TW201319578A - 結合圓形垂直式霍爾磁場感測元件與平面霍爾元件之磁場感測元件 - Google Patents

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Abstract

一種磁場感測器，包含圓形垂直式霍爾(CVH)感測元件以及至少一平面霍爾元件。CVH感測元件具有配置在基底中的共同佈植區上。在某些實施例中，至少一平面霍爾元件形成為也具有配置在共同佈植區上的接點之圓形平面霍爾(CPH)感測元件。分別說明CPH感測元件及CPH感測元件的製造方法。

Description

結合圓形垂直式霍爾磁場感測元件與平面霍爾元件之磁場感測元件
本發明大致上關於感測磁場方向的磁場感測元件，更特別地，關於結合圓形垂直式霍爾(CVH)磁場感測元件與平面霍爾元件的磁場感測。
已知各種型式的磁場感測元件，包含霍爾效應元件及磁阻元件。磁場感測器一般包含磁場感測元件及其它電子元件。
某些磁場感測元件及相關的磁場感測器提供代表被感測的磁場之方向的電訊號。以能被解析而辨識磁場的指向之方式，磁場訊號根據方向而變。
大部份型式的此方向標示磁場感測元件及相關的磁場感測器產生表示僅在二維上(亦即，平面)磁場元件的方向之訊號。但是，磁場會具有未平行於磁場感測器的靈敏度平面的指向，亦即，三維地。
能夠感測三維磁場的磁場感測器在某些應用中是有用的，舉例而言，在三維控制桿的應用中，其中，控制桿二維地移動，也可以三維地下壓。某些三維應用使用可以操作以提供平面磁場指向的二維標示之磁場感測器以及也可以操作以提供垂直於平面的方向上磁場的量值的標示之分開的一維磁場感測器。
因此，為了解析磁場的某些三維特徵，某些配置使用 二維磁場感測器以及也使用一維磁場感測器。在某些應用中，來自二磁場感測器的輸出訊號被進一步處理以提供代表沿著磁場的三維指向之磁場的量值之訊號。因此，藉由結合二磁場感測器產生的資訊，決定磁場的三維特徵。
提供上述二維磁場感測器以及上述一維磁場感測器是麻煩的。二個此磁場感測器的結合是昂貴的。此外，要求額外的處理以解析被感測的磁場之三維特徵。又或者，對齊二種型式的磁場感測器以提供正交軸對於提供結果的解析三維特徵的準確度是重要的，此對齊是困難及不準確的。
因此，希望提供單一整合的磁場感測元件及關連磁場感測器，產生代表三維磁場的特徵之訊號。在某些實施例中，在例如矽基底等單一基底上形成整合的磁場感測器元件，這更容易提供對齊的軸。
本發明提供單一整合的磁場感測元件及關連磁場感測器，產生代表三維磁場的特徵之訊號。在某些實施例中，在例如矽基底等單一基底上形成整合的磁場感測器元件，這更容易提供對齊的軸。
根據本發明的一態樣，磁場感測器包含具有第一及第二平行主表面的半導體基底。磁場感測器包含配置成圓形垂直式霍爾(CVH)結構的眾多垂直式霍爾元件。眾多垂直式霍爾元件中的每一元件配置在半導體基底的第一主表 面中的共同圓形佈植區上。多個垂直式霍爾元件配置成產生各別的眾多x-y輸出訊號，以反應具有平行於半導體基底的第一主表面之x-y平面之方向分量的磁場，x-y平面是具有x方向及正交於x方向的y方向。磁場感測器也包含配置在半導體基底上的平面霍爾元件。平面霍爾元件配置成產生z輸出訊號，以反應具有正交於x-y平面的z方向上之方向分量的磁場。磁場感測器也包含配置在半導體基底上的處理電路，處理電路耦合成接收代表眾多x-y輸出訊號的訊號、耦合成接收代表z輸出訊號之訊號、配置成產生代表x-y平面中的方向分量的角度之x-y角度訊號中之一或更多、或是代表x-y平面中的方向分量的量值的x-y量值訊號、以及配置成代表z方向上的方向分量的量值之z量值訊號。
在某些實施例中，磁場感測器包含下述態樣中之一或更多。
在磁場感測器的某些實施例中，x-y角度訊號、x-y量值訊號、及z量值訊號相結合以產生代表磁場的三維指向的三維訊號及/或沿著三維指向的磁場的量值。
在磁場感測器的某些實施例中，平面霍爾元件是配置在半導體基底上的眾多平面霍爾元件中之一，其中，眾多平面霍爾元件配置成產生眾多z輸出訊號，以反應具有z方向的方向分量之磁場，其中，處理電路耦合成接收代表眾多z輸出訊號的訊號。
在磁場感測器的某些實施例中，眾多平面霍爾元件以 圓形平面霍爾(CPH)結構配置，其中，眾多平面霍爾元件中的每一元件配置在共同圓形佈植區上。
在磁場感測器的某些實施例中，共同圓形佈植區包括n型摻雜材料，其中，基底包括p型材料。
在磁場感測器的某些實施例中，半導體裝置包括矽基底。
在磁場感測器的某些實施例中，眾多平面霍爾元件中的每一元件包括各別組的複數個平面霍爾元件接點，其中，處理電路可以操作以使用眾多組的平面霍爾元件接點來處理眾多平面霍爾元件，而產生代表眾多z輸出訊號的訊號。
在磁場感測器的某些實施例中，處理電路又可以操作以處理多工配置的每一組平面霍爾元件接點，其中，眾多平面霍爾元件中的每一元件的平面霍爾元件接點中不同的接點提供不同時間眾多z輸出訊號中不同的z輸出訊號。
在磁場感測器的某些實施例中，眾多垂直式霍爾元件中的每一元件包括各別組的複數個垂直式霍爾元件接點，其中，處理電路可以操作以使用眾多組的垂直式霍爾元件接點來處理眾多垂直式霍爾元件，而產生代表眾多x-y輸出訊號的訊號。
