CN114609559B - 一种三轴霍尔角度传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种三轴霍尔角度传感器，涉及微电子学与固体电子学领域。本发明三接触四霍尔结构具有旋转对称性，将同一方向垂直霍尔器件正交耦合连接能有效消除失调，并且能增大测量水平方向磁场的绝对灵敏度。放置在中间的四个完全一样的霍尔器件通过正交耦合连接在一起，该方式可以很好的消除器件几何误差、有源区掺杂不均匀、以及接触电阻等工艺误差等引起失调。因此采用四个垂直霍尔器件测量水平方向的磁场，测量同一水平方向磁场时使用两个互补的垂直型结构消除误差。该三轴霍尔角度传感器面积仅为142×142μm²，实现了测量磁场方向与xy平面夹角误差小于0.2°，磁场方向在xy平面投影与x轴夹角误差小于0.05°的性能。

Description

一种三轴霍尔角度传感器

技术领域

本发明涉及微电子学与固体电子学领域，特别涉及一种3轴霍尔角度传感器。

背景技术

磁场传感器作为微传感器中的一个重要领域，每年生产数以亿记的磁性传感器被广泛地运用在消费电子、汽车工业、工业自动化控制、磁场探测、医疗器械、航空航天和军事工业等领域。霍尔传感器作为历史最为悠久的磁性传感器，在半导体工艺的促进下正朝着小尺寸、低成本、低功耗高灵敏度方向发展，近几十年霍尔效应传感器也一直是主力磁传感器。

单轴霍尔传感器是最为悠久的霍尔传感器，单轴霍尔传感器只能测量一个特定方向的磁场，这使得单轴霍尔传感器使用范围十分受限。近年来，随着一些新技术的发明，使得能测量多个磁场方向的霍尔传感器开始被研究。对于实现三轴霍尔传感器，常采用的方案有三种：

方案一：使用三个相同的水平霍尔器件放置在X，Y，Z平面来实现对三维磁场的测量。

方案二：使用水平霍尔器件和两个垂直霍尔器件相结合的多器件方案，水平霍尔器件用于测量垂直于芯片表面的磁场，垂直霍尔器件用于测量与芯片表面平行的磁场。

方案三：由磁集中器薄盘和四个相同的水平霍尔器件组成，磁集中器技术可以将水平方向的磁场转换为垂直方向的磁场，这样就可以使用水平霍尔器件测量被转换的水平磁场。

这三种方案各有优缺点。方案一水平获取器件具有较高的灵敏度，能够很好的感测各个方向的磁场。但要求三个器件分别沿其所需测量的坐标轴进行对齐，同时还需保持三个相互独立工作的霍尔器件有着较为紧密的物理距离，这种三轴传感器的制造方式较为困难且成本较高。方案二，水平霍尔器件和垂直霍尔器件都可以采用标准的CMOS工艺而不需要额外增加其他工艺就能实现，这有效的降低生产成本。但用于测量水平方向磁场的垂直霍尔结构表现出较低的灵敏度和较高的偏移，因此需要单独的信号调节电路进行补偿。方案三，磁集中器技术使得X，Y，Z三轴外界磁场的测量可完全依靠放置于同一平面的水平型霍尔传感器来实现。磁集中器通常需要使用特殊的工艺和材料进行生产制造，同时对磁集中器和水平霍尔器件的摆放有较高的要求。

本发明针对方案二提出了新型结构，相较于传统的方案而言在没有增加面积的情况下减少了失调提升了灵敏度。

发明内容

本发明针对上述三轴霍尔传感器存在的问题进行了改进，提出了一种新型的三轴霍尔传感器结构和测量方法。

三轴霍尔传感器是通过测量磁场B在X,Y,Z三个方向磁场转化的霍尔电压，然后计算出磁场的角度。本发明技术方案为：一种三轴霍尔角度传感器，包括4个垂直霍尔器件和4个水平霍尔器件，4个垂直霍尔器件分比为：X1、X2、Y1和Y2，4个水平霍尔器件分别为：Z1、Z2、Z3和Z4，所述垂直霍尔器件用于测量水平方向磁场，结构为4个相同的三接触极垂直霍尔结构串联结构，每个霍尔结构三个接触极的中间电极用于提供偏置或感应霍尔电压，两边的电极用于与该结构内霍尔结构的电极连接；X1和X2用于测量X方向的磁场，Y1和Y2用于测量Y方向的磁场；X1、Y1、X2和Y2围成一个正方形，X₁和X2相对；所述水平霍尔器件用于测量垂直磁场，4个水平霍尔器件均匀的阵列于4个垂直霍尔器件围成的正方形内；

