一种无触点的集成垂直霍尔器件

一种无触点的集成垂直霍尔器件

0磁敏角度传感器角度和角度位移传感器是应用于仪表测量、工业自动化、信号检测、航空航天航天等领域的重要传感器。就半导体磁敏角度传感器的研究现状而言,从工作原理来分主要有三类:一维型:即当被测物发生移动、转动时,永久磁铁的磁场在磁敏器件表面上的垂直分量Bz发生变化。于是磁敏器件输出的电信号相应地变化,从而得到被测物的角位移量。这类磁敏角度传感器的主要代表有两种:一是电阻型(主要是InSb-NiSb半导体磁阻元件)磁传感器。这类角度传感器灵敏度较高,但温度性能较差,而且与标准的集成电路工艺不兼容,难以实现传感器的集成化、功能化;二是霍尔板型角度传感器,如国产的HJC231W等。但这一类角度传感器主要缺点是不能实现0°~360°范围的角度测量,体积大、功耗大;二维型:即对平行于芯片表面的磁场两个分量Bx,By敏感,其主要代表有集成磁罗盘(包含两个垂直霍尔板单元)、二维磁敏晶体管角度传感器(包含二维的集成横向P-N-P磁敏晶体管单元结构)等;三维型:测量空间任意一点磁场的三维磁矢分量,其主要代表有3-D磁敏晶体管结构、3-D垂直与平行霍尔板组合结构、3-D微机械霍尔磁场敏感器结构等。以上列举的半导体磁敏角度传感器种类虽多,但其中大多数尚未进入实用阶段。为了实现磁场矢量角度测量,首先需要一种敏感区域小、热零点漂移小、失调小且能与标准集成电路工艺兼容的两维磁传感器;其次还需要一种与这种传感器件接口的信号处理系统,从而实现无触点的无损角度测量,这些正是本文的研究目的。1器件结构和材料特性设计的垂直霍尔板结构的传感器HS-MH01是一种十字形两维角度传感器,其截面图和局部版图如图1和图2所示。图1中,SL和SR是一对霍尔电压输出电极,CC和CS是一对电流注入电极。R电极提供P阱的反偏电压,使得P阱与衬底隔离,成为独立的垂直霍尔板,减少衬底电流、提高磁场相对灵敏度。图2中央米字形区为电流注入电极CC,其近邻正方形的四条边分别构成对外加磁场Bx,By分量敏感的两对霍尔电压输出电极(上、下边为一对,左、右边为一对)。霍尔电压输出电极的外圈的四条边在最终版图上是并联在一起成为电流的流出电极CS。芯片尺寸为1.40mm×1.40mm,磁场敏感区面积为150μm×150μm,采用一种改进的CMOS工艺制造,采用3~5Ω·cm的(100)N型硅片,N型硅衬底的分子浓度为1015?cm-3,深扩散的P阱包围在有效的垂直交叉的两对霍尔板四周,P型阱的深度(Xjp)为12μm,N+扩散区的深度(Xjn)为1.5μm。可以认为垂直霍尔板的实际有限厚度(t)约为?12μm。器件的表面还添加了P扩散区,由于电子的侧壁注入抑制效应可迫使从N扩散区发出的大多数电子垂直向下流动,以提高磁场灵敏度。此外,器件的表面上方覆盖着一层薄的氧化层,其上又有一层铝金属层,这是为了与常规CMOS工艺相兼容,可以减少表面电荷。2角度测量的测量精度实际测量系统的结构图如图3所示。测量结构中所使用的磁铁是钕—铁—硼(Nd-Fe-B)合金材料,其直径为4~6mm,磁场强度为0.1~0.15T,磁力线方向为径向。注意到这时所选用的小磁柱直径可大一些,因为现在是利用与芯片测量表面平行的磁力线达到测量两维角度的目的。但径向磁铁四周的磁场强度并不完全相等,以及径向磁铁表面并不完全与传感器表面平行、径向磁铁的轴心难以对准传感器敏感区的中央位置等机械偏离原因,角度测量精度不高(据国外文献报道:不加数据处理的角度传感器测量精度优于3.6°)。此外,为了能把被测物件的转角值直接输出(或打印机输出),都必须有一个角度测量的微机处理系统。该系统由硬件和软件两部分构成。2.1a/d转换电路系统硬件包括HS-MH01传感器、恒流源(2~4mA)和放大器、A/D卡、PC机四部分。(1)传感器通过径向永久磁铁媒介进行角度θ的非接触式测量,输出sinθ和cosθ两路模拟信号;(2)用恒流源和放大器(也可以外接,如:AD620)对角度传感器偏置及输出信号放大(约放大数十倍);(3)用A/D卡,使模拟信号转换为数字信号。本项目选用PC-6330D模入接口卡是因为它适用于IBM-PC各种系列原装机及兼容机,也适用于对接口卡有严格要求的便携机。使用时只需将接口卡插入机内任何一个总线扩展槽中即可。其输入通道数:单端16路;A/D转换分辨率:12位;A/D转换时间:10μs;(4)PC机对采集的信号进行处理,输出角度值。2.2软件完成角度变换处理(1)读取a-d数据，并使用子函数getdata向量完成该函数以一个整形变量,A/D卡的通道数为参数,返回的也是一个整形变量;(2)从获得的数据开始首先是运算sinθ/cosθ求出tgθ,再利用θ=arctgθ求出被测角度,再减去一个0°所对应的初始值;(3)输出电压的测量这是由于机械位置对准偏差、失调电压的影响,在某些角度范围偏差较大,需用折线法修正。两维垂直霍尔板器件的两路输出电压Vx、Vy(与角度成正弦、余弦关系)通过数据采集电路经A/D转换后进入PC机。根据被测量角度与两维垂直霍尔板器件的输出电压的运算关系,即θ=arctg(Vx/Vy),由PC机根据采集进入的两路数据计算得到被测量角θ。整个测量系统可以达到全360°的无盲角1°的测量精度。3测量系统的比较两维垂直霍尔角度传感器HS-MH014个霍尔电极电压输出定义为VH(A)、VH(B)、VH(C)、VH(D),其中VH(A)和VH(C)为测量磁场Bx分量的一对;VH(B)和VH(D)为测量磁场By分量的另一对。而输出霍尔电压Vx=VH(A)-VH(C)、Vy=VH(B)-VH(D),与小磁铁转角θ之间的关系测试结果如图4所示。由图4得到,输出电压Vx、Vy与小磁铁转角θ之间呈现正弦、余弦关系,而且Vx与Vy相位恰好相差90°。霍尔角度传感器HS-MH01+接口电路+PC机组成了非接触式测量系统。以小马达转轴的转角位置测量为例,把刻度盘与小磁铁固定在小马达的转轴上,将刻度盘的转角值与PC机打印输出的实测角度值进行比较。表1给出了实测数据。从表1可见测量系统的角度偏差值均在±0.6°以内,这个角度偏差值就是测量系统的测量精度。对实际流片的结果,进行了测量和分析。两维霍尔板磁敏角度传感器HS-MH01的最小工作电压5V,工作电流2~4mA,阱保护电压0~10V,工作温度-20~80℃,输入阻抗2kΩ,输出阻抗8kΩ,芯片灵敏度为100mV/mA·T,失调电压≤5mV,输出电压温度系数为0.6%FS/℃。4输出电压vx、vy测量原理研究的垂直霍尔板构成的两维角度传感器HS-MH01是一种性能优越的360°非接触式两维角度测量器件。其两路输出分别与小磁铁转角之间呈现正弦、余弦关系,而且相位恰好相差90°,被测量角度θ与两路输出电压Vx、