在磁場感測器的某些實施例中，處理電路可以操作以處理多工配置的每一組垂直式霍爾元件接點，其中，眾多垂直式霍爾元件中的每一元件的垂直式霍爾元件接點中不同的接點提供不同時間眾多x-y輸出訊號中不同的x-y輸 出訊號。
在磁場感測器的某些實施例中，處理電路包括z方向分量處理器，耦合成接收代表眾多z輸出訊號的訊號以及配置成產生反應z方向上磁場的方向分量之第一中間訊號。
在磁場感測器的某些實施例中，第一中間訊號包括直流(DC)訊號成分，直流訊號成分具有反應z方向上磁場的方向分量的量值之直流訊號值，其中，處理電路可以操作以產生標示z方向上磁場的方向分量的量值之z量值訊號，以反應直流訊號值。
在磁場感測器的某些實施例中，處理電路又包括x-y方向分量處理器，耦合成接收代表眾多x-y輸出訊號的訊號以及配置成產生反應x-y平面中磁場的方向分量之第二中間訊號。
在磁場感測器的某些實施例中，第二中間訊號包括交流(AC)訊號成分，交流訊號成分具有反應x-y平面中磁場的方向分量的角度之相位以及具有反應x-y平面中磁場的方向分量的量值之量值，其中，處理電路可以操作以產生標示x-y平面中磁場的方向分量的角度之x-y角度訊號，以反應交流訊號成分的相位。
在磁場感測器的某些實施例中，處理電路又可以操作以產生標示x-y平面中磁場的方向分量之量值之x-y量值信號，以反應交流訊號成分的量值。
在磁場感測器的某些實施例中，z方向分量處理器包 括低通濾波器，耦合成接收代表第一中間訊號的訊號。
在磁場感測器的某些實施例中，x-y方向分量處理器包括：帶通濾波器，耦合成接收代表第二中間訊號的訊號以及配置成產生經過濾波的訊號；以及，計數器電路，耦合成接收經過濾波的訊號、耦合成接收時脈訊號、以及配置成比較時脈訊號的相位與經過濾波的訊號的相位。
在磁場感測器的某些實施例中，x-y方向分量處理器又包括振幅偵測器，耦合成接收經過濾波的訊號及配置成偵測經過濾波的訊號的振幅以產生代表x-y平面中磁場的方向分量的量值之x-y量值訊號。
在磁場感測器的某些實施例中，振幅偵測器包括耦合至低通濾波器的整流器。
在某些實施例中，磁場感測器又包括結合處理器，耦合成接收z量值訊號、x-y角度訊號、及x-y量值訊號、以及配置成結合這些訊號來產生代表沿著三維的指向之磁場的量值之訊號。
在某些實施例中，磁場感測器又包括結合處理器，耦合成接收z量值訊號、x-y角度訊號、或是x-y量值訊號中至少之二以及配置成將至少二訊號格式化成為包括SENT格式、I2C格式、或脈衝寬度調變(PWM)格式之格式。
根據本發明的另一態樣，磁場感測元件包含具有與x-y平面平行的第一和第二平行主表面的半導體基底。磁場感測器也包含配置成圓形平面霍爾(CPH)結構之眾多平 面霍爾元件。眾多平面霍爾元件中的每一元件配置在半導體基底的第一主表面中的共同圓形佈植區上。眾多平面霍爾元件配置成產生反應具有在正交於x-y平面的z方向上之方向分量的磁場之眾多z輸出訊號。
在某些實施例中，磁場感測元件包含一或更多下述態樣。
在磁場感測元件的某些實施例中，共同圓形佈植區包括n型摻雜材料，其中，基底包括p型材料。
在磁場感測元件的某些實施例中，半導體裝置包括矽基底。
在某些實施例中，磁場感測元件又包括處理電路，配置在半導體基底上以及耦合成接收代表眾多z輸出訊號的訊號，其中，眾多平面霍爾元件中每一元件包括各別組的複數個平面霍爾元件接點，其中，處理電路可以操作以使用眾多組的平面霍爾元件接點來處理眾多平面霍爾元件，而產生代表眾多z輸出訊號的訊號。
在磁場感測元件的某些實施例中，處理電路又可以操作以處理多工配置的每一組平面霍爾元件接點，其中，眾多平面霍爾元件中的每一元件的平面霍爾元件接點中不同的接點提供不同時間眾多z輸出訊號中不同的z輸出訊號。
在磁場感測元件的某些實施例中，處理電路包括z方向分量處理器，耦合成接收代表眾多z輸出訊號的訊號以及配置成產生反應z方向上磁場的方向分量之中間訊號， 其中，中間訊號包括直流訊號成分，直流訊號成分具有反應z方向上磁場的方向分量的量值之直流訊號值，其中，處理電路可以操作以產生標示z方向上磁場的方向分量的量值之輸出訊號，以反應直流訊號值。
在某些實施例中，磁場感測元件又包括配置在共同圓形佈植區上的圓形垂直式霍爾(CVH)感測元件，其中，CVH感測元件包括眾多垂直式霍爾元件接點，其中，眾多平面霍爾元件包含有複數個垂直式霍爾元件接點插入之複數個個別的平面霍爾元件。
在某些實例中，磁場感測元件又包括設置於半導體基底之主要表面之相異共同圓形佈植區上的圓形垂直式霍爾(CVH)感測元件，其中，CVH感測元件包含複數個垂直式霍爾元件接點。
根據本發明的另一態樣，磁場感測元件配置的製造方法包含在具有都平行於x-y平面之第一和第二主平行表面之半導體基底的第一主表面中形成共同圓形佈植區。方法也包含在共同圓形佈植區上形成眾多平面霍爾元件，配置成圓形平面霍爾(CPH)結構。眾多平面霍爾元件配置成產生眾多z輸出訊號，以反應具有正交於x-y平面的z方向上之方向分量的磁場。
在某些實施例中，方法包含一或更多下述態樣。
在某些實施例中，方法又包括形成配置在共同圓形佈植區上的圓形垂直式霍爾(CVH)感測元件，其中，CVH感測元件包括眾多垂直式霍爾元件接點，以及，其中，眾 多平面霍爾元件包含複數個垂直式霍爾元件接點插入其間之複數個個別平面霍爾元件。
