应用于三维霍尔传感器的霍尔器件及其失调消除方法技术

本发明专利技术涉及一种应用于三维霍尔传感器的霍尔器件及其失调消除方法。可集成于一芯片上，实现单片集成三维霍尔传感器，所述霍尔器件包括水平型霍尔器件和垂直型霍尔器件；且还提出了一种正交耦合旋转电流技术。本发明专利技术通过对水平型霍尔器件和垂直型霍尔器件的结构进行改进创新，提高其性能，使其能够应用于单片集成的三维霍尔传感器；且本发明专利技术方法，能够实现对失调电压的消除，从而可以通过单个芯片实现对磁场的三维检测，对磁场检测方面的应用有着巨大的帮助。

Holzer device applied to 3D Holzer sensor and its offset elimination method

The invention relates to a Holzer device applied to a three-dimensional Holzer sensor and a method for eliminating its maladjustment. A monolithic integrated three-dimensional Hall sensor can be integrated on a chip. The Hall device includes a horizontal Hall device and a vertical Hall device, and an orthogonal coupling rotating current technique is also proposed. The invention improves and innovates the structure of the horizontal Hall device and the vertical Hall device, improves its performance, and enables it to be applied to the monolithic integrated three-dimensional Hall sensor; and the method of the invention can eliminate the offset voltage, thereby realizing the three-dimensional detection of the magnetic field through a single chip, and realizing the three-dimensional detection of the magnetic field. The application of magnetic field detection is of great help.

