CN209945256U - 一种片上集成的环形霍尔角度传感器 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及一种片上集成的环形霍尔角度传感器。其结构为由横截面为梯形的八个立体相接构成的正八边形环状柱体，每一横截面为梯形的立体均包括N阱层、位于N阱层两旁侧且与N阱层相接的两个P衬底层、设于N阱层上部的N+注入层、设于N阱层上部且位于N+注入层两旁的两个P+注入层、设于N阱层上表面且与N+注入层电性连接的N接触电极、设于N阱层上表面且与P+注入层电性连接的P接触电极、设于P衬底层上部的P阱层。本实用新型整个设计采用单传感器集成于芯片内部，减少了芯片的面积和工艺成本，在一定程度上降低了芯片功耗，能够简化角度测控的实现方式，扩大侦测范围。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种片上集成的环形霍尔角度传感器。
背景技术
目前，角度传感器的应用范围非常广泛，分为接触式角度传感器和非接触式角度传感器两大类，一种是利用滑动变阻器原理设计的接触式角度传感器，但是电刷与电阻带之间存在滑动摩擦，降低了器件的使用寿命和可靠性。非接触式角度传感器分为霍尔角度传感器，磁阻效应传感器，电磁感应原理传感器，电容电感效应角度传感器，光效应角度传感器。其中光效应角度传感器受环境制约影响比较大，磁阻效应传感器精度高，但是制造成本昂贵，电容电感角度传感器结构简单，但是受工艺和电路影响较大，所以利用霍尔效应制作的角度传感器的性价比就凸显出来。近些年来，霍尔式角度传感器大类中衍生出多种测量角度的传感器。例如AMR传感器，MAGFET传感器，利用IMC构成的角度传感器等，但是这些结构对工艺匹配要求较高，不能完全集成在低成本的CMOS工艺中，并且输出信号需要用特殊的算法或者数学理论来计算角度，增加了设计过程中的复杂性。
为此本实用新型提出了一种片上集成的环形霍尔角度传感器。
发明内容
本实用新型的目的在于提供一种片上集成的环形霍尔角度传感器，该角度传感器整个设计采用单传感器集成于芯片内部，减少了芯片的面积和工艺成本。
为实现上述目的，本实用新型的技术方案是：一种片上集成的环形霍尔角度传感器，其结构为由横截面为梯形的八个立体相接构成的正八边形环状柱体，每一横截面为梯形的立体均包括N阱层、位于N阱层两旁侧且与N阱层相接的两个P衬底层、设于N阱层上部的N+注入层、设于N阱层上部且位于N+注入层两旁的两个P+注入层、设于N阱层上表面且与N+注入层电性连接的N接触电极、设于N阱层上表面且与P+注入层电性连接的P接触电极、设于P衬底层上部的P阱层。
在本实用新型一实施例中，所述N阱层为长方体结构，所述P衬底层为横截面为直角梯形的立体。
相较于现有技术，本实用新型具有以下有益效果：本实用新型整个设计采用单传感器集成于芯片内部，减少了芯片的面积和工艺成本，在一定程度上降低了芯片功耗，能够简化角度测控的实现方式，扩大侦测范围。
附图说明
图1是本实用新型片上集成的环形霍尔角度传感器的主视图。
图2是本实用新型构成环形霍尔角度传感器的其中一部分结构示意图。
图3是一对垂直霍尔器件结构俯视图。
图4是某一阶段时序逻辑结构原理图。
具体实施方式
下面结合附图，对本实用新型的技术方案进行具体说明。
如图1、2所示，本实用新型提供了一种片上集成的环形霍尔角度传感器，其结构为由横截面为梯形的八个立体相接构成的正八边形环状柱体，每一横截面为梯形的立体均包括N阱层1、位于N阱层1两旁侧且与N阱层1相接的两个P衬底层2、设于N阱层1上部的N+注入层3、设于N阱层1上部且位于N+注入层3两旁的两个P+注入层5、设于N阱层1上表面且与N+注入层3电性连接的N接触电极6、设于N阱层1上表面且与P+注入层5电性连接的P接触电极7、设于P衬底层2上部的P阱层4。
所述N阱层为长方体结构，所述P衬底层为横截面为直角梯形的立体。
本实用新型设计的器件结构为八边形环状几何对称垂直霍尔传感器结构，集成在单传感器芯片内部。该垂直霍尔结构采用深N阱CMOS高压工艺制备。
本实用新型采用非交叠分时时序扫描八边形环状几何对称垂直霍尔传感器结构，通过顺时针和逆时针的时序控制一组八孔垂直霍尔器件在两个独立通道中同时进行八个感测步骤，三十二个转换过程，从而实现角度测控功能。整个设计采用单传感器集成于芯片内部，减少芯片面积和工艺成本，在一定程度上降低芯片的功耗，实现方式更精确。能够简化实现方式，扩大侦测范围。
以下将详细叙述本实用新型霍尔角度传感器应用原理。当外部施加某方向上的磁场时，电子受洛伦磁力的影响发生偏转，两个电极之间的压差关系即为该相位下的霍尔电压；以图4为例，该八边形环状几何对称垂直霍尔传感器结构由单个环状垂直霍尔器件进行合理排布形成。
通过外加分时非交叠的时序控制，扫描八孔垂直霍尔器件，完成环形360°扫描。八边形环状几何对称垂直霍尔传感器结构通过八个主要传感步骤，三十二个工作状态完成扫描传感。将八边形环状几何对称垂直霍尔传感器结构定义为八个部分，分别为contact1，contact2，contact3，contact4，contact5，contact6，contact7，contact8。利用非交叠时序控制八个工作状态。