在某些實施例中，方法又包括在半導體基底的主表面中形成配置在不同的共同圓形佈植區上的圓形垂直式霍爾(CVH)感測元件，其中，CVH感測元件包括眾多垂直式霍爾元件接點。
在說明本發明之前，先解釋某些導引概念及術語。
關於此處所使用的「磁場感測元件」一詞係用以說明能感測磁場的各種電子元件。磁場感測元件可為但是不限於霍爾效應元件、磁阻元件、或磁電晶體。如同所知，有不同型式的霍爾效應元件，例如平面霍爾元件、垂直式霍爾元件、及圓形霍爾元件。也如同所知般，有不同型式的磁阻元件，例如巨磁阻(GMR)元件、各向異性磁阻元件(AMR)、穿隧磁阻(TMR)元件、銻化銦(InSb)感測器、及磁穿隧接面(MTJ)。
在2008年5月28日申請之PCT專利申請號PCT/EP2008056517、且以英語公告之PCT公告號WO 2008/145662之案名為「Magnetic Field Sensor for Measuring Direction of a Magnetic Field in a Plane」的專利文獻中，知道且說明所謂的「圓形垂直式霍爾」(CVH)感測元件，所述申請案及其公告於此一併列入參考。CVH感測元件是配置在基底中的共同圓形佈植區上的 垂直式霍爾元件(亦即，垂直式霍爾元件接點)的圓形配置。CVH感測元件用以感測方向(亦即，角度)，以及選加地感測基底平面中磁場分量之量值。
如同所知，某些上述磁場感測元件傾向於具有與支撐磁場感測元件的基底相平行的最大靈敏度之軸，而其它上述磁場感測元件傾向於具有垂直於支撐磁場感測元件的基底之最大靈敏度的軸。特別地，平面霍爾元件傾向於具有垂直於基底的靈敏度的軸，而磁阻元件及垂直式霍爾元件(包含圓形垂直式霍爾(CVH)感測元件)傾向於具有平行於基底的靈敏度的軸。
在各式各樣的應用中，使用磁場感測器，包含但不限於感測磁場的方向角度之角度感測器、感測電流載送導體所載送的電流產生的磁場之電流感測器、感測鐵電物體的近接之磁性開關、感測例如環狀磁鐵的磁域等通過的鐵磁物品之旋轉偵測器、以及感測磁場的磁場密度之磁場感測器。
參考圖1，磁場感測器10包含磁場感測元件配置11。磁場感測元件配置11包含配置在共同佈植區16上的圓形垂直式霍爾(CVH)感測元件12，共同佈植區16配置在基底22上。CVH感測元件12包含眾多垂直式霍爾元件，眾多垂直式霍爾元件中的垂直式霍爾元件14僅為舉例說明。類似於CVH感測元件12中的其它垂直式霍爾元件，垂直式霍爾元件14包含眾多垂直式霍爾元件接點，其中，垂直式霍爾元件接點14a、14b、14c、14d、14e僅 為舉例說明。雖然垂直式霍爾元件14顯示為具有五個垂直式霍爾元件接點14a、14b、14c、14d、14e，但是，在其它實施例中，CVH感測元件設有具有多於五個或少於五個的垂直式霍爾元件接點之垂直式霍爾元件，舉例而言，具有四個垂直式霍爾元件接點或是六個垂直式霍爾元件接點。
磁場感測元件配置11也包含配置在基底22上之平面霍爾元件18，舉例而言，位於CVH感測元件12的中心或接近中心。但是，在基底22上之平面霍爾元件18的其它配置也是可能的。平面霍爾元件18配置在分別的佈植區20上。
將於下述中更完整地說明之配合電子裝置24的CVH感測元件12能夠提供代表磁場的一或更多二維態樣之輸出訊號24a。舉例而言，一或更多態樣包含：a)在CVH感測元件12的平面中由CVH感測元件12遭受的磁場之分量方向的角度，以及b)在CVH感測元件12的平面中之磁場的量值。
相反地，配合電子裝置24的平面霍爾元件18提供代表垂直於平面霍爾元件18的平面之方向上磁場分量之量值的輸出訊號24a。
根據上述資訊，配合電子裝置24的磁場感測元件配置11提供充份的資訊以解析磁場的某些三維特徵，例如a)磁場感測元件配置10遭受到的磁場之三維指向，以及b)沿著三維指向的磁場之量值。在某些實施例中，三維 特徵的解析由耦合成接收訊號24a的另一處理器(未顯示)提供。但是，在某些實施例中，電子裝置24提供代表磁場的三維指向以及三維指向中磁場的量值之輸出訊號24a。
現在參考圖2，具有以垂直式霍爾元件28為一實例之眾多垂直式霍爾元件的CVH感測元件26與圖1的CVH感測元件12相同或類似。CVH感測元件26包含在基底中的共同佈植區27，在基底上，配置有眾多均具有多個垂直式霍爾元件接點之垂直式霍爾元件。例如垂直式霍爾元件28等各垂直式霍爾元件均包含眾多垂直式霍爾元件接點，例如五個接點28a、28b、28c、28d、28e。
現在參考圖2A，圓形平面霍爾(CPH)感測元件30包含眾多平面霍爾元件，其中，平面霍爾元件34僅為舉例說明。平面霍爾元件配置在基底中的共同佈植區32上。例如平面霍爾元件34等各平面霍爾元件均包含眾多平面霍爾元件接點，例如四個接點34a、34b、34c、34d。
現在參考圖2B，磁場感測器40包含磁場感測元件配置41。磁場感測元件配置41包含CVH感測元件48及CPH感測元件46，CVH感測元件48與圖2的CVH感測元件26相同或類似，CPH感測元件46與圖2A的CPH感測元件30相同或類似。包含眾多以垂直式霍爾元件44為一實例之垂直式霍爾元件的CVH感測元件48配置在基底50上的共同佈植區42上。而且，包含眾多以平面霍爾元件47為一實例之平面霍爾元件的CPH感測元件46也配 置在基底50上的共同佈植區42上。CPH感測元件46的每一平面霍爾元件配置在CVH感測元件的接點之間。