所述X1中四个霍尔结构的中间电极依次为A_X1、B_X1、C_X1、D_X1，所述X2中四个霍尔结构的中间电极依次为A_X2、B_X2、C_X2、D_X2；测量X方向磁场时，对X₁，在A_X1与C_X1接触极之间施加电流偏置，测量D_X1与B_X1接触极之间的霍尔电压V_HallX1；同时在B_X2与D_X2之间施加电流偏置，测量A_X2与C_X2之间产生的霍尔电压V_HallX2；

所述Y1中四个霍尔结构的中间电极依次为A_Y1、B_Y1、C_Y1、D_Y1，Y2中四个霍尔结构的中间电极依次为A_Y2、B_Y2、C_Y2、D_Y2；测量Y方向磁场时，在A_Y1与C_Y1之间施加偏置电流，测量B_Y1与D_X1接触极之间的霍尔电压V_HallY1；同时在B_Y2与D_Y2之间施加偏置电流，测量C_Y2与A_Y2感应霍尔电压V_HallY2；

所述4个水平霍尔器件Z1、Z2、Z3和Z4的四个电极依次分别为(A_Z1、B_Z1、C_Z1、D_Z1)，(A_Z2、B_Z2、C_Z2、D_Z2)，(A_Z3、B_Z3、C_Z3、D_Z3)，(A_Z4、B_Z4、C_Z4、D_Z4)；测量垂直磁场时，在A_Z1与C_Z1之间施加偏置电流，测量D_Z1与B_Z1之间产生的霍尔电压V_HallZ1；在B_Z2与D_Z2之间施加电流偏置，测量A_Z2与C_Z2之间的霍尔电压V_HallZ2；在C_Z3与A_Z3之间施加偏置电流，测量B_Z3与D_Z3之间的霍尔电压V_HallZ3；在D_Z4与B_Z4之间施加偏置电流，测量C_Z4与A_Z4之间的霍尔电压V_HallZ4。

进一步的，将A_Z1、A_Z2、A_Z3、A_Z4连接形成A连接头，B_Z1、B_Z2、B_Z3、B_Z4连接形成B连接头，C_Z1、C_Z2、C_Z3、C_Z4连接形成C连接头，D_Z1、D_Z2、D_Z3、D_Z4连接形成D连接头；测量垂直磁场时，在A连接头和C连接头之间施加电压，测量B连接头和D连接头之间的电压。

进一步的，在标准SMIC BCD0.18μm的工艺下，水平霍尔器件设计的N阱有源区掺杂浓度为2.2783×10¹⁶cm^-3深度为1.5μm，制作垂直霍尔器件的有源区掺杂浓度为2.4166×10¹⁶cm^-3深度为6μm。通过COMSOL Multiphysics有限元仿真，测量磁场方向与xy平面的夹角误差小于0.2°，磁场方向在xy平面投影与x轴的夹角误差小于0.05°。

本发明三接触四霍尔结构具有旋转对称性，将同一方向垂直霍尔器件正交耦合连接能有效消除失调，并且能增大测量水平方向磁场的绝对灵敏度。放置在中间的四个完全一样的霍尔器件通过正交耦合连接在一起，该方式可以很好的消除器件几何误差、有源区掺杂不均匀、以及接触电阻等工艺误差等引起失调。本发明所提出的结构相对于文献1[Popovic D R,Dimitrijevic S,Blagojevic M,et al.Three-axis teslameter withintegrated Hall probe[J].IEEE Transactions on instrumentation andmeasurement,2007,56(4):1396-1402.]；文献2[Burger F,Besse P A,Popovic R S.Newfully integrated 3-D silicon Hall sensor for precise angular-positionmeasurements[J].Sensors and Actuators A:Physical,1998,67(1-3):72-76.]；文献3[Dimitrov K V.A 3-D Hall sensor for precise angular position measurements[J].Turkish Journal of Physics,2007,31(2):97-102.]在灵敏度、面积和功耗方面更具优势。

