[發明專利]一種三軸霍爾角度傳感器

有效

• 申請號: 202210160921.9
• 申請日: 2022-02-22
• 公開（公告）號: CN114609559B
• 公開（公告）日: 2023-06-02
• 發明（設計）人: 樊華;王江名;許童睿;趙攀峰;馮全源;蘇華英;王國松
• 申請（專利權）人: 電子科技大學
• 主分類號: G01R33/07
• 分類號: G01R33/07
• 代理公司: 電子科技大學專利中心 51203
• 代理人: 陳一鑫

本發明公開了一種三軸霍爾角度傳感器，涉及微電子學與固體電子學領域。本發明三接觸四霍爾結構具有旋轉對稱性，將同一方向垂直霍爾器件正交耦合連接能有效消除失調，并且能增大測量水平方向磁場的絕對靈敏度。放置在中間的四個完全一樣的霍爾器件通過正交耦合連接在一起，該方式可以很好的消除器件幾何誤差、有源區摻雜不均勻、以及接觸電阻等工藝誤差等引起失調。因此采用四個垂直霍爾器件測量水平方向的磁場，測量同一水平方向磁場時使用兩個互補的垂直型結構消除誤差。該三軸霍爾角度傳感器面積僅為142×142μmsupgt;2/supgt;，實現了測量磁場方向與xy平面夾角誤差小于0.2°，磁場方向在xy平面投影與x軸夾角誤差小于0.05°的性能。

技術領域

本發明涉及微電子學與固體電子學領域，特別涉及一種3軸霍爾角度傳感器。

背景技術

磁場傳感器作為微傳感器中的一個重要領域，每年生產數以億記的磁性傳感器被廣泛地運用在消費電子、汽車工業、工業自動化控制、磁場探測、醫療器械、航空航天和軍事工業等領域。霍爾傳感器作為歷史最為悠久的磁性傳感器，在半導體工藝的促進下正朝著小尺寸、低成本、低功耗高靈敏度方向發展，近幾十年霍爾效應傳感器也一直是主力磁傳感器。

單軸霍爾傳感器是最為悠久的霍爾傳感器，單軸霍爾傳感器只能測量一個特定方向的磁場，這使得單軸霍爾傳感器使用范圍十分受限。近年來，隨著一些新技術的發明，使得能測量多個磁場方向的霍爾傳感器開始被研究。對于實現三軸霍爾傳感器，常采用的方案有三種：

方案一：使用三個相同的水平霍爾器件放置在X，Y，Z平面來實現對三維磁場的測量。

方案二：使用水平霍爾器件和兩個垂直霍爾器件相結合的多器件方案，水平霍爾器件用于測量垂直于芯片表面的磁場，垂直霍爾器件用于測量與芯片表面平行的磁場。

方案三：由磁集中器薄盤和四個相同的水平霍爾器件組成，磁集中器技術可以將水平方向的磁場轉換為垂直方向的磁場，這樣就可以使用水平霍爾器件測量被轉換的水平磁場。

這三種方案各有優缺點。方案一水平獲取器件具有較高的靈敏度，能夠很好的感測各個方向的磁場。但要求三個器件分別沿其所需測量的坐標軸進行對齊，同時還需保持三個相互獨立工作的霍爾器件有著較為緊密的物理距離，這種三軸傳感器的制造方式較為困難且成本較高。方案二，水平霍爾器件和垂直霍爾器件都可以采用標準的CMOS工藝而不需要額外增加其他工藝就能實現，這有效的降低生產成本。但用于測量水平方向磁場的垂直霍爾結構表現出較低的靈敏度和較高的偏移，因此需要單獨的信號調節電路進行補償。方案三，磁集中器技術使得X，Y，Z三軸外界磁場的測量可完全依靠放置于同一平面的水平型霍爾傳感器來實現。磁集中器通常需要使用特殊的工藝和材料進行生產制造，同時對磁集中器和水平霍爾器件的擺放有較高的要求。

本發明針對方案二提出了新型結構，相較于傳統的方案而言在沒有增加面積的情況下減少了失調提升了靈敏度。

發明內容

本發明針對上述三軸霍爾傳感器存在的問題進行了改進，提出了一種新型的三軸霍爾傳感器結構和測量方法。

三軸霍爾傳感器是通過測量磁場B在X,Y,Z三個方向磁場轉化的霍爾電壓，然后計算出磁場的角度。本發明技術方案為：一種三軸霍爾角度傳感器，包括4個垂直霍爾器件和4個水平霍爾器件，4個垂直霍爾器件分比為：X1、X2、Y1和Y2，4個水平霍爾器件分別為：Z1、Z2、Z3和Z4，所述垂直霍爾器件用于測量水平方向磁場，結構為4個相同的三接觸極垂直霍爾結構串聯結構，每個霍爾結構三個接觸極的中間電極用于提供偏置或感應霍爾電壓，兩邊的電極用于與該結構內霍爾結構的電極連接；X1和X2用于測量X方向的磁場，Y1和Y2用于測量Y方向的磁場；X1、Y1、X2和Y2圍成一個正方形，X₁和X2相對；所述水平霍爾器件用于測量垂直磁場，4個水平霍爾器件均勻的陣列于4個垂直霍爾器件圍成的正方形內；