一种cmos片上三维微型磁检测传感器的霍尔传感单元的制作方法
【专利摘要】本发明涉及一种CMOS片上三维微型磁检测传感器的霍尔传感单元，其特征在于包括至少一个用于检测Z方向磁感应分量的水平霍尔器件和若干个用于检测X和Y方向磁感应分量的垂直霍尔器件，所述水平霍尔器件与垂直霍尔器件通过分布组合的方式设于CMOS片上。有益效果为：能够在100um*100um以内的芯片上以低成本实现精确测量某点磁通量密度B矢量的大小和方向；还能把信号调理电路与传感单元以最近的方式连接，对降低噪声和提高灵敏度极其有利；同时能把数字信号处理部分集成在同一芯片内。
【专利说明】—种CMOS片上三维微型磁检测传感器的霍尔传感单元
【技术领域】
[0001]本发明涉及三维微型磁检测传感器，尤其涉及一种CMOS片上三维微型磁检测传感器的霍尔传感单元。
【背景技术】
[0002]完整的单芯片三维磁传感器主要包括三维霍尔磁传感单元，信号调理单元以及数字信号处理单元三个部分。最前端的三维磁传感单元，利用霍尔效应的原理将外磁场的三维分量转换为对应的三个维度霍尔电势信号。由于cmos霍尔传感器产生的霍尔信号非常微弱，一般在几百μν至几十mV左右，而且受生产工艺的波动，传感器件内存在的参杂物质呈高斯分布和工作时的温度梯度以及芯片封装时产生的应力的影响，致使cmos霍尔传感器产生较严重的失调电压和低频噪声。对于微弱的霍尔电势信号来说，这些非理想因素甚至大到超过需要检测的霍尔电势信号。
[0003]动态实时精确测量某点磁通量密度B矢量的大小和方向一直是个难题，解决这个问题将大大提高磁传感器的测量精度和应用范围。实现动态实时精确测量某点磁通量密度B矢量的大小和方向的困难在于以下几点:(I)非正交误差问题，这需要将多个维度的磁传感器件几乎集中在一点。(2)传感器的失调、噪声、灵敏度及信号混叠问题。(3)传感器得到的测量值与需要的目标值间实时高精度换算问题。
【发明内容】
[0004]本发明目的在于克服以上现有技术之不足，提供一种CMOS片上三维微型磁检测传感器的霍尔传感单元，具体有以下技术方案实现:
所述CMOS片上三维微型磁检测传感器的霍尔传感单元，包括至少一个用于检测Z方向磁感应分量的水平霍尔器件和若干个用于检测X和Y方向磁感应分量的垂直霍尔器件，所述水平霍尔器件与垂直霍尔器件通过分布组合的方式设于CMOS片上。
[0005]所述CMOS片上三维微型磁检测传感器的霍尔传感单元的进一步设计在于，所述水平霍尔器件为一个，垂直霍尔器件为四个。
[0006]所述CMOS片上三维微型磁检测传感器的霍尔传感单元的进一步设计在于，所述水平霍尔器件包括呈正十字交叉形的水平霍尔盘、保护环、P衬底以及水平电极，所述水平霍尔盘设于P衬底上，所述保护环沿水平霍尔盘边缘分布，所述水平电极均布于水平霍尔盘上。
[0007]所述CMOS片上三维微型磁检测传感器的霍尔传感单元的进一步设计在于，所述水平霍尔盘设于大小为50um*50um的P衬底的中心位置，为低力度低N参杂，所述正十字叉形盘体的最长和最宽部均分为40um，盘体左右及上下的肩部距P衬底边缘缩进lOum。
[0008]所述CMOS片上三维微型磁检测传感器的霍尔传感单元的进一步设计在于，所述保护环包括P+保护环与有源保护环，所述P+保护环沿水平霍尔盘边缘的正十字状排布，宽度为lum，用于在霍尔盘与P衬底之间形成两道反向二极管保护；所述有源保护环沿P衬底边缘排布，宽度为3 um。
