专利名称：具有分割的场效应板的霍尔元件的制作方法
技术领域：
本发明涉及霍尔元件，尤其涉及一种具有分割的场极板的霍尔元件。
背景技术：
当承载电流的导体被放置在磁场中时霍尔效应发生。根据磁场和电流的矢量积，产生电压。可以象惠斯通电桥一样制作基于霍尔效应工作的传感器。在典型霍尔元件设计中，导电的场极板被固定到绝缘层上的导体上。场极板有用于控制局部表面感应电荷偏移的静态偏置。
发明内容
一种霍尔元件带有分割的场极板。动态偏置控制被施加到场极板上。在一个实施例中，反馈信号来源于霍尔元件的放大的输出。为了控制在特定局部区域内的片电导率，反馈信号被施加到该场极板的各个部分。
在一个实施例中，通过使充当惠斯通电桥的霍尔元件的电导失去平衡而提供霍尔效应磁响应的叠加模拟。在一个实施例中，场极板的各个部分构成两个场极板，每一个覆盖霍尔元件的两个对角相邻的象限。在另一个实施例中，金属场极板沿着霍尔元件的偏置和感应触点之间的线被分割成四个部分。相对的对角部分电连接。
图1是根据本发明的一个实施例的带有分割的场极板的霍尔传感器的概略框图。
图2是根据本发明的一个实施例的带有分割的场极板的霍尔传感器的截面框图。
图3是根据本发明的一个实施例的霍尔传感器布局的顶视图。
具体实施例方式
在下面的描述中，参考构成描述的组成部分的附图，图中通过图解说明的方式说明了可实现本发明的具体实施例。这些实施例描述得足够详细以使本领域的技术人员能够实现本发明，且应该理解，在不脱离本发明的范围的前提下，其它实施例也可以采用并且可以作出结构、逻辑和电气上的变化。因此，下面的描述并不用作限定意义，本发明的范围由所附的权利要求所确定。
图1中在100示出霍尔传感器。霍尔传感器100包括通常为正方形的导电霍尔元件110。偏置触点115和120耦合到电源125和地130以向霍尔元件110施加偏置。偏置触点在霍尔元件的相对角上形成以将霍尔元件电耦合到电源和地。地130用于吸收来自霍尔元件110的电流。
感应触点135和140在霍尔元件110的相对角上形成。感应触点135和140耦合到差分放大器155的正和负输入端145和150。
分割或分区的场极板由四个部分或分区160、165、170和175构成。在一个实施例中，这些部分基本上呈三角形，每一部分形成于霍尔元件110的由偏置触点和感应触点之间的线所描绘的分开象限上。相对的对角部分由互连180和185电连接。位于霍尔元件的电压源侧的偏置触点之间的线的相对侧的两个部分160和165被耦合到差分放大器155的正输出190和负输出195以提供动态反馈给分割的场极板。
图2中在200示出霍尔传感器的截面表示。一个实施例中的霍尔元件240包括P型基板215上的薄的N型掺杂外延层210和240。在一个实施例中，由二氧化硅(SiO2)构成的绝缘层220位于N型外延层210和240之上。场极板由绝缘层220之上的导电层225构成。在一个实施例中，导电层225由铝构成。在一个实施例中，绝缘层大约有5000埃厚，但也可以视需要而定更厚一些或更薄一些。更薄的层可以提供较强的场效应，和图1中的差分放大器155的较高增益放大具有一样的效果。放大器增益一般在200～500范围内。极板部分越小，绝缘层越厚，或者降低的放大器增益也可以用于减小敏感度。
场极板的各部分和电互连通过选择性地除去导电层225的一些区域而被彼此隔离。霍尔元件240在N型外延层210和240中由朝着P型基底215向下扩展到N型外延层的P型掺杂区230所确定。在一个实施例中，P型掺杂的隔离区扩展到P型基底215一段足够的距离以将霍尔元件240与其他N型外延区210隔离。还可以提供隔离各个部分的其他装置。在一个实施例中，到霍尔元件240的电阻性触点由重N型掺杂区235提供。包括电互连的导电层225的一些区域具有由到霍尔元件触点235的绝缘层220中的开口和隔离区230形成的导电路径。
