CN214174595U - 高精度大量程的三轴磁线性传感器 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种高精度大量程的三轴磁线性传感器，其包括：3轴各向异性磁电阻传感器，其感测三个方向的外磁场产生第一组信号，第一组信号包括分别表示三个方向的磁场分量的三个感测信号；3轴霍尔传感器，其感测三个方向的磁场产生第二组信号，第二组信号包括分别表示三个方向的磁场分量的三个感测信号；信号处理电路，其与3轴霍尔传感器和3轴各向异性磁电阻传感器电性连接，信号处理电路基于每个方向上的量程阈值，选择第一组信号中表示该方向的磁场分量的感测信号或第二组信号中表示该方向的磁场分量的感测信号作为表示该方向的磁场分量的终测信号。与现有技术相比，本实用新型不仅能同时实现高精度且大量程的测量，而且还可以降低体积和成本。

Description

高精度大量程的三轴磁线性传感器

【技术领域】

本实用新型涉及磁场传感器领域，尤其涉及一种高精度大量程的三轴磁线性传感器。

【背景技术】

目前，用于三轴磁传感器芯片的原理技术较多，如霍尔(Hall)效应、磁电阻效应、磁通门、巨磁阻抗(GMI)等。其中磁电阻主要分三类：各向异性磁电阻(AMR)、巨磁电阻(GMR)及隧穿磁电阻(TMR)。基于这些技术的传感器芯片各有所长，如霍尔传感器量程大，但灵敏度小，当待测磁场较小时，信号低，导致低场下的精度很低；磁电阻、磁通门及巨磁阻抗传感器灵敏度大，精度高，但量程也同时变得较小。若待测磁场要求高精度测量同时量程的范围较大，则上述常用的单颗传感器芯片不能同时满足，需要至少两颗独立的芯片组合分别进行，导致成本高，体积大等问题。缺乏一种能同时满足高精度且具有大量程的三轴磁传感器芯片。

因此，有必要提出一种技术方案和器件来解决上述问题。

【实用新型内容】

本实用新型的目的之一在于提供一种高精度大量程的三轴磁线性传感器，其不仅能同时实现高精度且大量程的测量，而且还可以降低体积和成本。

根据本实用新型的一个方面，本实用新型提供一种三轴磁线性传感器，其包括：3轴各向异性磁电阻传感器，其感测相互正交的三个方向的外磁场产生第一组信号，所述第一组信号包括分别表示三个方向的磁场分量的三个感测信号；3轴霍尔传感器，其感测所述相互正交的三个方向的磁场产生第二组信号，所述第二组信号包括分别表示三个方向的磁场分量的三个感测信号；信号处理电路，其与所述3轴霍尔传感器和3轴各向异性磁电阻传感器电性连接，所述信号处理电路基于所述三个方向中每个方向上的量程阈值，选择第一组信号中表示该方向的磁场分量的感测信号或第二组信号中表示该方向的磁场分量的感测信号作为表示该方向的磁场分量的终测信号。

与现有技术相比，本实用新型将AMR传感器和Hall传感器相结合，其既能发挥AMR传感器的高精度，又能囊括Hall传感器的大量程，从而不仅能同时实现高精度且大量程的测量，而且还可以降低体积和成本。

【附图说明】

为了更清楚地说明本实用新型实施例的技术方案，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实用新型的一些实施例，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为本实用新型在一个实施例中的高精度大量程的三轴磁线性传感器的纵向剖面示意图；

图2为本实用新型在一个实施例中如图1所示的三轴磁线性传感器的输出流程示意图。

【具体实施方式】

为使本实用新型的上述目的、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实用新型作进一步详细的说明。

此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本实用新型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，其为本实用新型在一个实施例中的高精度大量程的三轴磁线性传感器的纵向剖面示意图。图1所示的高精度大量程的三轴磁线性传感器包括基于同一硅衬底(或半导体衬底)101形成的3轴霍尔(Hall)传感器、3轴AMR(各向异性磁电阻)传感器和信号处理电路。为了便于描述，在图1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。

所述3轴AMR传感器基于感测到的相互正交的三个方向的外磁场(或磁场)产生磁矢量(即磁感应强度)的第一组信号，所述第一组信号包括分别表示相互正交的三个方向的磁场分量的三个感测信号。例如，所述3轴AMR传感器基于感测到的x轴、y轴和z轴的磁场分量产生第一组信号，该第一组信号包括表示x轴的磁场分量的感测信号H_1x，表示y轴的磁场分量的感测信号H_1y，以及表示z轴的磁场分量的感测信号H_1z。所述3轴AMR传感器用于测量低量程磁场。

所述3轴霍尔传感器基于感测到的相互正交的三个方向的外磁场(即三轴磁场)产生磁矢量(即磁感应强度)的第二组信号，所述第二组信号包括分别表示相互正交的三个方向的磁场分量的三个感测信号。例如，所述3轴霍尔传感器基于感测到的x轴、y轴和z轴的磁场分量产生第二组信号，该第二组信号包括表示x轴的磁场分量的感测信号H_2x，表示y轴的磁场分量的感测信号H_2y，以及表示z轴的磁场分量的感测信号H_2z。所述3轴霍尔传感器用于测量中高量程磁场。