【技术实现步骤摘要】
应用于三维霍尔传感器的霍尔器件及其失调消除方法
本专利技术涉及一种应用于三维霍尔传感器的霍尔器件及其失调消除方法.
技术介绍
近年来，基于CMOS工艺的霍尔传感器拥有低功耗、低成本、高集成度、高可靠性以及强抗干扰能力等众多优点，被广泛应用于汽车制造、医疗电子、仪器仪表以及消费类电子等领域。但随着人们对磁场探测的要求越来越高，要求霍尔传感器能够全方位探测磁场，实现对三维磁场的测量。霍尔传感器主要分为水平型和垂直型。水平型霍尔传感器主要用于检测Z轴方向的磁场，发展较早，拥有较为优异的性能。而垂直型霍尔传感器主要用于X和Y轴方向的磁场检测，由于器件本身结构和工艺的原因，垂直型霍尔传感器的灵敏度相对较低并且失调较大。将水平型霍尔器件和垂直型霍尔器件集成在一个芯片上，可以实现单片集成三维霍尔传感器。因此，高性能的霍尔器件是实现三维霍尔传感器的关键所在。作为霍尔传感器的核心模块，它决定着霍尔传感器的整体性能。传统的三维磁场测量方式主要通过通过特殊的封装方式，将三个一维霍尔器件置于三个不同的方向，然后封装在一起，从而实现对磁场的三维测量。这种方式只需要一维水平型的霍尔器件就可以实现，但是对封装的要求比较高，而且并不是单片集成的三维霍尔传感器，成本比较高。为了实现高性能的单片集成三维霍尔传感器，本专利技术提出了应用于三维霍尔传感器的水平型和垂直型霍尔器件，并对器件结构进行创新和优化，提高了霍尔器件的灵敏度、降低了其初始失调。并提出了一种将正交耦合与旋转电流相结合的技术，降低了霍尔器件的残余失调。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种应用于三维霍尔传感器的霍尔器件及其失调消除方法，通过对水平型霍尔器件和垂直型霍尔器件的结构进行改进创新，提高其性能，使其能够应用于单片集成的三维霍尔传感器；且本专利技术方法，能够实现对失调电压的消除，从而可以通过单个芯片实现对磁场的三维检测，对磁场检测方面的应用有着巨大的帮助。为实现上述目的，本专利技术的技术方案是：一种应用于三维霍尔传感器的霍尔器件，可集成于一芯片上，实现单片集成三维霍尔传感器，所述霍尔器件包括水平型霍尔器件和垂直型霍尔器件。在本专利技术一实施例中，所述水平型霍尔器件包括从下往上依次设置的P型衬底层、N阱层、P+注入区层，P+注入区层不完全覆盖N阱层，以露出N阱层四角，还包括设于N阱层四角的N+注入区层以及覆于P+注入区层与N+注入区层上的金属层，所述N阱层作为水平型霍尔器件的有源区，N+注入区层作为水平型霍尔器件的接触端。在本专利技术一实施例中，所述P型衬底层上部开设有一腔体，以设置所述N阱层，使得N阱层完全置于P型衬底层的腔体中。在本专利技术一实施例中，所述P型衬底层与P+注入区层接地。在本专利技术一实施例中，所述垂直型霍尔器件包括P型衬底层、P阱层、深N阱层、P+注入区层、N+注入区层，所述P型衬底层上部开设有阶梯型腔体，所述阶梯型腔体的中部设置所述深N阱层，阶梯型腔体的周部设置所述P阱层，以使得P阱层环包深N阱层；P型衬底层上还设置所述P+注入区层，以环包P阱层；N+注入区层为5个且间隔设于深N阱层上，每个N+注入区层之间还设置有P+注入区层；所述深N阱层作为垂直型霍尔器件的有源区，N+注入区层作为垂直型霍尔器件的接触端。在本专利技术一实施例中，P阱层形成的P阱环，其开口宽度从中间位置的N+注入区层向两旁的的N+注入区层由小至大。本专利技术还提供了一种基于上述所述霍尔器件的失调消除方法，该方法为正交耦合与旋转电流相结合的失调消除方法，具体实现如下：将霍尔器件等效成惠斯通电桥，并将两个霍尔器件进行正交耦合，即第一惠斯通电桥的第一端与第二惠斯通电桥的第一端相连接至MOS管开关M1、M5的漏端，第一惠斯通电桥的第二端与第二惠斯通电桥的第二端相连接至MOS管开关M2、M6的漏端，第一惠斯通电桥的第三端与第二惠斯通电桥的第三端相连接至MOS管开关M4、M7的漏端，第一惠斯通电桥的第四端与第二惠斯通电桥的第四端相连接至MOS管开关M3、M8的漏端，M1的源端、M2的源端相连接至VDD，M3的源端、M4的源端相连接至GND，M1的栅端、M2的栅端、M3的栅端、M4的栅端分别连接至CLK0、CLK1、CLK1B、CLK0B时钟信号，其中CLK0和CLK1是一对非交叠互补时钟；CLK0B，CLK1B分别与CLK0和CLK1的相位相反，M5的源端、M6的源端相连接作为第一电压输出端，M7的源端、M8的源端相连接作为第二电压输出端，而后结合旋转电流技术，在旋转电流技术的第一相位阶段，即时钟信号CLK0为低电平时，M1和M4导通，电流从上向下流，此时输出电压为：VOUT＝Vhall+Voffset(1)在旋转电流技术的第二相位阶段，即时钟信号CLK1为低电平时，M2和M3导通，电流从右向左流，此时输出电压为：VOUT＝-Vhall+Voffset(2)由(1)和(2)可以看出，输出端霍尔电压VHall在两个相位的极性发生变化，而失调电压Voffset的极性始终不变；因此经过后续信号处理电路相减后，可以有效地抑制失调。相较于现有技术，本专利技术具有以下有益效果：本专利技术通过对水平型霍尔器件和垂直型霍尔器件的结构进行改进创新，提高其性能，使其能够应用于单片集成的三维霍尔传感器；且本专利技术方法，能够实现对失调电压的消除，从而可以通过单个芯片实现对磁场的三维检测，对磁场检测方面的应用有着巨大的帮助。附图说明图1为传统水平型霍尔器件的结构图。图2为改进后应用于三维霍尔传感器的水平型霍尔器件的结构图。图3为图2的剖视图。图4为传统垂直型霍尔器件的结构图。图5为改进后应用于三维霍尔传感器的垂直型霍尔器件的结构图。图6为惠斯通电桥模型图。图7为改进型的垂直型霍尔器件的俯视图。图8为正交耦合技术原理图图9为旋转电流技术原理图图10为正交耦合旋转电流技术原理图具体实施方式下面结合附图，对本专利技术的技术方案进行具体说明。本专利技术提供了一种应用于三维霍尔传感器的霍尔器件，可集成于一芯片上，实现单片集成三维霍尔传感器，所述霍尔器件包括水平型霍尔器件和垂直型霍尔器件。所述水平型霍尔器件包括从下往上依次设置的P型衬底层、N阱层、P+注入区层，P+注入区层不完全覆盖N阱层，以露出N阱层四角，还包括设于N阱层四角的N+注入区层以及覆于P+注入区层与N+注入区层上的金属层，所述N阱层作为水平型霍尔器件的有源区，N+注入区层作为水平型霍尔器件的接触端。所述P型衬底层上部开设有一腔体，以设置所述N阱层，使得N阱层完全置于P型衬底层的腔体中。所述P型衬底层与P+注入区层接地。所述垂直型霍尔器件包括P型衬底层、P阱层、深N阱层、P+注入区层、N+注入区层，所述P型衬底层上部开设有阶梯型腔体，所述阶梯型腔体的中部设置所述深N阱层，阶梯型腔体的周部设置所述P阱层，以使得P阱层环包深N阱层；P型衬底层上还设置所述P+注入区层，以环包P阱层；N+注入区层为5个且间隔设于深N阱层上，每个N+注入区层之间还设置有P+注入区层；所述深N阱层作为垂直型霍尔器件的有源区，N+注入区层作为垂直型霍尔器件的接触端。P阱层形成的P阱环，其开口宽度从中间位置的N+注入区层向两旁的的N+注入区层由小至大。本专利技术还提供了一种基于上述所述霍尔器件的失调消除方法，该方法为正交耦合与旋转电流相结合的失调消本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种应用于三维霍尔传感器的霍尔器件，其特征在于，可集成于一芯片上，实现单片集成三维霍尔传感器，所述霍尔器件包括水平型霍尔器件和垂直型霍尔器件。