將瞭解，類似於圖1的磁場感測器10，磁場感測器40包含於下述中更完整地說明之電子裝置52，電子裝置52能夠提供代表磁場感測器40遭受的磁場的一或更多二維及/或三維特徵之輸出訊號52a。舉例而言，輸出訊號52a提供代表下述之一或更多之資訊：a)CVH感測元件48的平面中由磁場感測元件配置41遭受的磁場之分量方向的角度、b)在CVH感測元件48的平面中之磁場的分量的量值、c)在垂直於CPH感測元件46的平面之方向上磁場的分量之量值、d)磁場感測元件配置41遭受的磁場之三維指向、及e)沿著三維指向的磁場之量值。
在某些實施例中，CVH感測元件48及CPH感測元件46配置在不同的佈植區上。在某些替代實施例中，有較少的平面霍爾元件，以致於平面霍爾元件不會配置在每一對垂直式霍爾元件接點之間。
如上所述，以虛線選加地顯示，取代CVH感測元件48，感測元件配置41具有配置在分開的共同佈植區56上之CVH感測元件54，共同佈植區56與共同佈植區42分開，CPH感測元件46配置於共同佈植區42上。為了簡明起見，在CVH感測元件54中，僅顯示例如58等二個垂直的霍爾元件接點。
雖然選加的CVH感測元件54顯示為比CPH感測元件46具有較小的直徑配置在較小的直徑的共同佈植區上，但 是，在其它實施例中，選加的CVH感測元件比CPH感測元件46具有較大的直徑且配置在較大直徑的共同佈植區上。在某些實施例中，選加的CVH感測元件54配置在與CPH感測元件46相對立之基底50的側上。
現在參考圖3，磁場感測器50包含磁場感測元件配置52，類似於圖2B的磁場感測元件配置41，磁場感測元件配置52包含CVH感測元件及CPH感測元件的結合。在其它實施例中，磁場感測元件配置52類似於圖1的磁場感測元件配置11。
振盪器58配置成產生時脈訊號58a。開關及邏輯56耦合成提供控制訊號56a給磁場感測元件配置52。在上述的PCT專利申請號PCT/EP2008056517中更完整地說明CVH感測元件的切換及控制。CPH感測元件的切換及控制類似於CVH感測元件的切換及控制。於下，配合圖7，更完整地說明此二者。
偏壓電路54配置成提供一或更多偏壓訊號54a給磁場感測元件配置52。在某些實施例中，一或更多偏壓訊號54a是電流訊號。
磁場感測元件配置52配置成產生代表磁場感測元件配置52的平面(x-y平面)中磁場感測元件配置52遭受的磁場分量的角度及量值之輸出訊號52a。磁場感測元件配置52也配置成產生代表正交於磁場感測元件配置52的平面之方向上磁場感測元件配置52遭受的磁場之分量的量值之輸出訊號52b。
x-y方向分量電路60耦合成接收訊號52a且配置成產生代表磁場感測元件配置52的平面中磁場感測元件配置52遭受的磁場分量的角度、以及代表磁場感測元件配置52的平面中磁場分量的量值之訊號60a。z方向分量電路62耦合成接收訊號52b且配置成產生代表垂直於磁場感測元件配置52的平面之方向上磁場感測元件配置52遭受的磁場分量的量值之訊號62a。
結合處理器64耦合成接收訊號60a、62a且配置成產生代表所有上述方向特徵的輸出訊號64a。在某些實施例中，輸出訊號也是或取代磁場的三維指向及/或沿著三維指向的磁場之量值。
於下將配合圖4，更完整地說明磁場感測器50的操作。
現在參考圖4，類似於圖2B的磁場感測元件配置41，磁場感測器100包含具有CVH感測元件104及CPH感測元件106的磁場感測元件配置102，CVH感測元件104具有眾多垂直式霍爾元件，CPH感測元件106具有眾多平面霍爾元件。在其它實施例中，磁場感測元件配置102類似於圖1的磁場感測元件配置11。
電流源108a、108b、108c、108d提供電流訊號108aa、108ba、108ca、108da形式的偏壓訊號給磁場感測元件配置102。
振盪器112產生時脈訊號112a。除法器114耦合成接收時脈訊號112a及配置成產生經過分割的時脈訊號 114a。切換控制電路110耦合成接收經過分割的時脈電路114a以及配置成產生控制訊號110a。切換電路116耦合成接收控制訊號110a及配置成以下述更完整說明的多個方式操作磁場感測元件配置102。
磁場感測元件配置102的CVH感測元件部104的操作更完整地說明於上述PCT公開號WO 2008/145662。
磁場感測元件配置102，特別是CVH感測元件104，配置成產生包含眾多所謂的「x-y輸出訊號」之差動訊號104a、104b。磁場感測元件配置102，特別是CPH感測元件106，也配置成產生包含眾多所謂的「z輸出訊號」之差動訊號106a、106b。
磁場感測器100包含同於或類似於圖3的x-y方向分量電路60之x-y方向分量電路118。x-y方向分量電路118包含放大器120，放大器120耦合成接收差動訊號104a、104b以及配置成產生放大的訊號120a(此處也稱為第一中間訊號)。帶通濾波器122耦合成接收放大訊號120a且配置成產生經過濾波的訊號122a。具有或不具有遲滯的比較器126耦合成接收經過濾波的訊號122a。比較器126也耦合成接收臨界訊號124。比較器126配置成產生臨界訊號126a，以反應經過濾波的訊號122a與臨界訊號124之間的比較。
x-y方向分量電路118也包含計數器128，計數器128耦合成在賦能輸入端接收臨界訊號126a。
