CN210136297U - 一种用于电机的垂直阵列型霍尔角度传感器系统 - Google Patents
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Abstract
本实用新型提出一种用于电机的垂直阵列型霍尔角度传感器系统，可用于无刷直流电机，所述霍尔角度传感器系统包括多根用于电机内部磁场检测的条形垂直霍尔器件；所述多根霍尔器件首尾相邻形成一个几何完全对称的多边形的磁场探测结构；所述霍尔器件的磁场探测部为半导体元件；所述半导体元件的磁场探测面处设有垂直霍尔结构；所述垂直霍尔结构为交替设于半导体衬底上的P型区和N型区；当电机工作时，电机磁场以非交叠分时时序扫描磁场探测结构的各个磁场探测面，使所述磁场探测结构输出电机磁场状态监测信号；本实用新型能降低芯片功耗，提升测量精度且测控范围更广泛。
Description
技术领域
本实用新型涉及电机技术领域，尤其是一种用于电机的垂直阵列型霍尔角度传感器系统。
背景技术
目前，在霍尔电机测控领域，无刷直流电机霍尔传感器系统包括霍尔探测头和读出电路两部分，其中霍尔探测头决定了霍尔传感器性能的好坏。无刷电机探测结构主要是由多个单极性分立的水平霍尔传感器构成，用于侦测电机内部的磁场方向。市面上常见的霍尔电机大多是以三相或六相结构设计。以三相无刷直流电机为例，电机包含有三个分立的霍尔传感器相联接，传感器的跟踪转子与电动机转轴相联接。当通电的定子绕组与磁钢的磁极相互作用驱动转子旋转，再由角度传感器将转子磁钢的位置转换成电信号，定子相电流随转子位置的变化而按一定的次序换相，从而控制电机的正常工作。从霍尔探测头方面来说，单个水平霍尔器件用于侦测垂直于芯片表面的磁场，当在对称的两端施加偏置电压，将有电流穿过器件，存在磁场时，载流子受到洛仑磁力的影响产生偏移，在其余两端获得霍尔电压。传统的霍尔电机传感器是使用多个分立式水平霍尔传感器，包括偏置电极和霍尔电极，电极垂直分布于芯片表面，芯片内部感应器件以三个或六个单极性传感器为主，这种分立式多数量传感器的集成结构增大了霍尔传感器芯片的面积和功耗，并且角度测控精确度低。测量范围小。
发明内容
本实用新型提出一种用于电机的垂直阵列型霍尔角度传感器系统，采用单颗传感器集成于芯片内部，能降低芯片功耗，提升测量精度且测控范围更广泛。
本实用新型采用以下技术方案。
一种用于电机的垂直阵列型霍尔角度传感器系统，可用于无刷直流电机，所述霍尔角度传感器系统包括多根用于电机内部磁场检测的条形垂直霍尔器件；所述多根霍尔器件首尾相邻形成一个几何完全对称的多边形的磁场探测结构；所述霍尔器件的磁场探测部为半导体元件；所述半导体元件的磁场探测面处设有垂直霍尔结构；所述垂直霍尔结构为交替设于半导体衬底上的P型区和N型区；当电机工作时，电机磁场以非交叠分时时序扫描磁场探测结构的各个磁场探测面，使所述磁场探测结构输出电机磁场状态监测信号。
所述霍尔器件设有与磁场探测部相连的监测芯片；当电机磁场以非交叠分时时序扫描扫描磁场探测部的磁场探测面时，监测芯片输出电机磁场状态监测信号。
所述霍尔器件设有多个接触孔；各接触孔处均设有重掺杂N+区间；各个接触孔之间设置有高掺杂的P+区间；所述接触孔内设有垂直霍尔结构；所述垂直霍尔结构包括P型衬底和设于P型衬底上的N阱；与所述N阱两侧相邻的P型衬底上设有P阱；N阱上交替设置P型区和N型区。
所述P型区为P+电极；所述N型区为N+电极；所述每个垂直霍尔结构的N阱上设置的P型区和N型区的总数为九个；其排列顺序为N+电极、P+电极、N+电极、P+电极、N+电极、P+电极、N+电极、P+电极、N+电极。
所述条形垂直霍尔器件数量为八个；所述垂直霍尔结构为以深N阱CMOS高压工艺制备的垂直霍尔结构。
以上所述的一种用于电机的垂直阵列型霍尔角度传感器系统，其监测方法包括；
A1、当电机磁场以非交叠分时时序扫描八个条形垂直霍尔器件时，在扫描过程中始终只有一个条形垂直霍尔器件输出的电机磁场状态监测信号为高电平，其余条形垂直霍尔器件输出的电机磁场状态监测信号为低电平；从而在扫描过程产生八种动态逻辑序列来表示具体的电机磁场角度；
A2、当电机磁场的磁场分量在两个条形垂直霍尔器件的重合区域时，两个条形垂直霍尔器件的磁场分量叠加，触发该角度处的电机磁场状态监测信号为高电平，从而在扫描过程产生另外八种动态逻辑序列来表示具体的电机磁场角度；结合A1所述方法，即可在一次完整磁场扫描中实现对十六个磁场方向的电机磁场进行测控。
