一種cmos片上三維微型磁檢測(cè)傳感器的霍爾傳感單元的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種CMOS片上三維微型磁檢測(cè)傳感器的霍爾傳感單元，其特征在于包括至少一個(gè)用于檢測(cè)Z方向磁感應(yīng)分量的水平霍爾器件和若干個(gè)用于檢測(cè)X和Y方向磁感應(yīng)分量的垂直霍爾器件，所述水平霍爾器件與垂直霍爾器件通過(guò)分布組合的方式設(shè)于CMOS片上。有益效果為：能夠在100um*100um以內(nèi)的芯片上以低成本實(shí)現(xiàn)精確測(cè)量某點(diǎn)磁通量密度B矢量的大小和方向；還能把信號(hào)調(diào)理電路與傳感單元以最近的方式連接，對(duì)降低噪聲和提高靈敏度極其有利；同時(shí)能把數(shù)字信號(hào)處理部分集成在同一芯片內(nèi)。
【專利說(shuō)明】—種CMOS片上三維微型磁檢測(cè)傳感器的霍爾傳感單元
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及三維微型磁檢測(cè)傳感器，尤其涉及一種CMOS片上三維微型磁檢測(cè)傳感器的霍爾傳感單元。
【背景技術(shù)】
[0002]完整的單芯片三維磁傳感器主要包括三維霍爾磁傳感單元，信號(hào)調(diào)理單元以及數(shù)字信號(hào)處理單元三個(gè)部分。最前端的三維磁傳感單元，利用霍爾效應(yīng)的原理將外磁場(chǎng)的三維分量轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)的三個(gè)維度霍爾電勢(shì)信號(hào)。由于cmos霍爾傳感器產(chǎn)生的霍爾信號(hào)非常微弱，一般在幾百μν至幾十mV左右，而且受生產(chǎn)工藝的波動(dòng)，傳感器件內(nèi)存在的參雜物質(zhì)呈高斯分布和工作時(shí)的溫度梯度以及芯片封裝時(shí)產(chǎn)生的應(yīng)力的影響，致使cmos霍爾傳感器產(chǎn)生較嚴(yán)重的失調(diào)電壓和低頻噪聲。對(duì)于微弱的霍爾電勢(shì)信號(hào)來(lái)說(shuō)，這些非理想因素甚至大到超過(guò)需要檢測(cè)的霍爾電勢(shì)信號(hào)。
[0003]動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)精確測(cè)量某點(diǎn)磁通量密度B矢量的大小和方向一直是個(gè)難題，解決這個(gè)問(wèn)題將大大提高磁傳感器的測(cè)量精度和應(yīng)用范圍。實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)精確測(cè)量某點(diǎn)磁通量密度B矢量的大小和方向的困難在于以下幾點(diǎn):(I)非正交誤差問(wèn)題，這需要將多個(gè)維度的磁傳感器件幾乎集中在一點(diǎn)。(2)傳感器的失調(diào)、噪聲、靈敏度及信號(hào)混疊問(wèn)題。(3)傳感器得到的測(cè)量值與需要的目標(biāo)值間實(shí)時(shí)高精度換算問(wèn)題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明目的在于克服以上現(xiàn)有技術(shù)之不足，提供一種CMOS片上三維微型磁檢測(cè)傳感器的霍爾傳感單元，具體有以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn):
所述CMOS片上三維微型磁檢測(cè)傳感器的霍爾傳感單元，包括至少一個(gè)用于檢測(cè)Z方向磁感應(yīng)分量的水平霍爾器件和若干個(gè)用于檢測(cè)X和Y方向磁感應(yīng)分量的垂直霍爾器件，所述水平霍爾器件與垂直霍爾器件通過(guò)分布組合的方式設(shè)于CMOS片上。