【技术特征摘要】
1.一种应用于三维霍尔传感器的霍尔器件，其特征在于，可集成于一芯片上，实现单片集成三维霍尔传感器，所述霍尔器件包括水平型霍尔器件和垂直型霍尔器件。2.根据权利要求1所述的应用于三维霍尔传感器的霍尔器件，其特征在于，所述水平型霍尔器件包括从下往上依次设置的P型衬底层、N阱层、P+注入区层，P+注入区层不完全覆盖N阱层，以露出N阱层四角，还包括设于N阱层四角的N+注入区层以及覆于P+注入区层与N+注入区层上的金属层，所述N阱层作为水平型霍尔器件的有源区，N+注入区层作为水平型霍尔器件的接触端。3.根据权利要求2所述的应用于三维霍尔传感器的霍尔器件，其特征在于，所述P型衬底层上部开设有一腔体，以设置所述N阱层，使得N阱层完全置于P型衬底层的腔体中。4.根据权利要求2或3所述的应用于三维霍尔传感器的霍尔器件，其特征在于，所述P型衬底层与P+注入区层接地。5.根据权利要求1所述的应用于三维霍尔传感器的霍尔器件，其特征在于，所述垂直型霍尔器件包括P型衬底层、P阱层、深N阱层、P+注入区层、N+注入区层，所述P型衬底层上部开设有阶梯型腔体，所述阶梯型腔体的中部设置所述深N阱层，阶梯型腔体的周部设置所述P阱层，以使得P阱层环包深N阱层；P型衬底层上还设置所述P+注入区层，以环包P阱层；N+注入区层为5个且间隔设于深N阱层上，每个N+注入区层之间还设置有P+注入区层；所述深N阱层作为垂直型霍尔器件的有源区，N+注入区层作为垂直型霍尔器件的接触端。6.根据权利要求5所述的应用于三维霍尔传感器的霍尔器件，其特征在于，P阱层形成的P阱环，其开口宽度从中间位置的N+注入区层向两旁的的N+注入区层由小至大。...

【专利技术属性】
技术研发人员：魏榕山，郭仕忠，段秋婷，
申请(专利权)人：福州大学，
类型：发明
国别省市：福建,35