附图说明

图1为十字水平霍尔器件的结构图，(a)正视图(b)俯视图。

图2为水平霍尔器件测量磁场变化。

图3为三接触四霍尔垂直霍尔器件的结构，(a)正视图(b)俯视图。

图4为垂直霍尔器件测量水平方向磁场时霍尔电压的变化。

图5为双垂直霍尔器件消除失调后霍尔电压随磁场的变化曲线。

图6为本发明三轴霍尔传感器所采用的几何结构。

图7为本发明三轴霍尔传感器电路连接。

图8磁场倾斜角度α测量值与实际值比较。

图9磁场倾斜角度θ测量值与实际值比较。

具体实施方式

下面将对实施例并结合附图，对本发明作进一步说明：

根据模型所采用的工艺，确定水平霍尔器件和垂直霍尔器件有源区的深度和掺杂浓度。根据Foundry提供的设计规则可以N阱有源的掺杂浓度约为2.2783×10¹⁶cm^-3深度约为1.5μm，深N阱有源区掺杂浓度约为2.4166×10¹⁶cm^-3深度约为6μm。

水平型霍尔器件

在“几何”中构造如图1所示的十字型霍尔器件，该结构具有良好的旋转对称性。当A端流入电流，C端流出电流时，B，D两端感应霍尔电压。B端用作电流输入端，D端输出电流时，A，C两端直接存在的电压差为霍尔电压。这样的旋转对称结构有利于设计后续接口电路，使用旋转电流技术可以降低霍尔器件存在的失调。几何设计参数包括L、W、H、L_C、W_C、W_H，分别表示霍尔器件的长度、宽度、高度、接触电极长度、接触电极宽度和接触电极高度。通过对比不同尺寸的霍尔器件发现，当L、W、H、L_C、W_C、W_H分别设为40μm，22μm，1.5μm，11μm，1.6μm时性能最优。

在“电流(ec)”物理场中增加电流守恒节点，在该节点下可以定义接口的电导率以及本构关系和位移电流的相对介电常数。当向通电导体施加垂直于电流方向的磁场时，导体内载流子由于受到洛伦兹力的作用而偏转，并形成垂直于磁场和电流方向的电场。将磁场对电流的影响转化为磁场对电导率的影响，建立各向异性的磁场函数电导率。对于使用N阱制作的水平型霍尔器件，其电流传输方程可写为：

其中，

σ₃₃＝σ₀＝μnq (4)

σ₁₃＝σ₂₃＝σ₃₁＝σ₃₂＝0 (5)

在COMSOL Multiphysics中加入“参数化扫描”研究磁场强度的影响。B_Z方向的磁场从0mT增加到100mT时水平霍尔器件感应电极测得的电势和霍尔电压如图2所示，电流相关灵敏度为144.4V/A·T。

垂直型霍尔片

传统的霍尔器件平行于芯片表面，用于测量垂直于传感器表面的磁场Bz。当需要测量与芯片表面平行的磁场时需要特殊的封装技术将水平霍尔器件垂直放入，这对封装的精度要求很高。为了解决测量水平方向磁场的问题，已经设计出了多种垂直霍尔器件，如图3所示三接触四霍尔垂直霍尔器件被认为很有前景的结构。

在“几何”中构造三接触四霍尔垂直霍尔器件，该结构具有良好的旋转对称性。当A端流入电流，从不相邻的C端流出电流时，B，D两个端子产生的电压差即为霍尔电压。当B端流入电流，D端流出电流时，测量A，C两端的电位可以得到相应的霍尔电压。相对于传统五接触极的霍尔器件该结构具有旋转对称型，这有利于读出接口电路的设计。该垂直霍尔器件的几何参数包括L、W、H、l_c、h_c、sp_c，sp_hall分别表示垂直霍尔器件的长度、宽度、高度、接触电极长度、接触电极高度、接触电极的间距和各三接触极霍尔器件之间的间距。通过对比不同尺寸的霍尔器件发现，当L、W、H、l_c、h_c、sp_c，sp_hall分别设为30μm，2μm，6μm，1μm，0.16μm，13μm和3μm时性能最优。

在“电流(ec)”物理场中增加电流守恒节点。对深N阱制作的垂直型霍尔器件在受到水平方向磁场影响时，其电流传输方程为

其中对于y方向的磁场的各项异性电导率为

σ₂₂＝σ₀＝μnq (9)

σ₁₂＝σ₂₁＝σ₂₃＝σ₃₂＝0 (10)

对于测量x方向磁场的电导率为

σ₁₁＝σ₀＝μnq (13)

