，
所述隔离层位于第一结构层和第二结构层之间，过孔金属穿过所述隔离层将各向异性磁电阻传感器和信号处理电路电连接；
所述第三结构层位于所述第二结构层上方，第三结构层包括各向异性磁电阻传感器保护层及其上的电极，所述电极通过过孔金属与信号处理电路连接。
6.根据权利要求4所述的360度磁角度传感器，其特征在于，
所述衬底采用标准CMOS工艺中的单晶硅；
所述第二结构层中的霍尔传感器与专用集成电路采用标准的CMOS工艺制作于单晶硅衬底上；
所述隔离层由氮化硅、二氧化硅组成；
所述过孔金属采用Al，Cu材料；
所述隔离层采用化学机械抛光降低其上表面粗糙度。
7.根据权利要求1所述的360度磁角度传感器，其特征在于，
所述感测平面与单芯片平面相平行；或
所述感测平面与所述各向异性磁电阻传感器中的惠斯通电桥占据的平面相平行。
8.根据权利要求2所述的360度磁角度传感器，其特征在于，
所述各向异性磁电阻传感器包括两组惠斯通电桥，其中第一组惠斯通电桥与第二组惠斯通电桥的排布成45度角，各个惠斯通电桥的输出组成所述各向异性磁电阻传感器输出的第一信号；
所述霍尔传感器为垂直霍尔传感器，其包括至少两个垂直霍尔器件，各个垂直霍尔器件的输出组成所述霍尔传感器输出的第二信号。
9.根据权利要求8所述的360度磁角度传感器，其特征在于，
所述霍尔传感器包括两个垂直霍尔器件，其中，一个垂直霍尔器件与另一个垂直霍尔器件的电流方向成90度夹角。
10.根据权利要求8所述的360度磁角度传感器，其特征在于，
所述垂直霍尔器件包括：p型硅；自p型硅的上表面延伸入所述p型硅内的n型硅构成势阱；位于n型硅上表面的电极。
11.根据权利要求10所述的360度磁角度传感器，其特征在于，
位于n型硅上表面的电极包括电源端VDD、两个接地端，以及第一输出端和V+和第二输出端V-，
其中，电源端VDD位于中间，第一输出端和V+和第二输出端V-位于电源端VDD的两侧；两个接地端位于电源端VDD的两侧。
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