CN204405819U - 一种集成三轴磁传感器 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种集成三轴磁传感器，包括检测垂直磁场的平面霍尔板、检测平行方向x方向的磁场的纵向霍尔板以及检测平行方向y方向的磁场的纵向霍尔板。本实用新型集成三轴磁传感器集成了感应垂直和平行于传感器三个方向磁场强度的磁传感器，并且利用对称结构以及对称连接关系避免了失调电压对后续电路的影响。可以兼容高压CMOS工艺，不需提供额外的mask版以及工序，在提供集成可行性的同时，也有效降低了成本。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种集成三轴磁传感器，与感应磁场的霍尔效应元件相关。
背景技术
现有三轴磁传感器基本有以下几类：磁致电阻方式、电磁感应方式、集磁片方式。其中磁致电阻方式可以分为两种类型：各向异性磁阻(AMR，anisotropicmagnecto-resistance)和巨磁阻(GMR，giant magneto-resistance)两类，采用惠斯通桥结构能达到比较高的信噪比，但温度性能比较差，不能和集成电路工艺兼容，需要采用MCM封装；电磁感应方式是在PCB板上制作平面环形电感，利用电磁耦合原理实现角度测量；集磁片(IMC)方式是利用导磁片将平行作用于芯片表面的磁场集中起来，在其边缘产生正比于磁场的垂直分量，再通过位于IMC下方的传统平面霍尔元件来测量此信号。这些技术都是采用了特殊工艺，所以制作过程复杂，成本较高。
实用新型内容
本实用新型的技术解决问题是：为克服现有技术的不足，针对三维磁场检测，提供一种高集成度、低成本的集成三轴磁传感器。
本实用新型的技术解决方案为：
一种集成三轴磁传感器，包括检测垂直磁场的平面霍尔板、检测平行方向x方向的磁场的纵向霍尔板以及检测平行方向y方向的磁场的纵向霍尔板；
所述检测垂直磁场的平面霍尔板由中间四个霍尔板b1、b2、b3、b4构成，b1的1端、b2的1端、b3的1端和b4的1端相连作为该霍尔板一信号端Z1；b1的2端、b2的2端、b3的2端和b4的2端相连作为该霍尔板的一信号端Z2；b1的3端、b2的3端、b3的3端和b4的3端相连作为该霍尔板的一信号端Z3；b1的4端、b2的4端、b3的4端和b4的4端相连作为该霍尔板的一信号端Z4；
所述检测平行方向x方向的磁场的纵向霍尔板由左右两侧的霍尔板a7、a8、a3、a4构成，a8的2端、a4的1端和5端、a7的3端、a3的4端相连作为该霍尔板一信号端X1；a3的1端和5端、a7的4端、a4的2端、a8的3端相连作为该霍尔板一信号端X2；a8的4端、a4的3端、a7的1端和5端、a3的2端相连作为该霍尔板一信号端X3；a3的3端、a7的2端、a4的4端、a8的1端和5端相连作为该霍尔板一信号端X4；
所述检测平行方向y方向的磁场的纵向霍尔板由上下两侧的霍尔板a1、a2、a5、a6构成，a1的2端、a2的1端和5端、a5的3端、a4的4端相连作为该霍尔板一信号端Y1；a1的1端和5端、a2的4端、a5的2端、a4的3端相连作为该霍尔板一信号端Y2；a1的4端、a2的3端、a5的1端和5端、a4的2端相连作为该霍尔板一信号端Y3；a1的3端、a2的2端、a5的4端、a4的1端和5端相连作为该霍尔板一信号端Y4。
本实用新型与现有技术相比的优点在于：
(1)本实用新型集成了感应垂直和平行于传感器三个方向磁场强度的磁传感器，并且利用对称结构以及对称连接关系避免了失调电压对后续电路的影响。
(2)本实用新型可以兼容高压CMOS工艺，不需提供额外的mask版以及工序，在提供集成可行性的同时，也有效降低了成本，适合大规模生产。
附图说明
图1为感应垂直磁场(Bz)的单个平面霍尔板方式一的俯视图。
图2为感应垂直磁场(Bz)的单个平面霍尔板方式一的剖面图。
图3为感应垂直磁场(Bz)的单个平面霍尔板方式二的俯视图。
图4为感应垂直磁场(Bz)的单个平面霍尔板方式二的剖面图。
图5为感应垂直磁场(Bz)的单个平面霍尔板方式三的俯视图。
图6为感应垂直磁场(Bz)的单个平面霍尔板方式三的剖面图。
图7为感应平面磁场(By)的单个纵向霍尔板方式一的俯视图。
图8为感应平面磁场(By)的单个纵向霍尔板方式一的俯视图。
图9为感应平面磁场(By)的单个纵向霍尔板方式二的俯视图。