所述信号处理电路与所述3轴霍尔传感器和3轴AMR传感器电性连接，所述信号处理电路基于所述三个方向(例如，x轴、y轴和z轴)中的每个方向上设定的量程阈值，选择第一组信号中表示该方向的磁场分量的感测信号或第二组信号中表示该方向的磁场分量的感测信号作为表示该方向的磁场分量的终测信号。

所述3轴霍尔传感器和信号处理电路设置于第一结构层102，所述3轴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3轴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3轴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3轴AMR传感器通过过孔金属(未图示)电性连接。所述结构层102、104为实现某一功能的多个半导体制程层次组成，为一个完整的功能结构层，非单一的一层。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；所述第一结构层中102中的3轴霍尔传感器与信号处理电路采用标准的CMOS工艺制作于单晶硅衬底101上。

在图1所示的实施例中，所述高精度大量程的三轴磁线性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3轴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进行平坦化降低粗糙度。第三结构层105包括3轴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，信号处理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所示的三轴磁线性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。

设置于第一结构层102中的3轴霍尔传感器可由两组构型正交的垂直霍尔传感器及一组水平霍尔传感器组成，所述垂直霍尔传感器包括至少两组或其他偶数组垂直霍尔器件；所述水平霍尔传感器包括至少一组水平霍尔器件。其中，两组构型正交的垂直霍尔传感器用于测量平行于图1所示的单芯片平面(或单芯片表面)的磁场分量H_x和H_y，并输出至信号处理电路。水平霍尔传感器用于测量垂直于图1所示的单芯片平面(或单芯片表面)的磁场分量H_z，并输出至信号处理电路。

设置于第二结构层104中的3轴AMR传感器采用三组惠斯通电桥结构，来感测相互正交的三个方向的磁场分量H_x、H_y和H_z。在一个实施例中，所述3轴AMR传感器可由两组构型正交的惠斯通电桥及一组感应磁场方向经磁通转化的惠斯通电桥(其可称为第三组惠斯通电桥)组成，其中，两组构型正交的惠斯通电桥用于测量平行于图1所示的单芯片平面(或单芯片表面)的磁场分量H_x和H_y；一组感应磁场方向经磁通转化的惠斯通电桥用于测量垂直于图1所示的单芯片平面(或单芯片表面)的磁场分量H_z，其通过特定结构将磁场分量Hz经磁通转化为Hx或Hy进行测量。在另一个实施例中，所述3轴AMR传感器也可采用将其中两个方向的磁场分量耦合测量并通过电路计算得出具体值，剩下方向的磁场单独测量。

请参考图2所示，其为本实用新型在一个实施例中如图1所示的三轴磁线性传感器的输出流程示意图，其包括如下步骤。

步骤210、磁场输入H_x，H_y，H_z。即施加待测磁场(或外磁场)H，其在x轴、y轴和z轴上的磁场分量分别为H_x、H_y和H_z。

步骤220、所述3轴AMR传感器基于感测到的磁场分量H_x、H_y和H_z产生第一组信号H_1x、H_1y和H_1z。

步骤230、所述3轴霍尔传感器基于感测到的磁场分量H_x、H_y和H_z产生第二组信号H_2x、H_2y和H_2z。

步骤240、将第一组信号H_1x、H_1y、H_1z和第二组信号H_2x、H_2y和H_2z同时输出并存储至信号处理电路，且由所述信号处理电路将第二组信号H_2x、H_2y、H_2z与预先设定的量程阈值H_x0，H_y0和H_z0进行比较。其中，x方向的量程阈值H_x0、y方向的量程阈值H_y0和z方向的量程阈值H_z0可设置为相等，也可以设置为不相等，且该量程阈值H_x0，H_y0和H_z0可通过烧录程序进行调节。查看第二组信号H_2x、H_2y、H_2z与量程阈值H_x0，H_y0和H_z0的比较结果。对于x方向的磁场，若H_2x≤H_x0，则最终输出H_x＝H_1x，即选择第一组信号中表示x方向的磁场分量的感测信号H_1x作为表示x方向磁场分量的终测信号；若H_2x>H_x0，则H_x＝H_2x，即选择第二组信号中表示x方向的磁场分量的感测信号H_2x作为表示x方向磁场分量的终测信号。对于y方向的磁场，若H_2y≤H_y0，则最终输出H_y＝H_1y，即选择第一组信号中表示y方向的磁场分量的感测信号H_1y作为表示y方向磁场分量的终测信号；若H_2y>H_y0，则H_y＝H_2y，即选择第二组信号中表示y方向的磁场分量的感测信号H_2y作为表示y方向磁场分量的终测信号。对于z方向的磁场，若H_2z≤H_z0，则最终输出H_z＝H_1z，即选择第一组信号中表示z方向的磁场分量的感测信号H_1z作为表示z方向磁场分量的终测信号；若H_2z>H_z0，则H_z＝H_2z，即选择第二组信号中表示z方向的磁场分量的感测信号H_2z作为表示z方向磁场分量的终测信号。