振盪器112也配置成產生時脈訊號112b及112c。除 法器113耦合成接收時脈訊號112c及配置成產生另一經過分割的時脈訊號113a。
計數器128耦合成在時脈輸入端接收時脈訊號112b以及耦合成在重設輸入端接收經過分割的時脈訊號113a。
在操作上，計數器128配置成產生輸出訊號128a，輸出訊號128a是代表臨界訊號126a與經過分割的時脈訊號113a之間的相位差之多位元數位訊號。因此，計數訊號128a代表此處也稱為x-y平面的CVH感測元件104的平面中CVH感測元件104遭受的磁場之分量的方向的角度。
x-y方向分量電路118也包含佇鎖器130，佇鎖器130耦合成接收計數訊號128a及配置成產生佇鎖訊號130a，佇鎖訊號130a類似於計數訊號128a，代表CVH感測元件104的x-y平面中CVH感測元件104遭受的磁場之分量的方向的角度。
x-y方向元件電路118也包含振幅偵測電路。振幅偵測電路包含整流器132，整流器132耦合成接收經過濾波的訊號122a及配置成產生經過整流的訊號132a。振幅偵測電路也包含低通濾波器134，低通濾波器134耦合成接收經過整流的訊號132a及配置成生低通濾波訊號134a。類比對數位轉換器136耦合成接收低通濾波訊號134a及配置成產生訊號136a，訊號136a代表x-y平面中的CVH感測元件104遭受的磁場之分量的量值。也可以使用其它電路拓樸以偵測振幅。
磁場感測器100也包含z方向分量電路138，z方向分量電路138具有耦合成接收差動訊號106a、106b的放大器140。放大器140配置成產生放大的訊號140a(此處也稱為第二中間訊號)。低通濾波器142耦合成接收放大訊號140a及配置成產生經過濾波的訊號142a。類比對數位轉換器144耦合成接收經過濾波的訊號142a及配置成產生z量值訊號144a，z量值訊號144a代表垂直於x-y平面的方向上CPH感測元件106遭受的磁場的分量之量值。也可以使用其它電路拓樸以偵測z量值。
訊號136a、130a、144a提供給結合處理器，舉例而言，圖3的結合處理器64。在某些實施例中，結合處理器配置成將訊號136a、130a、144a中之一或更多格式化成為用於與磁場感測器外部的電路通訊之標準格式。格式可為各式各樣的格式中之一，包含但不限於SENT格式、I2C格式、或脈衝寬度調變(PWM)格式。在其它實施例中，結合處理器又配置成處理訊號136a、130a、144a，以產生代表例如相對於x-y平面的角度等三維磁場指向的一或更多訊號、或是代表沿著三維指向的磁場的量值之訊號。這些訊號也被置於用於與上述訊號通訊或是取代上述訊號之上述標準格式中之一。
現在參考圖5，圖形150具有水平軸，水平軸以代表圍繞圖4的CVH感測元件104的垂直霍爾元件的位置為單位。將配合圖7，於下更完整地說明垂直式霍爾元件位置。從下述中配合圖7之說明中將瞭解，在舉例說明的實 施例中，在CVH感測元件104中有六十四個垂直式霍爾元件接點以及在CVH感測元件104中有對應的六十四個垂直式霍爾元件。
圖形150也包含具有對應於四個不同訊號152、154、156、158之四個不同範圍之以伏特為單位的垂直軸。
訊號152代表圖4的時脈訊號112b。訊號154代表圖4的經過分割的時脈訊號113a。訊號156代表圖4的放大訊號120a。訊號158代表圖4之經過濾波的訊號122a。
應瞭解，訊號154是固定的參考訊號，其不會改變與磁場方向有關的相位。但是，訊號156及158會改變與對應的CVH感測元件的平面中的磁場的方向有關的相位。訊號154的相位與訊號156、158的相位之間的相位差代表CVH感測元件的平面中的磁場的角度。
從訊號158，可見在磁場存在時，CHV感測元件104之內的垂直式霍爾元件的不同元件提供具有相對於零之不同的振幅之訊號。在垂直式霍爾元件位置號數24處取得最大的負訊號，以及，在垂直式霍爾元件位置號數56處取得最大的正訊號。訊號158的相位，亦即，最大及最小的感測元件位置，與CVH感測元件104(圖4)的平面中的CVH感測元件104遭受的磁場的分量的方向的角度有關。因此，對於磁場的其它角度，相位將不同，且最大及最小(以及零交會)將會在不同的垂直式霍爾元件位置。
關於訊號156，訊號156不規則的上下脫離代表直流偏移訊號，直流偏移訊號係隨著CVH感測元件104的垂 直式霍爾元件不同而不同。偏移電壓不是所需的。
訊號158的量值Bxy代表CVH感測元件104的平面中圖4的CVH感測元件104遭受的磁場的分量的量值。
現在參考圖6，圖170具有水平軸，水平軸以代表圍繞圖4的CPH感測元件106的平面霍爾元件位置為單位。從配合圖7之下述說明可知，在舉例說明的實施例中，在CPH感測元件106中有六十四個平面霍爾元件以及在CPH感測元件106中二佰五十六個垂直式霍爾元件接點。
圖形170也包含具有對應於三個不同訊號172、174、176之三個不同範圍之以伏特為單位的垂直軸。
類似圖5的訊號152，訊號172代表圖4的時脈訊號112b。訊號174代表圖4的放大訊號140a。訊號176代表圖4之經過濾波的訊號142a。
訊號176的量值BZ代表垂直於CPH感測元件106的平面中的CPH感測元件106遭受的磁場的分量的量值。