σ₁₂＝σ₂₁＝σ₁₃＝σ₃₁＝0 (14)

在COMSOL Multiphysics中加入“参数化扫描”研究。By方向的磁场从0mT增加到100mT时垂直霍尔器件感应电极测得的电压和霍尔电压如图4所示。垂直霍尔器件的电流相关灵敏度为107.9V/A·T。

可以发现三接触四霍尔垂直型霍尔器件与水平霍尔器件相比存在更大的失调，因此在测量同一方向磁场时可以使用两个完全一样的三接触四霍尔的霍尔器件通过互补的方式连接以消除存在的失调，如图5所示为校准后测得的霍尔电压。

三轴霍尔角度传感器

本发明设计的三轴霍尔传感器如图6所示结构由4个完全相同的三接触四霍尔垂直霍尔器件(X1,X2,Y1,Y2)和4个水平霍尔器件(Z1,Z2,Z3,Z4)组成。垂直霍尔器件用于测量X，Y轴方向的磁场即水平方向的磁场，水平霍尔器件用于测量Z轴方向的磁场即垂直方向的磁场。图6其中X1与X2可用于测量Bx方向的磁场。

对于X1，偏置电流从A_X1端口流入从不相邻的C_X1流出，在B_X1与D_X1之间的霍尔电压V_HallX1可以表示为：

V_HallX1＝V_DX1-V_BX1＝S_vI_biasB_x+V_offX (15)

对于X2，偏置电流从B_X2端口流入从D_X2端口流出，在A_X2与C_X2之间的霍尔电压V_HallX2为：

V_HallX2＝V_AX2-V_CX2＝S_vI_biasB_x-V_offX (16)

垂直霍尔器件Y1，Y2被用于测量By方向的磁场。对于Y1器件，当在A_Y1与C_Y1之间施加偏置电流，测得B_Y1与D_Y1之间的霍尔电压V_HallY1为：

V_HallY1＝V_BY1-V_DY1＝S_vI_biasB_y+V_offY (17)

对于Y2器件，当在B_Y2与D_Y2之间施加偏置电流，A_Y2与C_Y2之间的霍尔电压为：

V_HallY2＝V_CY2-V_AY2＝S_vI_biasB_y-V_offY (18)

水平型器件Z用于测量垂直方向的磁场：第一个水平霍尔器件Z1，在A_Z1与C_Z1之间施加偏置电流，测量D_Z1与B_Z1之间产生的霍尔电压。

V_HallZ1＝V_DZ1-V_BZ1＝S_hI_biasB_z+V_offZ (19)

第二个水平霍尔器件Z2，在B_Z2与D_Z2之间施加电流偏置，测量A_Z2与C_Z2之间的霍尔电压：

V_HallZ2＝V_AZ2-V_CZ2＝S_hI_biasB_z-V_offZ (20)

第三个水平霍尔器件Z3，在C_Z3与A_Z3之间施加偏置电流，测量B_Z3与D_Z3之间的霍尔电压：

V_HallZ3＝V_BZ3-V_DZ3＝S_hI_biasB_z+V_offZ (21)

第四个水平霍尔器件Z4，在DZ4与BZ4之间施加偏置电流，测量A_Z4与C_Z4之间的霍尔电压：

V_HallZ4＝V_CZ4-V_AZ4＝S_hI_biasB_z-V_offZ (22)

其中S_v、S_h分别代表垂直霍尔器件和水平霍尔器件的电流相关灵敏度；I_bias表示霍尔器件上施加的偏置电流；B_x，B_y，B_z分别表示外加磁场的x，y，z轴分量，V_off表示失调。外界磁场的角度信息可以由磁场B的方向与xy平面的位置之间的角度θ、以及x轴与磁场在xy平面上的投影之间的角度α来确定。外部磁场B的x，y，z轴分量分别描述为：

B_x＝Bcosθcosα (23)

B_y＝Bcosθsinα (24)

B_z＝Bsinθ (25)