[0005]所述CMOS片上三維微型磁檢測(cè)傳感器的霍爾傳感單元的進(jìn)一步設(shè)計(jì)在于，所述水平霍爾器件為一個(gè)，垂直霍爾器件為四個(gè)。
[0006]所述CMOS片上三維微型磁檢測(cè)傳感器的霍爾傳感單元的進(jìn)一步設(shè)計(jì)在于，所述水平霍爾器件包括呈正十字交叉形的水平霍爾盤(pán)、保護(hù)環(huán)、P襯底以及水平電極，所述水平霍爾盤(pán)設(shè)于P襯底上，所述保護(hù)環(huán)沿水平霍爾盤(pán)邊緣分布，所述水平電極均布于水平霍爾盤(pán)上。
[0007]所述CMOS片上三維微型磁檢測(cè)傳感器的霍爾傳感單元的進(jìn)一步設(shè)計(jì)在于，所述水平霍爾盤(pán)設(shè)于大小為50um*50um的P襯底的中心位置，為低力度低N參雜，所述正十字叉形盤(pán)體的最長(zhǎng)和最寬部均分為40um，盤(pán)體左右及上下的肩部距P襯底邊緣縮進(jìn)lOum。
[0008]所述CMOS片上三維微型磁檢測(cè)傳感器的霍爾傳感單元的進(jìn)一步設(shè)計(jì)在于，所述保護(hù)環(huán)包括P+保護(hù)環(huán)與有源保護(hù)環(huán)，所述P+保護(hù)環(huán)沿水平霍爾盤(pán)邊緣的正十字狀排布，寬度為lum，用于在霍爾盤(pán)與P襯底之間形成兩道反向二極管保護(hù)；所述有源保護(hù)環(huán)沿P襯底邊緣排布，寬度為3 um。
[0009]所述CMOS片上三維微型磁檢測(cè)傳感器的霍爾傳感單元的進(jìn)一步設(shè)計(jì)在于，所述水平電極為四個(gè)多晶硅霍爾電極，分別設(shè)置于正十字叉形水平霍爾器件的左右及上下肩部，尺寸為8um*lum。
[0010]所述CMOS片上三維微型磁檢測(cè)傳感器的霍爾傳感單元的進(jìn)一步設(shè)計(jì)在于，所述四個(gè)垂直霍爾器件分別與所述水平霍爾器件的四個(gè)肩部對(duì)應(yīng)地設(shè)置于CMOS片上，每個(gè)垂直霍爾器件包括垂直霍爾盤(pán)、保護(hù)環(huán)、P襯底以及垂直電極，所述垂直霍爾盤(pán)按雙條狀并聯(lián)結(jié)構(gòu)設(shè)于P襯底上，所述保護(hù)環(huán)沿垂直霍爾盤(pán)的邊緣設(shè)置，所述電極均布于垂直霍爾盤(pán)上。
[0011]所述CMOS片上三維微型磁檢測(cè)傳感器的霍爾傳感單元的進(jìn)一步設(shè)計(jì)在于，兩個(gè)40um*8um的高參雜深度低N參雜濃度的垂直霍爾盤(pán)設(shè)置于50um*25umP型襯底的中心位置。
[0012]所述CMOS片上三維微型磁檢測(cè)傳感器的霍爾傳感單元的進(jìn)一步設(shè)計(jì)在于，所述保護(hù)環(huán)包括P+保護(hù)環(huán)與有源保護(hù)環(huán)，所述有源保護(hù)環(huán)沿P型襯底邊緣排布，寬度為I um;所述P+保護(hù)環(huán)沿每個(gè)垂直霍爾盤(pán)分布寬度為0.5 um。
[0013]所述CMOS片上三維微型磁檢測(cè)傳感器的霍爾傳感單元的進(jìn)一步設(shè)計(jì)在于，所述垂直電極為八個(gè)多晶硅霍爾電極，每個(gè)垂直霍爾盤(pán)均布有四個(gè)多晶硅霍爾電極。
[0014]本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)如下:
本發(fā)明的基于CMOS片上三維霍爾磁傳感器的霍爾傳感單元能夠在100um*100um以內(nèi)的芯片上以低成本實(shí)現(xiàn)精確測(cè)量某點(diǎn)磁通量密度B矢量的大小和方向；還能把信號(hào)調(diào)理電路與傳感單元以最近的方式連接，對(duì)降低噪聲和提高靈敏度極其有利；同時(shí)能把數(shù)字信號(hào)處理部分集成在同一芯片內(nèi)。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0015]圖1分布組合式三維霍爾器件結(jié)構(gòu)圖。