第一个探测阶段将contact1和contact5结合充当偏置极，contact3和contact7结合接到GND。剩余四个contact被认定为感测孔部分，contact6和contact8组合产生一组霍尔电压，contact2和contact4组合产生另外一组霍尔电压，二者霍尔电压的大小相同。
第二个探测阶段将contact2和contact6结合充当偏置极，contact4和contact8接到GND。其余四个contact被认定为感测部分，contact1和contact7二者组合产生一个霍尔电压，contact3和contact5二者组合产生另一个霍尔电压，二者霍尔电压的大小是相同。
第三个探测阶段将contact3和contact7结合充当偏置极，contact1和contact5接到GND。其余四个contact被认定为感测部分，contact2和contact8二者组合产生一个霍尔电压，contact4和contact6二者组合产生一个霍尔电压，二者霍尔电压的大小是相同。
第四个探测阶段将contact4和contact8结合充当偏置极，contact2和contact6接到GND。其余四个contact被认定为感测部分，contact5和contact7二者组合产生一个霍尔电压，contact3和contact1二者组合产生一个霍尔电压，二者霍尔电压的大小相同。
第五个探测阶段将contact5和contact1结合充当偏置极，contact7和contact3接到GND。其余四个contact被认定为感测部分，contact8和contact6二者组合产生一个霍尔电压，contact4和contact2二者组合产生一个霍尔电压，二者霍尔电压的大小相同。
第六个探测阶段将contact6和contact2结合充当偏置极，contact4和contact8接到GND。其余四个contact被认定为感测部分，contact7和contact1二者组合产生一个霍尔电压，contact3和contact5二者组合产生一个霍尔电压，二者霍尔电压的大小相同。
第七个探测阶段将contact7和contact3结合充当偏置极，contact5和contact1接到GND。其余四个contact被认定为感测部分，contact8和contact2二者组合产生一个霍尔电压，contact4和contact6二者组合产生一个霍尔电压，二者霍尔电压大小相同。
第八个探测阶段将contact8和contact4结合充当偏置极，contact2和contact6接到GND。其余四个contact被认定为感测部分，contact5和contact7二者组合产生一个霍尔电压，contact3和contact1二者组合产生一个霍尔电压，二者霍尔电压大小相同，以上叙述完成八个主要扫描步骤。
在八个步骤的基础上，继续完成三十二个工作状态的转换，即每个步骤四个状态。以图2、图3为例（图2中所示的N接触电极作为图3中各部分contact的使用电极，各部分P接触电极作为保护电极统一接地），在第一个探测阶段，从contact1和contact5输入电流Ib，从contact3和contact7流出电流，受霍尔效应影响，载流子逐渐从contact4和contact6向contact2和contact8移动，产生一组霍尔电压VH1和VH2，以此为基础顺时针或逆时针对八孔垂直霍尔器件进行时序控制，完成360°磁场探测传感。
此外，以图4所示，在外部施加一个clk时钟信号，控制顺时针的一个八孔垂直器件，通过nclk信号控制逆时针的一个八孔垂直器件，从而让这一对八边形环状几何对称的垂直霍尔传感器结构在双通道中同步独立处理信号，可以获得一对方向相反，幅度相同的阶梯式正弦波，二者彼此成为参考信号，相互作用，无需外加参考信号，能够减小霍尔电压的非线性行以及参与失调。并且增大灵敏度。
以上是本实用新型的较佳实施例，凡依本实用新型技术方案所作的改变，所产生的功能作用未超出本实用新型技术方案的范围时，均属于本实用新型的保护范围。
Claims (2)
1.一种片上集成的环形霍尔角度传感器，其特征在于，其结构为由横截面为梯形的八个立体相接构成的正八边形环状柱体，每一横截面为梯形的立体均包括N阱层、位于N阱层两旁侧且与N阱层相接的两个P衬底层、设于N阱层上部的N+注入层、设于N阱层上部且位于N+注入层两旁的两个P+注入层、设于N阱层上表面且与N+注入层电性连接的N接触电极、设于N阱层上表面且与P+注入层电性连接的P接触电极、设于P衬底层上部的P阱层。
2.根据权利要求1所述的一种片上集成的环形霍尔角度传感器，其特征在于，所述N阱层为长方体结构，所述P衬底层为横截面为直角梯形的立体。
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