現在參考圖7，磁場感測器200包含磁場感測元件配置201。磁場感測元件配置201包含在基底208的表面中的圓形佈植區202。以垂直式霍爾元件204a、204b、204c為例說明的眾多垂直式霍爾元件配置在圓形佈植區202上。每一垂直式霍爾元件具有眾多霍爾元件接點(例如，四個或五個接點)，其中，垂直式霍爾元件接點204aa僅為一實例。
在CVH感測元件之內具有例如五個相鄰的接點的特 定垂直式霍爾元件(例如，204a)與下一個垂直式霍爾元件(例如，204b)共用五個接點中的某些接點，例如四個接點。因此，下一個垂直式霍爾元件204b從先前的垂直式霍爾元件偏移一接點。對於此一接點偏移，將瞭解垂直式霍爾元件的數目等於垂直式霍爾元件接點的數目，例如六十四。但是，也將瞭解，下一個垂直式霍爾元件從先前的垂直式霍爾元件偏移一個以上的接點，在此情形中，比在CVH感測元件中具有的垂直式霍爾元件接點，具有更少的垂直式霍爾元件。
在舉例說明的CVH感測元件中，有六十四個垂直式霍爾元件及六十四個霍爾元件接點。但是，CVH具有比六十四更多或更少的垂直式霍爾元件以及比六十四更多或更少的垂直式霍爾元件接點。
類似圖2B的磁場感測元件配置41，磁場感測元件配置201也包含眾多平面霍爾元件，舉例而言，平面霍爾元件206a、206b、206c、206d、206e。
每一平面霍爾元件具有例如由點表示的四個接點。在某些實施例中，平面霍爾元件的接點基本上是被共用的。舉例而言，在一實施例中，第一平面霍爾元件206a具有四個接點。下一個平面霍爾元件206b共用平面霍爾元件206a的接點中的二個接點。下一個平面霍爾元件206c共用平面霍爾元件206b的接點中的二個接點、等等。
在其它實施例中，相鄰的平面霍爾元件的接點未被共用。舉例而言，第一平面霍爾元件206a未與下一個平面 霍爾元件206c共用接點。
在某些實施例中，每一垂直式霍爾元件(例如，五個垂直式霍爾元件接點)被切分。切分將被視為切換配置，將電流驅動訊號重新配置給垂直式霍爾元件的接點，以及，在四個配置中最常見的是，一次一個重新配置垂直式霍爾元件的輸出訊號接點，以從垂直式霍爾元件順序地提供代表四個配置的輸出訊號。切分傾向於造成配合圖5的訊號156之上述垂直式霍爾元件的偏移電壓的效應降低。
類似地，在某些實施例中，每一平面霍爾元件(例如，四個平面霍爾元件接點)被切分而取得相同優點。但是，在其它實施例中，未使用切分，僅有驅動和輸出接點的一配置被用於每一垂直式或平面霍爾元件。
雖然在上述CVH及CPH感測元件中說明六十四個垂直式霍爾元件及六十四個平面霍爾元件，但是，將瞭解，在上述磁場感測元件配置中可以有多於或少於六十四個或任一型式的霍爾元件，包含具有不等數目的垂直式霍爾元件之實施例。
所有此處引述的參考文獻一併列入參考。已說明顯示各式各樣概念、結構及技術之較佳實施例，它們是本發明的標的，習於此技藝的一般技術者將清楚知道可以使用併有這些概念、結構及技術的其它實施例。因此，本專利的範圍不應限於所述的實施例而是應僅由後附申請專利範圍的精神及範圍限定。
10‧‧‧磁場感測器
11‧‧‧磁場感測元件配置
12‧‧‧圓形垂直式霍爾感測元件
14‧‧‧垂直式霍爾元件
14a‧‧‧垂直式霍爾元件接點
14b‧‧‧垂直式霍爾元件接點
14c‧‧‧垂直式霍爾元件接點
14d‧‧‧垂直式霍爾元件接點
14e‧‧‧垂直式霍爾元件接點
16‧‧‧共同佈植區
18‧‧‧平面霍爾元件
20‧‧‧分別的佈植區
22‧‧‧基底
24‧‧‧電子裝置
26‧‧‧圓形垂直式霍爾感測元件
27‧‧‧共同佈植區
28‧‧‧垂直式霍爾元件
28a‧‧‧接點
28b‧‧‧接點
28c‧‧‧接點
28d‧‧‧接點
28e‧‧‧接點
30‧‧‧圓形平面霍爾感測元件
32‧‧‧共同佈植區
34‧‧‧平面霍爾元件
34a‧‧‧接點
34b‧‧‧接點
34c‧‧‧接點
34d‧‧‧接點
40‧‧‧磁場感測器
41‧‧‧磁場感測元件配置
42‧‧‧共同佈植區
44‧‧‧垂直式霍爾元件
46‧‧‧圓形平面霍爾感測元件
47‧‧‧平面霍爾元件
48‧‧‧圓形垂直式霍爾感測元件
50‧‧‧基底
52‧‧‧磁場感測元件配置
54‧‧‧圓形垂直式霍爾感測元件
56‧‧‧共同佈植區
58‧‧‧垂直式霍爾元件接點
60‧‧‧x-y方向分量電路
62‧‧‧z方向分量電路
64‧‧‧結合處理器
100‧‧‧磁場感測器
102‧‧‧磁場感測元件配置
104‧‧‧圓形垂直式霍爾感測元件
106‧‧‧圓形平面霍爾感測元件
108a‧‧‧電流源
108b‧‧‧電流源
108c‧‧‧電流源
108d‧‧‧電流源
110‧‧‧開關控制電路
112‧‧‧振盪器
113‧‧‧除法器
114‧‧‧除法器
116‧‧‧切換電路
118‧‧‧x-y方向分量電路
120‧‧‧放大器
122‧‧‧帶通濾波器
126‧‧‧比較器
128‧‧‧計數器
130‧‧‧佇鎖器
132‧‧‧整流器
134‧‧‧低通濾波器
136‧‧‧類比對數位轉換器
140‧‧‧放大器
142‧‧‧低通濾波器
144‧‧‧類比對數位轉換器