[0016]圖2 CMOS水平霍爾器件結(jié)構(gòu)圖。
[0017]圖3 CMOS垂直霍爾器件結(jié)構(gòu)圖。
【具體實(shí)施方式】
[0018]下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明方案進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。
[0019]本實(shí)施例提供的CMOS片上三維微型磁檢測(cè)傳感器的霍爾傳感單元，包括一個(gè)用于檢測(cè)Z方向磁感應(yīng)分量的水平霍爾器件和四個(gè)用于檢測(cè)X和Y方向磁感應(yīng)分量的垂直霍爾器件，水平霍爾器件與垂直霍爾器件通過(guò)分布組合的方式設(shè)于CMOS片上。
[0020]水平霍爾器件包括呈正十字交叉形的水平霍爾盤(pán)、保護(hù)環(huán)、P襯底以及水平電極。
[0021]水平霍爾盤(pán)設(shè)于大小為50um*50um的P襯底的中心位置，為低力度低N參雜，正十字叉形盤(pán)體的最長(zhǎng)和最寬部均分為40um，盤(pán)體左右及上下的肩部距P襯底邊緣縮進(jìn)lOum。
[0022]水平霍爾器件中的保護(hù)環(huán)包括P+保護(hù)環(huán)與有源保護(hù)環(huán)。P+保護(hù)環(huán)沿水平霍爾盤(pán)邊緣的正十字狀排布，寬度為lum，用于在霍爾盤(pán)與P襯底之間形成兩道反向二極管保護(hù)；有源保護(hù)環(huán)沿P襯底邊緣排布，寬度為3 um。
[0023]水平電極為四個(gè)多晶硅霍爾電極，分別設(shè)置于正十字叉形水平霍爾器件的左右及上下肩部，尺寸為8um*lum。[0024]四個(gè)垂直霍爾器件分別與水平霍爾器件的四個(gè)肩部對(duì)應(yīng)地設(shè)置于CMOS片上。每個(gè)垂直霍爾器件包括垂直霍爾盤(pán)、保護(hù)環(huán)、P襯底以及垂直電極。垂直霍爾盤(pán)按雙條狀并聯(lián)結(jié)構(gòu)設(shè)于P襯底上，保護(hù)環(huán)沿垂直霍爾盤(pán)的邊緣設(shè)置，電極均布于垂直霍爾盤(pán)上。
[0025]每個(gè)垂直霍爾器件中的兩個(gè)40um*8um的高參雜深度低N參雜濃度的垂直霍爾盤(pán)設(shè)置于50um*25umP型襯底的中心位置。
[0026]垂直霍爾器件中的保護(hù)環(huán)包括P+保護(hù)環(huán)與有源保護(hù)環(huán)。有源保護(hù)環(huán)沿P型襯底邊緣排布，寬度為I um。P+保護(hù)環(huán)沿每個(gè)垂直霍爾盤(pán)分布寬度為0.5 um。
[0027]垂直電極為八個(gè)多晶硅霍爾電極，每個(gè)垂直霍爾盤(pán)均布有四個(gè)多晶硅霍爾電極。
[0028]本實(shí)施例提供的三維霍爾器件的霍爾傳感單元可以實(shí)現(xiàn)從高斯到特斯拉范圍近似同點(diǎn)磁通量密度三維分量和磁通量密度B矢量的大小和方向的精確測(cè)量，集成三維霍爾器件的磁傳感器在輔助磁場(chǎng)的配合下可以實(shí)現(xiàn)精確的非接觸式距離測(cè)量和角度測(cè)量。三維霍爾傳感器通常在同一塊微小的半導(dǎo)體材料上實(shí)現(xiàn)水平和多個(gè)垂直方向的傳感單元，微型CMOS單芯片三維霍爾磁傳感器對(duì)磁傳感器向高精度、微型化、智能化、低成本方向發(fā)展具有重要意義。
【權(quán)利要求】