在一个实施例中，量程阈值H_x0，H_y0和H_z0可以根据3轴AMR传感器和3轴霍尔传感器的量程和精度进行设置，由于3轴霍尔传感器在小磁场下误差较大，所以量程阈值H_x0，H_y0和H_z0的选定要使得3轴霍尔传感器的精度在所要求的范围内且不能超过3轴AMR传感器的最大量程。

综上所述，本实用新型中的高精度大量程的三轴磁线性传感器，将3轴AMR传感器和3轴Hall传感器相结合，其既能发挥AMR传感器的高精度，又能囊括Hall传感器的大量程。且本实用新型将两者进行单芯片的集成同时实现了三轴磁线性传感芯片的高精度和大量程，既能提高测量的精度，还可以降低体积及成本。

在本实用新型中，“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。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施方式，本实用新型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实用新型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 (12)

1.一种三轴磁线性传感器，其特征在于，其包括：

3轴各向异性磁电阻传感器，其感测相互正交的三个方向的外磁场产生第一组信号，所述第一组信号包括分别表示三个方向的磁场分量的三个感测信号；

3轴霍尔传感器，其感测所述相互正交的三个方向的磁场产生第二组信号，所述第二组信号包括分别表示三个方向的磁场分量的三个感测信号；

信号处理电路，其与所述3轴霍尔传感器和3轴各向异性磁电阻传感器电性连接，所述信号处理电路基于所述三个方向中每个方向上的量程阈值，选择第一组信号中表示该方向的磁场分量的感测信号或第二组信号中表示该方向的磁场分量的感测信号作为表示该方向的磁场分量的终测信号。

2.根据权利要求1所述的三轴磁线性传感器，其特征在于，

所述信号处理电路被配置为：

若第二组信号中表示所述三个方向中的一个方向的磁场分量的感测信号小于等于该方向上的量程阈值，则选择第一组信号中表示该方向的磁场分量的感测信号作为表示该方向的磁场分量的终测信号；

若第二组信号中表示所述三个方向中的一个方向的磁场分量的感测信号大于该方向上的量程阈值，则选择第二组信号中表示该方向的磁场分量的感测信号作为表示该方向的磁场分量的终测信号。

3.根据权利要求1所述的三轴磁线性传感器，其特征在于，

所述3轴各向异性磁电阻传感器、3轴霍尔传感器和信号处理电路集成于单芯片中。

4.根据权利要求1所述的三轴磁线性传感器，其特征在于，

所述3轴各向异性磁电阻传感器用于低量程磁场的测量；

所述3轴霍尔传感器用于中高量程磁场的测量。

5.根据权利要求1所述的三轴磁线性传感器，其特征在于，

所述信号处理电路对所述三个方向均设定对应的量程阈值；

所述三个方向对应的量程阈值均相等或均不相等；和/或

所述三个方向对应的量程阈值通过烧录程序进行调节。

6.根据权利要求3所述的三轴磁线性传感器，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3轴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3轴各向异性磁电阻传感器设置于所述第二结构层中；

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。

7.根据权利要求6所述的三轴磁线性传感器，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，第三结构层包括所述3轴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。

8.根据权利要求7所述的三轴磁线性传感器，其特征在于，

所述第一结构层中的3轴霍尔传感器与信号处理电路采用标准的CMOS工艺制作于单晶硅衬底上；

所述隔离层采用化学机械抛光降低其上表面粗糙度；

所述各向异性磁电阻传感器制作于平坦后的隔离层上。

9.根据权利要求3所述的三轴磁线性传感器，其特征在于，

所述3轴霍尔传感器包括两组构型正交的垂直霍尔传感器及一组水平霍尔传感器，

所述两组构型正交的垂直霍尔传感器用于测量平行于所述单芯片表面的磁场分量；

所述水平霍尔传感器用于测量垂直于所述单芯片表面的磁场分量。

10.根据权利要求3所述的三轴磁线性传感器，其特征在于，

所述3轴各向异性磁电阻传感器包括两组构型正交的惠斯通电桥及一组感应磁场方向经磁通转化的惠斯通电桥，

所述两组构型正交的惠斯通电桥用于测量平行于所述单芯片表面的磁场分量；

所述一组感应磁场方向经磁通转化的惠斯通电桥用于测量垂直于所述单芯片表面的磁场分量，其通过特定结构将垂直于所述单芯片表面的磁场分量转化为平行于所述单芯片表面的磁场分量。

11.根据权利要求1所述的三轴磁线性传感器，其特征在于，

所述三个方向对应的量程阈值根据所述3轴各向异性磁电阻传感器和3轴霍尔传感器的量程和精度进行设置；或

所述三个方向对应的量程阈值的选定要使得3轴霍尔传感器的精度在所要求的范围内且不能超过所述3轴各向异性磁电阻传感器的最大量程。

12.根据权利要求1所述的三轴磁线性传感器，其特征在于，

所述3轴各向异性磁电阻传感器用于将其中两个方向的磁场分量耦合测量，将剩下方向的磁场分量单独测量。

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