图10为感应平面磁场(By)的单个纵向霍尔板方式二的俯视图。
图11为感应平面磁场(By)的单个纵向霍尔板方式三的俯视图。
图12为感应平面磁场(By)的单个纵向霍尔板方式三的俯视图。
图13为感应平面磁场的两个方向(Bx和By)的纵向霍尔板的俯视图。
图14为感应三轴磁场(Bx、By、Bz)的整个霍尔板布局俯视图。
图15为感应三轴磁场(Bx、By、Bz)的整个磁传感器结构图。
具体实施方式
利用高压CMOS工艺中的N阱来实现，在不增加额外工艺流程的基础上增加实现三种方式的平面霍尔板和三种方式的纵向霍尔板，并且通过对称布局和连接关系来实现集成三轴磁传感器，集成三轴磁传感器整体结构见图15：
检测垂直磁场(Bz)的平面霍尔板由中间四个霍尔板b1、b2、b3、b4构成，其中b1的1端、b2的1端、b3的1端和b4的1端相连作为感应垂直磁场Bz的霍尔板一信号端Z1；b1的2端、b2的2端、b3的2端和b4的2端相连作为感应垂直磁场Bz的霍尔板的一信号端Z2；b1的3端、b2的3端、b3的3端和b4的3端相连作为感应垂直磁场Bz的霍尔板的一信号端Z3；b1的4端、b2的4端、b3的4端和b4的4端相连作为感应垂直磁场Bz的霍尔板的一信号端Z4；
检测平行磁场(By)的纵向霍尔板由上下两侧的霍尔板a1、a2、a5、a6构成，其中a1的2端、a2的1端和5端、a5的3端、a4的4端相连作为感应平行磁场(By)的霍尔板一信号端Y1；a1的1端和5端、a2的4端、a5的2端、a4的3端相连作为感应平行磁场(By)的霍尔板一信号端Y2；a1的4端、a2的3端、a5的1端和5端、a4的2端相连作为感应平行磁场(By)的霍尔板一信号端Y3；a1的3端、a2的2端、a5的4端、a4的1端和5端相连作为感应平行磁场(By)的霍尔板一信号端Y4；
检测平行磁场(Bx)的纵向霍尔板由左右两侧的霍尔板a7、a8、a3、a4构成，其中a8的2端、a4的1端和5端、a7的3端、a3的4端相连作为感应平行磁场(Bx)的霍尔板一信号端X1；a3的1端和5端、a7的4端、a4的2端、a8的3端相连作为感应平行磁场(Bx)的霍尔板一信号端X2；a8的4端、a4的3端、a7的1端和5端、a3的2端相连作为感应平行磁场(Bx)的霍尔板一信号端X3；a3的3端、a7的2端、a4的4端、a8的1端和5端相连作为感应平行磁场(Bx)的霍尔板一信号端X4。
检测垂直磁场(Bz)的输出端Z1、Z2、Z3、Z4，其中Z1与Z3构成一对，Z2与Z4构成一对，这两对有效端分别作为电流注入端，以及霍尔电压的引出端；
检测平行磁场(By)的输出端Y1、Y2、Y3、Y4，其中Y1与Y3构成一对，Y2与Y4构成一对，这两对有效端分别作为电流注入端，以及霍尔电压的引出端；
检测平行磁场(Bx)的输出端X1、X2、X3、X4，其中X1与X3构成一对，X2与X4构成一对，这两对有效端分别作为电流注入端，以及霍尔电压的引出端。
所述检测平行磁场(Bx)的纵向霍尔板结构兼容高压CMOS工艺，可以在不增加任何额外工艺过程的前提下实现：采用N阱、P型覆盖区、N+实现；采用N阱、P型覆盖区、N+以及POLY实现；N阱、P型覆盖区、N+以及P阱实现。
所述检测垂直磁场(Bz)的霍尔板结构兼容高压CMOS工艺，可以在不增加任何额外的工艺过程的前提下实现：采用N阱、P型覆盖区、N+实现；采用N阱、P型覆盖区、N+以及POLY实现；N阱、P型覆盖区、N+以及P阱实现。
图1为感应垂直磁场(Bz)的单个平面霍尔板方式一的俯视图。感应垂直磁场(Bz)的单个平面霍尔板包括1、2、3、4的接触端，1与3和2与4为两对有效端，分别作为电流注入端和霍尔电压的输出端。导体区20中电流在磁场Bz作用下，电荷在电压引出端口聚集，产生霍尔电压，该电压大小与磁场Bx、By强度成比例关系。图3为感应垂直磁场(Bz)的单个平面霍尔板方式二的俯视图。在方式一的基础上增加一层POLY 20，图5为感应垂直磁场(Bz)的单个平面霍尔板方式三的俯视图。在方式一的基础上外围增加一层P型导体区23。
图2为感应垂直磁场(Bz)的单个平面霍尔板方式一的剖面图(端口1和端口3方向解剖)。感应垂直磁场(Bz)的单个霍尔元件的导体区20由工艺中深N阱形成，深度为6um。接触区1和3由工艺中N+形成，接触区1-3之间的P型区21由工艺中P形成。图4为感应垂直磁场(Bz)的单个平面霍尔板方式二的剖面图(端口1和端口3方向解剖)。图6为感应垂直磁场(Bz)的单个平面霍尔板方式三的剖面图(端口1和端口3方向解剖)。