1.一種CMOS片上三維微型磁檢測(cè)傳感器的霍爾傳感單元，其特征在于包括至少一個(gè)用于檢測(cè)Z方向磁感應(yīng)分量的水平霍爾器件和若干個(gè)用于檢測(cè)X和Y方向磁感應(yīng)分量的垂直霍爾器件，所述水平霍爾器件與垂直霍爾器件通過(guò)分布組合的方式設(shè)于CMOS片上。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的CMOS片上三維微型磁檢測(cè)傳感器的霍爾傳感單元，其特征在于所述水平霍爾器件為一個(gè)，垂直霍爾器件為四個(gè)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的CMOS片上三維微型磁檢測(cè)傳感器的霍爾傳感單元，其特征在于所述水平霍爾器件包括呈正十字交叉形的水平霍爾盤(pán)、保護(hù)環(huán)、P襯底以及水平電極，所述水平霍爾盤(pán)設(shè)于P襯底上，所述保護(hù)環(huán)沿水平霍爾盤(pán)邊緣分布，所述水平電極均布于水平霍爾盤(pán)上。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的CMOS片上三維微型磁檢測(cè)傳感器的霍爾傳感單元，其特征在于所述水平霍爾盤(pán)設(shè)于大小為50um*50um的P襯底的中心位置，為低力度低N參雜，所述正十字叉形盤(pán)體的最長(zhǎng)和最寬部均分為40um，盤(pán)體左右及上下的肩部距P襯底邊緣縮進(jìn)IOum0
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的CMOS片上三維微型磁檢測(cè)傳感器的霍爾傳感單元，其特征在于所述保護(hù)環(huán)包括P+保護(hù)環(huán)與有源保護(hù)環(huán)，所述P+保護(hù)環(huán)沿水平霍爾盤(pán)邊緣的正十字狀排布，寬度為lum，用于在霍爾盤(pán)與P襯底之間形成兩道反向二極管保護(hù)；所述有源保護(hù)環(huán)沿P襯底邊緣排布，寬度為3 um。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的CMOS片上三維微型磁檢測(cè)傳感器的霍爾傳感單元，其特征在于所述水平電極為四個(gè)多晶硅霍爾電極，分別設(shè)置于正十字叉形水平霍爾器件的左右及上下肩部，尺寸為8um*lum。
7.根據(jù)權(quán)利要求2所述的CMOS片上三維微型磁檢測(cè)傳感器的霍爾傳感單元，其特征在于所述四個(gè)垂直霍爾器件分別與所述水平霍爾器件的四個(gè)肩部對(duì)應(yīng)地設(shè)置于CMOS片上，每個(gè)垂直霍爾器件包括垂直霍爾盤(pán)、保護(hù)環(huán)、P襯底以及垂直電極，所述垂直霍爾盤(pán)按雙條狀并聯(lián)結(jié)構(gòu)設(shè)于P襯底上，所述保護(hù)環(huán)沿垂直霍爾盤(pán)的邊緣設(shè)置，所述電極均布于垂直霍爾盤(pán)上。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的CMOS片上三維微型磁檢測(cè)傳感器的霍爾傳感單元，其特征在于兩個(gè)40um*8um的高參雜深度低N參雜濃度的垂直霍爾盤(pán)設(shè)置于50um*25umP型襯底的中心位置。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的CMOS片上三維微型磁檢測(cè)傳感器的霍爾傳感單元，其特征在于所述保護(hù)環(huán)包括P+保護(hù)環(huán)與有源保護(hù)環(huán)，所述有源保護(hù)環(huán)沿P型襯底邊緣排布，寬度為IUm ;所述P+保護(hù)環(huán)沿每個(gè)垂直霍爾盤(pán)分布寬度為0.5 um。
10.根據(jù)權(quán)利要求7所述的CMOS片上三維微型磁檢測(cè)傳感器的霍爾傳感單元，其特征在于所述垂直電極為八個(gè)多晶硅霍爾電極，每個(gè)垂直霍爾盤(pán)均布有四個(gè)多晶硅霍爾電極。
【文檔編號(hào)】G01R33/07GK103698721SQ201310738425
【公開(kāi)日】2014年4月2日 申請(qǐng)日期:2013年12月30日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月30日
【發(fā)明者】潘紅兵, 何書(shū)專, 李麗 申請(qǐng)人:南京大學(xué)