從下述圖式的詳細說明，將更完整地瞭解本發明的前述特點、以及發明本身，其中：圖1是視圖，顯示具有磁場感測元件配置的磁場感測器，所述磁場感測元件配置具有配置在共同基底上的分別佈植區上的圓形垂直式霍爾(CVH)感測元件及平面霍爾元件；圖2是視圖，顯示具有眾多垂直式霍爾元件的CHV感測元件，每一垂直式霍爾元件具有眾多垂直式霍爾元件接點；圖2A是視圖，顯示具有眾多平面霍爾元件的圓形平面霍爾(CPH)感測元件，每一平面霍爾元件具有眾多平面霍爾元件接點；圖2B是視圖，顯示磁場感測元件配置，其具有設置於共同基底中的共同佈植區上之CVH感測元件及具有CPH感測元件；圖3是方塊圖，顯示具有磁場感測元件配置、具有x-y方向元件電路、具有z方向元件電路、及具有結合電路的磁場感測器，所述磁場感測元件配置具有結合配置的CVH感測元件及CPH感測元件；圖4是方塊圖，顯示圖3的磁場感測器的進一步細節；圖5顯示圖4的磁場感測器之內且與CVH感測元件相關連的四個訊號； 圖6顯示圖4的磁場感測器之內且與CPH感測元件相關連的另外三個訊號；及圖7是視圖，顯示具有磁場感測元件配置的磁場感測器，磁場感測元件配置具有CVH感測元件及CPH感測元件。
40‧‧‧磁場感測器
41‧‧‧磁場感測元件配置
42‧‧‧共同佈植區
44‧‧‧垂直式霍爾元件
46‧‧‧圓形平面霍爾感測元件
47‧‧‧平面霍爾元件
48‧‧‧圓形垂直式霍爾感測元件
50‧‧‧基底
52‧‧‧磁場感測元件配置
52a‧‧‧接收訊號
52b‧‧‧輸出訊號
54‧‧‧圓形垂直式霍爾感測元件
56‧‧‧共同佈植區
58‧‧‧垂直式霍爾元件接點

Claims (31)

  1. 一種磁場感測器，包括：半導體基底，具有第一及第二平行主表面；配置成圓形垂直式霍爾(CVH)結構的眾多垂直式霍爾元件，其中，該眾多垂直式霍爾元件中的每一霍爾元件配置在該半導體基底的第一主表面中的共同圓形佈植區上，其中，該多個垂直式霍爾元件配置成產生各別的眾多x-y輸出訊號，以反應具有平行於該半導體基底的該第一主表面之x-y平面中之方向分量的磁場，該x-y平面具有x方向及正交於該x方向的y方向；平面霍爾元件，配置在該半導體基底上，其中，該平面霍爾元件配置成產生z輸出訊號，以反應具有正交於該x-y平面的z方向上之方向分量的磁場；以及處理電路，配置在該半導體基底上，耦合成接收代表該眾多x-y輸出訊號的訊號、耦合成接收代表該z輸出訊號之訊號、配置成產生代表該x-y平面中的該方向分量的角度之x-y角度訊號中之一或更多、或是代表該x-y平面中的該方向分量的量值的x-y量值訊號、以及配置成產生代表該z方向上的該方向分量的量值之z量值訊號。
  2. 如申請專利範圍第1項之磁場感測器，其中，該平面霍爾元件是配置在該半導體基底上的眾多平面霍爾元件中之一，其中，該眾多平面霍爾元件配置成產生眾多z輸出訊號，以反應具有該z方向的該方向分量之該磁場，以及其中，該處理電路耦合成接收代表該眾多z輸出訊號的 訊號。
  3. 如申請專利範圍第2項之磁場感測器，其中，該眾多平面霍爾元件以圓形平面霍爾(CPH)結構配置，其中，該眾多平面霍爾元件中的每一平面霍爾元件配置在該共同圓形佈植區上。
  4. 如申請專利範圍第3項之磁場感測器，其中，該共同圓形佈植區包括n型摻雜材料，以及其中，該基底包括p型材料。
  5. 如申請專利範圍第4項之磁場感測器，其中，該半導體基底包括矽基底。
  6. 如申請專利範圍第3項之磁場感測器，其中，該眾多平面霍爾元件中的每一平面霍爾元件包括各別組複數個平面霍爾元件接點，其中，該處理電路可以操作以使用眾多組的平面霍爾元件接點來處理該眾多平面霍爾元件，而產生代表該眾多z輸出訊號的該訊號。
  7. 如申請專利範圍第6項之磁場感測器，其中，該處理電路又可以操作以處理多工配置的每一組複數個平面霍爾元件接點，其中，該眾多平面霍爾元件中的每一平面霍爾元件的複數個平面霍爾元件接點中不同的接點提供不同時間該眾多z輸出訊號中不同的z輸出訊號。
  8. 如申請專利範圍第6項之磁場感測器，其中，該眾多垂直式霍爾元件中的每一垂直式霍爾元件包括各別組的複數個垂直式霍爾元件接點，其中，該處理電路可以操作以使用眾多組的複數個垂直式霍爾元件接點來處理該眾多 垂直式霍爾元件，而產生代表該眾多x-y輸出訊號的該訊號。
  9. 如申請專利範圍第8項之磁場感測器，其中，該處理電路可以操作以處理多工配置的每一組複數個垂直式霍爾元件接點，其中，該眾多垂直式霍爾元件中的每一垂直式霍爾元件的該複數個垂直式霍爾元件接點中不同的接點提供不同時間該眾多x-y輸出訊號中不同的x-y輸出訊號。
  10. 如申請專利範圍第8項之磁場感測器，其中，該處理電路包括z方向分量處理器，該z方向分量處理器耦合成接收代表該眾多z輸出訊號的該訊號以及配置成產生反應該z方向上該磁場的該方向分量之第一中間訊號。
  11. 如申請專利範圍第10項之磁場感測器，其中，該第一中間訊號包括直流訊號成分，該直流訊號成分具有反應該z方向上該磁場的該方向分量的量值之直流訊號值，其中，該處理電路可以操作以產生標示該z方向上該磁場的該方向分量的量值之該z量值訊號，以反應該直流訊號值。
  12. 如申請專利範圍第10項之磁場感測器，其中，該處理電路又包括x-y方向分量處理器，該x-y方向分量處理器耦合成接收代表該眾多x-y輸出訊號的訊號以及配置成產生反應該x-y平面中該磁場的該方向分量之第二中間訊號。