在研究中，利用霍尔器件测得的霍尔电压和器件的相关灵敏度可以获得角度α和角度θ。

图8代表着随着磁场倾斜角度α从0°变化至90°过程中对于角度α的测量值与实际外界磁场倾斜角度的比较结果。在87°时测量值与实际值存在的误差为0.05°。

图9代表着随着磁场倾斜角度θ从0°变化至90°过程中角度θ的测量值与实际外界磁场倾斜角度的比较结果。在76°时测量值与实际值存在的误差为0.2°。

以上所述发明实施步骤仅为本3轴霍尔磁传感器发明的一项较佳实施例，因此依照于本发明所申请专利范围而实施的等效演变模拟方法，仍应当属于本发明的有效涵盖范围。

表1：三轴霍尔角度传感器对比

	文献1	文献2	文献3	本发明
					方法	水平+垂直	4水平+2垂直	水平+垂直	4水平+4垂直
角度误差[°]	0.5	0.3	1/3	0.2/0.05
					面积[m2]	150×150	440×440	250×220	142×142
功耗[mW]	/	20	30	12

Claims (3)

1.一种三轴霍尔角度传感器，包括4个垂直霍尔器件和4个水平霍尔器件，4个垂直霍尔器件分别为：X1、X2、Y1和Y2，4个水平霍尔器件分别为：Z1、Z2、Z3和Z4，所述垂直霍尔器件用于测量水平方向磁场，结构为4个相同的三接触极垂直霍尔结构串联结构，每个霍尔结构三个接触极的中间电极用于提供偏置或感应霍尔电压，两边的电极用于与该结构内霍尔结构的电极连接；X1和X2用于测量X方向的磁场，Y1和Y2用于测量Y方向的磁场；X1、Y1、X2和Y2围成一个正方形，X₁和X2相对；所述水平霍尔器件用于测量垂直磁场，4个水平霍尔器件均匀的阵列于4个垂直霍尔器件围成的正方形内；

所述X1中四个霍尔结构的中间电极依次为A_X1、B_X1、C_X1、D_X1，所述X2中四个霍尔结构的中间电极依次为A_X2、B_X2、C_X2、D_X2；测量X方向磁场时，对X₁，在A_X1与C_X1接触极之间施加电流偏置，测量D_X1与B_X1接触极之间的霍尔电压V_HallX1；同时在B_X2与D_X2之间施加电流偏置，测量A_X2与C_X2之间产生的霍尔电压V_HallX2；

所述Y1中四个霍尔结构的中间电极依次为A_Y1、B_Y1、C_Y1、D_Y1，Y2中四个霍尔结构的中间电极依次为A_Y2、B_Y2、C_Y2、D_Y2；测量Y方向磁场时，在A_Y1与C_Y1之间施加偏置电流，测量B_Y1与D_X1接触极之间的霍尔电压V_HallY1；同时在B_Y2与D_Y2之间施加偏置电流，测量C_Y2与A_Y2感应霍尔电压V_HallY2；

所述4个水平霍尔器件Z1、Z2、Z3和Z4的四个电极依次分别为A_Z1、B_Z1、C_Z1、D_Z1，A_Z2、B_Z2、C_Z2、D_Z2，A_Z3、B_Z3、C_Z3、D_Z3，A_Z4、B_Z4、C_Z4、D_Z4；测量垂直磁场时，在A_Z1与C_Z1之间施加偏置电流，测量D_Z1与B_Z1之间产生的霍尔电压V_HallZ1；在B_Z2与D_Z2之间施加电流偏置，测量A_Z2与C_Z2之间的霍尔电压V_HallZ2；在C_Z3与A_Z3之间施加偏置电流，测量B_Z3与D_Z3之间的霍尔电压V_HallZ3；在D_Z4与B_Z4之间施加偏置电流，测量C_Z4与A_Z4之间的霍尔电压V_HallZ4。

2.如权利要求1所述的一种三轴霍尔角度传感器，其特征在于，将A_Z1、A_Z2、A_Z3、A_Z4连接形成A连接头，B_Z1、B_Z2、B_Z3、B_Z4连接形成B连接头，C_Z1、C_Z2、C_Z3、C_Z4连接形成C连接头，D_Z1、D_Z2、D_Z3、D_Z4连接形成D连接头；测量垂直磁场时，在A连接头和C连接头之间施加电压，测量B连接头和D连接头之间的电压。

3.如权利要求1所述的一种三轴霍尔角度传感器，其特征在于，在标准SMIC BCD0.18μm的工艺下，水平霍尔器件设计的N阱有源区掺杂浓度为2.2783×10¹⁶cm^-3深度为1.5μm，制作垂直霍尔器件的有源区掺杂浓度为2.4166×10¹⁶cm^-3深度为6μm。

Images