霍尔元件通常因为表面氧化物的准稳态(Qss)而在其表面上具有N型累积层。金属场极板的各个部分位于这个表面氧化层之上。这种结构可以象包括N沟道耗尽型金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)的惠斯通电桥一样建模，其中金属场极板的各个部分作为金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)栅极。改变金属场极板的各个部分上的偏置会改变表面累积层的厚度，并改变N型硅的片电导率。代表惠斯通电桥的电阻支路的霍尔元件的各个象限由施加于场极板各个部分上的电压电位来调制。场极板的对角部分由霍尔电压的放大形式来差分驱动，该霍尔电压具有的极性使得在霍尔电压和叠加的场感生电压之间获得正强化。正反馈量由场极板和霍尔感应端子之间的差分增益控制。对于小的差分增益，磁响应性增加。当差分放大器增益和差分场感生电压传递率的积大于或者等于1时，会产生锁定。
在锁定功能中，可以通过限制差分放大器输出的动态范围来控制滞后。
为了避免振荡，驱动场极板的各个部分的差分放大器应该具有模拟积分器的形式。这样，无限大增益条件会在原点产生极点并且不会导致不稳定。所得到的电路将会从高增益状态向没有振荡的锁定状态平稳转变。
这种正反馈的应用将不会改变霍尔元件的基本敏感性，因为噪声(偏移)和磁响应被同等地放大。然而，正反馈将导致磁敏感度的显著增加，对于大的反馈，将产生磁性闩锁。
图3中在300示出一个包括分割的场极板的霍尔传感器的典型布局。图3中的编号与图1中的编号一致。霍尔元件的偏置触点115、120分别通过导体312和315耦合到触点焊盘305和310。同样，感应触点135、140分别通过导体325和328耦合到感应触点焊盘320和322。相对的场极板部分160和175通过围绕在布局外围的导体335相互耦合，并耦合到触点焊盘337。
相对的分割的场极板165和170通过与场极板相同材料构成的直接连接340电耦合。部分165和170也可以通过导体344耦合到触点焊盘342。在一个实施例中，导体也可以由与场极板部分相同的材料构成。在一个实施例中，使用标准集成电路工艺制造霍尔传感器。金属互连层被形成图案以定义各个场极板并提供到其他电路元件的电连接。
在各种实施例中，场极板可以覆盖基本上整个霍尔元件，但应该至少部分在电气上彼此隔离。在另外的实施例中，极少的霍尔元件被场极板的每一个覆盖。在又一些实施例中，多于四个的场极板部分可以被使用并且它们之间的电连接可以在各种实施例中被不同地配置。
结论一个用于霍尔元件的场极板被分成多个独立的极板。动态偏置控制通过使用来源于霍尔元件的放大输出的反馈信号而被施加于场极板上。该反馈控制特定局部区域内霍尔元件的片电导率。在一个实施例中，通过使作用就象惠斯通电桥的霍尔元件的电导率失去平衡而提供霍尔效应磁响应的叠加模拟。在低等级正反馈的条件下，整个磁敏感性被加强并且保持线性。超过临界等级时，正反馈产生具有滞后的锁定作用。为了复位锁定，可以使用强的相反磁场。在另外的实施例中，通过使用开关除去反馈或者反转反馈的极性来用于复位锁定。在另外的实施例中，感应触点被可控地短路在一起来复位锁定。动态偏置控制可以以模拟输出或者数字输出施加于传感器。高增益放大和施密特触发器功能可以使用更少的电路元件来实现。
在一个实施例中，到场极板的负反馈可以被用来改善放大响应的线性。
权利要求
1.一种霍尔传感器，包括由基底支撑的霍尔元件；布置在霍尔元件之上的绝缘层；以及位于霍尔元件之上的分割的场极板。
2.如权利要求1所述的霍尔传感器，还包括霍尔元件的感应输出和分割的场极板之间的反馈连接。
3.如权利要求2所述的霍尔传感器，还包括耦合到霍尔元件的感应输出和分割的场极板之间的反馈连接的放大器。
4.如权利要求3所述的霍尔传感器，其中反馈使霍尔传感器充当锁存器。
5.如权利要求3所述的霍尔传感器，其中反馈引起霍尔传感器的线性响应。