  13. 如申請專利範圍第12項之磁場感測器，其中，該 第二中間訊號包括交流訊號成分，該交流訊號成分具有反應該x-y平面中該磁場的該方向分量的角度之相位，以及具有反應該x-y平面中該磁場的該方向分量的量值之量值，其中，該處理電路可以操作以產生標示該x-y平面中該磁場的該方向分量的該角度之該x-y角度訊號，以反應該交流訊號成分的該相位。
  14. 如申請專利範圍第13項之磁場感測器，其中，該處理電路又可以操作以產生標示該x-y平面中該磁場的該方向分量之該量值之x-y量值訊號，以反應該交流訊號成分的量值。
  15. 如申請專利範圍第12項之磁場感測器，其中，該z方向分量處理器包括耦合成接收代表該第一中間訊號的訊號之低通濾波器。
  16. 如申請專利範圍第12項之磁場感測器，其中，該x-y方向分量處理器包括：帶通濾波器，耦合成接收代表該第二中間訊號的訊號以及配置成產生經過濾波的訊號；以及，計數器電路，耦合成接收該經過濾波的訊號、耦合成接收時脈訊號、以及配置成比較該時脈訊號的相位與該經過濾波的訊號的相位。
  17. 如申請專利範圍第16項之磁場感測器，其中，該x-y方向分量處理器又包括振幅偵測器，該振幅偵測器耦合成接收該經過濾波的訊號及配置成偵測該經過濾波的訊號的振幅，以產生代表該x-y平面中該磁場的該方向分量 的量值之x-y量值訊號。
  18. 如申請專利範圍第16項之磁場感測器，其中，該振幅偵測器包括耦合至低通濾波器的整流器。
  19. 如申請專利範圍第17項之磁場感測器，又包括結合處理器，耦合成接收該z量值訊號、該x-y角度訊號、及該x-y量值訊號、以及配置成結合這些訊號來產生代表沿著該磁場的三維的指向之該磁場的量值之訊號。
  20. 如申請專利範圍第17項之磁場感測器，又包括結合處理器，耦合成接收該z量值訊號、該x-y角度訊號、或是該x-y量值訊號中至少二者以及配置成將該至少二訊號格式化成為包括SENT格式、I2C格式、或脈衝寬度調變(PWM)格式中至少之一的格式。
  21. 一種磁場感測元件配置，包括：半導體基底，具有與x-y平面平行的第一和第二平行主表面；以及配置成圓形平面霍爾(CPH)結構之眾多平面霍爾元件，其中該眾多平面霍爾元件中的每一平面霍爾元件配置在該半導體基底的該第一主表面中的共同圓形佈植區上，其中，該眾多平面霍爾元件配置成產生反應具有在正交於該x-y平面的z方向上之方向分量的磁場之眾多z輸出訊號。
  22. 如申請專利範圍第21項之磁場感測元件配置，其中，該共同圓形佈植區包括n型摻雜材料，以及，其中，該基底包括p型材料。
  23. 如申請專利範圍第21項之磁場感測元件配置，其中，該半導體基底包括矽基底。
  24. 如申請專利範圍第21項之磁場感測元件配置，又包括處理電路，配置在該半導體基底上以及耦合成接收代表該眾多z輸出訊號的訊號，其中，該眾多平面霍爾元件中每一平面霍爾元件包括各別組的複數個平面霍爾元件接點，其中，該處理電路可以操作以使用該眾多組的複數平面霍爾元件接點來處理該眾多平面霍爾元件，而產生代表該眾多z輸出訊號的訊號。
  25. 如申請專利範圍第24項之磁場感測元件配置，其中，該處理電路又可以操作以處理多工配置的每一組複數個平面霍爾元件接點，其中，該眾多平面霍爾元件中的每一平面霍爾元件的該複數平面霍爾元件接點中不同的接點提供不同時間該眾多z輸出訊號中不同的z輸出訊號。
  26. 如申請專利範圍第24項之磁場感測元件配置，其中，該處理電路包括z方向分量處理器，耦合成接收代表該眾多z輸出訊號的該訊號以及配置成產生反應該z方向上磁場的方向分量之中間訊號，其中，該中間訊號包括直流訊號成分，該直流訊號成分具有反應該z方向上該磁場的該方向分量的量值之直流訊號值，其中，該處理電路可以操作以產生標示該z方向上該磁場的該方向分量的該量值之輸出訊號，以反應該直流訊號值。
  27. 如申請專利範圍第21項之磁場感測元件配置，又包括配置在該共同圓形佈植區上的圓形垂直式霍爾 (CVH)感測元件，其中，該CVH感測元件包括眾多垂直式霍爾元件接點，以及其中，該眾多平面霍爾元件包含有該複數個垂直式霍爾元件接點插入之複數個個別的平面霍爾元件。
  28. 如申請專利範圍第21項之磁場感測元件配置，又包括配置在該半導體基底的主表面中不同的共同圓形佈植區上的圓形垂直式霍爾(CVH)感測元件，其中，該圓形垂直式霍爾感測元件包括眾多垂直式霍爾元件接點。
  29. 一種磁場感測元件配置的製造方法，包括：在具有都平行於x-y平面之第一和第二主平行表面之半導體基底的第一主表面中形成共同圓形佈植區；以及在該共同圓形佈植區上形成配置成圓形平面霍爾(CPH)結構的眾多平面霍爾元件，其中，該眾多平面霍爾元件配置成產生反應具有正交於該x-y平面的z方向上之方向分量的磁場之眾多z輸出訊號。
  30. 如申請專利範圍第29項之方法，又包括：形成配置在該共同圓形佈植區上的圓形垂直式霍爾(CVH)感測元件，其中，該圓形垂直式霍爾感測元件包括眾多垂直式霍爾元件接點，以及其中，該眾多平面霍爾元件包含有複數個垂直式霍爾元件接點插入之複數個個別的平面霍爾元件。
  31. 如申請專利範圍第29項之方法，又包括：在該半導體基底的主表面中形成配置在不同的共同圓形佈植區上的圓形垂直式霍爾(CVH)感測元件，其中， 該圓形垂直式霍爾感測元件包括眾多垂直式霍爾元件接點。
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