[0009]所述CMOS片上三维微型磁检测传感器的霍尔传感单元的进一步设计在于，所述水平电极为四个多晶硅霍尔电极，分别设置于正十字叉形水平霍尔器件的左右及上下肩部，尺寸为8um*lum。
[0010]所述CMOS片上三维微型磁检测传感器的霍尔传感单元的进一步设计在于，所述四个垂直霍尔器件分别与所述水平霍尔器件的四个肩部对应地设置于CMOS片上，每个垂直霍尔器件包括垂直霍尔盘、保护环、P衬底以及垂直电极，所述垂直霍尔盘按双条状并联结构设于P衬底上，所述保护环沿垂直霍尔盘的边缘设置，所述电极均布于垂直霍尔盘上。
[0011]所述CMOS片上三维微型磁检测传感器的霍尔传感单元的进一步设计在于，两个40um*8um的高参杂深度低N参杂浓度的垂直霍尔盘设置于50um*25umP型衬底的中心位置。
[0012]所述CMOS片上三维微型磁检测传感器的霍尔传感单元的进一步设计在于，所述保护环包括P+保护环与有源保护环，所述有源保护环沿P型衬底边缘排布，宽度为I um;所述P+保护环沿每个垂直霍尔盘分布宽度为0.5 um。
[0013]所述CMOS片上三维微型磁检测传感器的霍尔传感单元的进一步设计在于，所述垂直电极为八个多晶硅霍尔电极，每个垂直霍尔盘均布有四个多晶硅霍尔电极。
[0014]本发明的优点如下:
本发明的基于CMOS片上三维霍尔磁传感器的霍尔传感单元能够在100um*100um以内的芯片上以低成本实现精确测量某点磁通量密度B矢量的大小和方向；还能把信号调理电路与传感单元以最近的方式连接，对降低噪声和提高灵敏度极其有利；同时能把数字信号处理部分集成在同一芯片内。
【专利附图】
【附图说明】
[0015]图1分布组合式三维霍尔器件结构图。
[0016]图2 CMOS水平霍尔器件结构图。
[0017]图3 CMOS垂直霍尔器件结构图。
【具体实施方式】
[0018]下面结合附图对本发明方案进行详细说明。
[0019]本实施例提供的CMOS片上三维微型磁检测传感器的霍尔传感单元，包括一个用于检测Z方向磁感应分量的水平霍尔器件和四个用于检测X和Y方向磁感应分量的垂直霍尔器件，水平霍尔器件与垂直霍尔器件通过分布组合的方式设于CMOS片上。
[0020]水平霍尔器件包括呈正十字交叉形的水平霍尔盘、保护环、P衬底以及水平电极。
[0021]水平霍尔盘设于大小为50um*50um的P衬底的中心位置，为低力度低N参杂，正十字叉形盘体的最长和最宽部均分为40um，盘体左右及上下的肩部距P衬底边缘缩进lOum。
[0022]水平霍尔器件中的保护环包括P+保护环与有源保护环。P+保护环沿水平霍尔盘边缘的正十字状排布，宽度为lum，用于在霍尔盘与P衬底之间形成两道反向二极管保护；有源保护环沿P衬底边缘排布，宽度为3 um。
[0023]水平电极为四个多晶硅霍尔电极，分别设置于正十字叉形水平霍尔器件的左右及上下肩部，尺寸为8um*lum。[0024]四个垂直霍尔器件分别与水平霍尔器件的四个肩部对应地设置于CMOS片上。每个垂直霍尔器件包括垂直霍尔盘、保护环、P衬底以及垂直电极。垂直霍尔盘按双条状并联结构设于P衬底上，保护环沿垂直霍尔盘的边缘设置，电极均布于垂直霍尔盘上。
[0025]每个垂直霍尔器件中的两个40um*8um的高参杂深度低N参杂浓度的垂直霍尔盘设置于50um*25umP型衬底的中心位置。
[0026]垂直霍尔器件中的保护环包括P+保护环与有源保护环。有源保护环沿P型衬底边缘排布，宽度为I um。P+保护环沿每个垂直霍尔盘分布宽度为0.5 um。