6.如权利要求1所述的霍尔传感器，其中分割的场极板包括四个部分。
7.如权利要求6所述的霍尔传感器，其中霍尔元件基本上呈矩形并且各个部分被布置在由霍尔元件的对角之间延伸的线所定义的四个分开的象限内。
8.如权利要求7所述的霍尔传感器，其中相对的对角部分电连接。
9.如权利要求8所述的霍尔传感器，其中霍尔元件包括正偏置角、负偏置角、正感应角、负感应角，其中差分反馈信号被提供给成对的电连接的、对角相对的部分。
10.如权利要求1所述的霍尔传感器，其中分割的场极板包括两个部分。
11.如权利要求10所述的霍尔传感器，其中霍尔元件基本上呈正方形并且所述部分基本上各覆盖霍尔元件的两个对角相邻的象限。
12.一种霍尔传感器，包括由基底支撑的霍尔元件；布置在霍尔元件之上的绝缘层；位于霍尔元件之上的分割的场极板；以及用于施加动态偏置控制给分割的场极板的装置。
13.一种霍尔传感器，包括由基底支撑的霍尔元件，其中所述霍尔元件具有一对感应输出；布置在霍尔元件之上的绝缘层；位于霍尔元件之上的分割的场极板；以及耦合到霍尔元件的感应输出的放大器，所述放大器具有耦合到分割的场极板的输出。
14.如权利要求13所述的霍尔传感器，其中所述放大器包括全差分放大器。
15.如权利要求14所述的霍尔传感器，其中所述放大器具有大约在200和500之间的增益。
16.一种霍尔传感器，包括由基底支撑的矩形霍尔元件，其中所述霍尔元件在相对的角上具有一对感应输出并且在相对的角上具有一对偏置输出；布置在霍尔元件之上的绝缘层；位于霍尔元件的分开象限上的四向(four way)分割的场极板，所述象限由相对的角之间的线来定义，其中对角相对的场极板电耦合；以及耦合到霍尔元件的感应输出的放大器，所述放大器具有耦合到分割的场极板的输出。
17.如权利要求16所述的霍尔传感器，其中所述霍尔元件包括正偏置角、负偏置角、正感应角和负感应角，其中来自所述放大器的差分反馈信号被提供给成对的电连接的、对角相对的部分。
18.一种霍尔传感器，包括由基底支撑的霍尔元件；布置在霍尔元件之上的绝缘层；位于霍尔元件之上的分割的场极板，其中各个部分在电气上彼此隔离；以及在霍尔元件的感应输出和分割的场极板之间的反馈连接。
19.如权利要求18所述的霍尔传感器，其中所述霍尔元件由P型掺杂的基底支撑的N型掺杂的半导体层构成。
20.如权利要求19所述的霍尔传感器，其中所述绝缘层包括二氧化硅。
21.一种形成霍尔传感器的方法，所述方法包括形成霍尔元件；在所述霍尔元件之上形成绝缘层；在所述绝缘层之上形成分割的导电板以明显覆盖所述霍尔元件；以及形成为所述霍尔元件提供动态偏置控制的导体。
22.一种方法，包括将霍尔元件上的场极板分割；在电气上将场极板的各个部分彼此隔离；以及提供反馈给从所述霍尔元件的感应触点选择的部分。
23.如权利要求22所述的方法，其中所述反馈是正反馈。
24.如权利要求23所述的方法，还包括放大所述反馈以引起所述霍尔元件的锁存。
25.如权利要求23所述的方法，还包括放大所述反馈以增强磁响应性并保持线性。
26.如权利要求22所述的方法，其中所述反馈是负反馈。
27.如权利要求26所述的方法，还包括控制所述反馈以增强线性。
全文摘要
霍尔元件(110)带有分割的场效应板(160、165、170、175)。将动态偏置控制施加到该场效应板的各部分。在一个实施例中，反馈信号来源于霍尔元件的已放大输出。为了控制阴极特定局部区域的片电导率而将反馈信号施加到该场效应板的各部分。在一个实施例中，金属场效应板沿着霍尔元件的偏置和感应触点之间的线被分割成四个部分。相对的对角部分电连接。
文档编号G01R33/07GK1942775SQ200580011326
公开日2007年4月4日 申请日期2005年4月14日 优先权日2004年4月16日
发明者W·T·基利安, J·R·比亚德 申请人:霍尼韦尔国际公司