在一次完整磁场扫描中，在0°和45°区域，可在22.5°的方向上，输出动态逻辑11000000；
当扫描到45°和90°之间时，理论状态下，在67.5°的方向上，输出动态逻辑01100000；
当扫描到90°和135°之间时，理论状态下，在112.5°的方向上，输出动态逻辑00110000；
当扫描到135°和180之间时，理论状态下，在157.5°的方向上，输出动态逻辑00011000；
当扫描到180°和225°之间时，理论状态下，在202.5°的方向上，输出动态逻辑00001100；
当扫描到225°和270°之间时，理论状态下，在247.5°的方向上，输出动态逻辑00000110；
当扫描到270°和315°之间时，理论状态下，在292.5°的方向上，输出动态逻辑00000011；
当扫描到315°和360°之间时，理论状态下，在337.5°的方向上，输出动态逻辑10000001。
所述磁场扫描得到的动态逻辑输出均定义成具体的角度值，每一个输出的动态逻辑通过寄存器储存，再通过8-3译码器或者ADC转换器进行读取并转换成相应的输出信号。
所述输出信号以码流的形式输入到MCU中进行后续处理以完成电机磁场角度探测。
本实用新型所述产品的结构为多边条形环状的几何完全对称的垂直霍尔传感器结构，采用非交叠分时时序扫描整个多边条形环状几何完全对称的垂直霍尔结构，得到输出信号，整个设计采用单颗传感器集成于芯片内部，减少集成传感器的使用数量，减小芯片的面积，在一定程度上降低芯片的功耗。相比于传统的霍尔电机而言，实现方式更精确，测控范围更加广泛。
本实用新型涉及一种应用于无刷直流电机的垂直阵列型霍尔角度传感器系统以及方法，该垂直霍尔器件为多边形条状几何完全对称的垂直霍尔器件，采用多个五孔的垂直霍尔分立器件堆叠，形成阵列，并将其集成在单颗传感器芯片内部中。在非交叠时序电路的控制下，可分时对平面内十六个方向的磁感应强度进行侦测测控，相比于传统的三个或六个单极性分立式多传感器的霍尔电机，本实用新型减少了集成传感器的使用数量，减小了芯片的面积，降低了芯片的功耗，实现的方式更简化。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本实用新型进一步详细的说明：
附图1是所述垂直霍尔结构的示意图；
附图2是所述多边形的磁场探测结构的示意图；
图中：1-条形垂直霍尔器件；2-接触孔；3-N阱；4-P型衬底；5-P型区；6-N型区；7-电机外壳；8-转子；9-P阱。
具体实施方式
如图1-2所示，一种用于电机的垂直阵列型霍尔角度传感器系统，可用于无刷直流电机，所述霍尔角度传感器系统包括多根用于电机内部磁场检测的条形垂直霍尔器件1；所述多根霍尔器件首尾相邻形成一个几何完全对称的多边形的磁场探测结构；所述霍尔器件的磁场探测部为半导体元件；所述半导体元件的磁场探测面处设有垂直霍尔结构；所述垂直霍尔结构为交替设于半导体衬底上的P型区和N型区；当电机工作时，电机磁场以非交叠分时时序扫描磁场探测结构的各个磁场探测面，使所述磁场探测结构输出电机磁场状态监测信号。
所述霍尔器件设有与磁场探测部相连的监测芯片；当电机磁场以非交叠分时时序扫描扫描磁场探测部的磁场探测面时，监测芯片输出电机磁场状态监测信号。
所述霍尔器件设有多个接触孔2；各接触孔处均设有重掺杂N+区间；各个接触孔之间设置有高掺杂的P+区间；所述接触孔内设有垂直霍尔结构；所述垂直霍尔结构包括P型衬底4和设于P型衬底上的N阱3；与所述N阱两侧相邻的P型衬底上设有P阱9；N阱上交替设置P型区5和N型区6。
所述P型区为P+电极；所述N型区为N+电极；所述每个垂直霍尔结构的N阱上设置的P型区和N型区的总数为九个；其排列顺序为N+电极、P+电极、N+电极、P+电极、N+电极、P+电极、N+电极、P+电极、N+电极。
所述条形垂直霍尔器件数量为八个；所述垂直霍尔结构为以深N阱CMOS高压工艺制备的垂直霍尔结构。
以上所述的一种用于电机的垂直阵列型霍尔角度传感器系统，其监测方法包括；
A1、当电机磁场以非交叠分时时序扫描八个条形垂直霍尔器件时，在扫描过程中始终只有一个条形垂直霍尔器件输出的电机磁场状态监测信号为高电平，其余条形垂直霍尔器件输出的电机磁场状态监测信号为低电平；从而在扫描过程产生八种动态逻辑序列来表示具体的电机磁场角度；