[0027]垂直电极为八个多晶硅霍尔电极，每个垂直霍尔盘均布有四个多晶硅霍尔电极。
[0028]本实施例提供的三维霍尔器件的霍尔传感单元可以实现从高斯到特斯拉范围近似同点磁通量密度三维分量和磁通量密度B矢量的大小和方向的精确测量，集成三维霍尔器件的磁传感器在辅助磁场的配合下可以实现精确的非接触式距离测量和角度测量。三维霍尔传感器通常在同一块微小的半导体材料上实现水平和多个垂直方向的传感单元，微型CMOS单芯片三维霍尔磁传感器对磁传感器向高精度、微型化、智能化、低成本方向发展具有重要意义。
【权利要求】
1.一种CMOS片上三维微型磁检测传感器的霍尔传感单元，其特征在于包括至少一个用于检测Z方向磁感应分量的水平霍尔器件和若干个用于检测X和Y方向磁感应分量的垂直霍尔器件，所述水平霍尔器件与垂直霍尔器件通过分布组合的方式设于CMOS片上。
2.根据权利要求1所述的CMOS片上三维微型磁检测传感器的霍尔传感单元，其特征在于所述水平霍尔器件为一个，垂直霍尔器件为四个。
3.根据权利要求2所述的CMOS片上三维微型磁检测传感器的霍尔传感单元，其特征在于所述水平霍尔器件包括呈正十字交叉形的水平霍尔盘、保护环、P衬底以及水平电极，所述水平霍尔盘设于P衬底上，所述保护环沿水平霍尔盘边缘分布，所述水平电极均布于水平霍尔盘上。
4.根据权利要求3所述的CMOS片上三维微型磁检测传感器的霍尔传感单元，其特征在于所述水平霍尔盘设于大小为50um*50um的P衬底的中心位置，为低力度低N参杂，所述正十字叉形盘体的最长和最宽部均分为40um，盘体左右及上下的肩部距P衬底边缘缩进IOum0
5.根据权利要求4所述的CMOS片上三维微型磁检测传感器的霍尔传感单元，其特征在于所述保护环包括P+保护环与有源保护环，所述P+保护环沿水平霍尔盘边缘的正十字状排布，宽度为lum，用于在霍尔盘与P衬底之间形成两道反向二极管保护；所述有源保护环沿P衬底边缘排布，宽度为3 um。
6.根据权利要求5所述的CMOS片上三维微型磁检测传感器的霍尔传感单元，其特征在于所述水平电极为四个多晶硅霍尔电极，分别设置于正十字叉形水平霍尔器件的左右及上下肩部，尺寸为8um*lum。
7.根据权利要求2所述的CMOS片上三维微型磁检测传感器的霍尔传感单元，其特征在于所述四个垂直霍尔器件分别与所述水平霍尔器件的四个肩部对应地设置于CMOS片上，每个垂直霍尔器件包括垂直霍尔盘、保护环、P衬底以及垂直电极，所述垂直霍尔盘按双条状并联结构设于P衬底上，所述保护环沿垂直霍尔盘的边缘设置，所述电极均布于垂直霍尔盘上。
8.根据权利要求7所述的CMOS片上三维微型磁检测传感器的霍尔传感单元，其特征在于两个40um*8um的高参杂深度低N参杂浓度的垂直霍尔盘设置于50um*25umP型衬底的中心位置。
9.根据权利要求7所述的CMOS片上三维微型磁检测传感器的霍尔传感单元，其特征在于所述保护环包括P+保护环与有源保护环，所述有源保护环沿P型衬底边缘排布，宽度为IUm ;所述P+保护环沿每个垂直霍尔盘分布宽度为0.5 um。
10.根据权利要求7所述的CMOS片上三维微型磁检测传感器的霍尔传感单元，其特征在于所述垂直电极为八个多晶硅霍尔电极，每个垂直霍尔盘均布有四个多晶硅霍尔电极。
【文档编号】G01R33/07GK103698721SQ201310738425
【公开日】2014年4月2日 申请日期:2013年12月30日 优先权日:2013年12月30日
【发明者】潘红兵, 何书专, 李丽 申请人:南京大学