图7为感应平面磁场(By)的单个纵向霍尔板方式一的俯视图。感应平面磁场(By)的单个纵向霍尔板霍尔元件有5个接触孔1-5，一般1和5短接，这样在4个有效的接触端中，两个作为电流注入端，两个作为霍尔电压的引出端。霍尔元件的导体区20由深N阱形成，为沿Y方向的细长条，在接触孔1-5之间，分布P型的覆盖区21。导体区20中电流在磁场By作用下，电荷在电压引出端口聚集，产生霍尔电压，该电压大小与磁场By强度成比例关系。图9为感应平面磁场(By)的单个纵向霍尔板方式二的俯视图。图11为感应平面磁场(By)的单个纵向霍尔板方式一的俯视图。
图8为感应平面磁场(By)的单个纵向霍尔板方式一的剖面图。图10为感应平面磁场(By)的单个纵向霍尔板方式二的剖面图。图12为感应平面磁场(By)的单个纵向霍尔板方式三的剖面图。
图13为感应平面磁场的两个方向(Bx和By)的纵向霍尔板的俯视图。感应平面磁场的两个方向(Bx和By)的纵向霍尔板原理一致。
图14为感应三轴磁场(Bx、By、Bz)的整个霍尔板布局俯视图。其中感应垂直磁场(Bz)的霍尔板为b1-b4，采用质心对称的方式排列；感应平行磁场(By)方向的霍尔板为a1、a2、a5、a6，分别对称排列在b1-b4阵列的上下两侧；感应平行磁场(Bx)方向的霍尔板为a3、a4、a7、a8，分别对阵排列在b1-b4阵列的左右两侧。
本实用新型未公开技术属本领域技术人员公知常识。
Claims (1)
1.一种集成三轴磁传感器，其特征在于，包括检测垂直磁场的平面霍尔板、检测平行方向x方向的磁场的纵向霍尔板以及检测平行方向y方向的磁场的纵向霍尔板；
所述检测垂直磁场的平面霍尔板由中间四个霍尔板b1、b2、b3、b4构成，b1的1端、b2的1端、b3的1端和b4的1端相连作为该霍尔板一信号端Z1；b1的2端、b2的2端、b3的2端和b4的2端相连作为该霍尔板的一信号端Z2；b1的3端、b2的3端、b3的3端和b4的3端相连作为该霍尔板的一信号端Z3；b1的4端、b2的4端、b3的4端和b4的4端相连作为该霍尔板的一信号端Z4；
所述检测平行方向x方向的磁场的纵向霍尔板由左右两侧的霍尔板a7、a8、a3、a4构成，a8的2端、a4的1端和5端、a7的3端、a3的4端相连作为该霍尔板一信号端X1；a3的1端和5端、a7的4端、a4的2端、a8的3端相连作为该霍尔板一信号端X2；a8的4端、a4的3端、a7的1端和5端、a3的2端相连作为该霍尔板一信号端X3；a3的3端、a7的2端、a4的4端、a8的1端和5端相连作为该霍尔板一信号端X4；
所述检测平行方向y方向的磁场的纵向霍尔板由上下两侧的霍尔板a1、a2、a5、a6构成，a1的2端、a2的1端和5端、a5的3端、a4的4端相连作为该霍尔板一信号端Y1；a1的1端和5端、a2的4端、a5的2端、a4的3端相连作为该霍尔板一信号端Y2；a1的4端、a2的3端、a5的1端和5端、a4的2端相连作为该霍尔板一信号端Y3；a1的3端、a2的2端、a5的4端、a4的1端和5端相连作为该霍尔板一信号端Y4。
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| CN (1) | CN204405819U (zh) |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN107561462A (zh) * | 2017-09-05 | 2018-01-09 | 重庆金山医疗器械有限公司 | 基于变化磁场的胶囊全姿态测定系统及空间磁场检测装置 |
| CN108646202A (zh) * | 2018-03-29 | 2018-10-12 | 上海市行知实验中学 | 基于霍尔阵列的全向磁感强度测量装置及测量方法 |
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2014
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| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
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