A2、当电机磁场的磁场分量在两个条形垂直霍尔器件的重合区域时，两个条形垂直霍尔器件的磁场分量叠加，触发该角度处的电机磁场状态监测信号为高电平，从而在扫描过程产生另外八种动态逻辑序列来表示具体的电机磁场角度；结合A1所述方法，即可在一次完整磁场扫描中实现对十六个磁场方向的电机磁场进行测控。
在一次完整磁场扫描中，在0°和45°区域，可在22.5°的方向上，输出动态逻辑11000000；
当扫描到45°和90°之间时，理论状态下，在67.5°的方向上，输出动态逻辑01100000；
当扫描到90°和135°之间时，理论状态下，在112.5°的方向上，输出动态逻辑00110000；
当扫描到135°和180之间时，理论状态下，在157.5°的方向上，输出动态逻辑00011000；
当扫描到180°和225°之间时，理论状态下，在202.5°的方向上，输出动态逻辑00001100；
当扫描到225°和270°之间时，理论状态下，在247.5°的方向上，输出动态逻辑00000110；
当扫描到270°和315°之间时，理论状态下，在292.5°的方向上，输出动态逻辑00000011；
当扫描到315°和360°之间时，理论状态下，在337.5°的方向上，输出动态逻辑10000001。
所述磁场扫描得到的动态逻辑输出均定义成具体的角度值，每一个输出的动态逻辑通过寄存器储存，再通过8-3译码器或者ADC转换器进行读取并转换成相应的输出信号。
所述输出信号以码流的形式输入到MCU中进行后续处理以完成电机磁场角度探测。
本例中，需保证选用合适的工艺进行半导体器件工艺制备，选用的是高压CMOS工艺，一般的标准工艺无法做到较深的N阱，这将极大的降低器件灵敏度；需要严格控制N+区和P+区的位置和宽度，避免扩散效应带来的器件性能下降等诸多问题；需要严格控制各个霍尔器件之间的摆放位置的对称性，避免各个霍尔器件摆放位置的不对称导致从而影响输出信号的读出偏差。
本例中，使用8-3译码器或者ADC对输出信号进行转换，这样操作可以省去繁琐的软件算法或者数学计算的过程，在MCU中的操作中可以更容易实现角度测控功能。
Claims (5)
1.一种用于电机的垂直阵列型霍尔角度传感器系统，可用于无刷直流电机，其特征在于：所述霍尔角度传感器系统包括多根用于电机内部磁场检测的条形垂直霍尔器件；所述多根霍尔器件首尾相邻形成一个几何完全对称的多边形的磁场探测结构；所述霍尔器件的磁场探测部为半导体元件；所述半导体元件的磁场探测面处设有垂直霍尔结构；所述垂直霍尔结构为交替设于半导体衬底上的P型区和N型区；当电机工作时，电机磁场以非交叠分时时序扫描磁场探测结构的各个磁场探测面，使所述磁场探测结构输出电机磁场状态监测信号。
2.根据权利要求1所述的一种用于电机的垂直阵列型霍尔角度传感器系统，其特征在于：所述霍尔器件设有与磁场探测部相连的监测芯片；当电机磁场以非交叠分时时序扫描扫描磁场探测部的磁场探测面时，监测芯片输出电机磁场状态监测信号。
3.根据权利要求2所述的一种用于电机的垂直阵列型霍尔角度传感器系统，其特征在于：所述霍尔器件设有多个接触孔；各接触孔处均设有重掺杂N+区间；各个接触孔之间设置有高掺杂的P+区间；所述接触孔内设有垂直霍尔结构；所述垂直霍尔结构包括P型衬底和设于P型衬底上的N阱；与所述N阱两侧相邻的P型衬底上设有P阱；N阱上交替设置P型区和N型区。
4.根据权利要求3所述的一种用于电机的垂直阵列型霍尔角度传感器系统，其特征在于：所述P型区为P+电极；所述N型区为N+电极；所述每个垂直霍尔结构的N阱上设置的P型区和N型区的总数为九个；其排列顺序为N+电极、P+电极、N+电极、P+电极、N+电极、P+电极、N+电极、P+电极、N+电极。
5.根据权利要求3所述的一种用于电机的垂直阵列型霍尔角度传感器系统，其特征在于：所述条形垂直霍尔器件数量为八个；所述垂直霍尔结构为以深N阱CMOS高压工艺制备的垂直霍尔结构。
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| CN110095739B (zh) * | 2019-06-19 | 2024-01-16 | 福州大学 | 一种用于电机的垂直阵列型霍尔角度传感器系统以及方法 |
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