一种集成霍尔磁传感器封装应力补偿电路和方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种对集成霍尔磁传感器封装应力进行补偿和消除的电路和方法，属 于传感器技术领域。
【背景技术】
[0002] 霍尔传感器是一种基于霍尔效应的磁电转换元件，凭借其工艺简单、体积小、生产 成本低、安装简便、工作电压范围宽、使用寿命长、测量精度高以及防尘、防油等优点，已经 广泛地应用到工业变频控制、交通运输、医疗系统、电子消费品和各类智能仪表等领域。
[0003] 但是由于很多原因，霍尔传感器会受到应力的影响并最终使传感器性能发生较明 显的变化。例如:在晶圆制造工艺、封装过程、将封装片焊接到电路板的过程、塑料密封模块 的注塑过程以及外部应力等等。在诸多原因中，封装应力最为常见，封装应力不仅会通过压 阻效应使霍尔片产生与应力相关的失调，而且产生的压电效应会使霍尔传感器的灵敏度发 生相应的变化，影响霍尔传感器的正常工作。
[0004] 应力补偿电路可以采用数字电路技术，即：预先将机械应力引起的霍尔信号变化 存入存储器中，将产生的霍尔信号与其相减以消除压电效应的影响。这种方法操作简便，无 需引入复杂的电路，但是，其缺点是如果预先存储的数据不完善，最终补偿的效果将不太理 想。而本发明采用基于模拟电路技术的应力补偿电路，能够很好地解决上面的问题。
【发明内容】
[0005] 本发明目的在于解决了上述现有技术的不足，提出了一种集成霍尔磁传感器封装 应力补偿电路，该电路结构简单，容易实现，能够有效地消除集成霍尔传感器封装应力对磁 场灵敏度的影响。
[0006] 本发明解决其技术问题所采取的技术方案是:针对集成霍尔传感器封装应力产生 的压电效应对霍尔片磁场灵敏度的影响，本发明提出了一种基于模拟信号技术的封装应力 补偿电路，整体电路包括应力检测电路、偏置电路以及应力补偿电路，整体电路结构示意图 如图1所示。应力检测电路包括应力传感器、差分-差分放大器(DDA)和模数转换器(ADC)。偏 置电路包括基准电流、镜像电流源、比例微电流源。应力传感器和霍尔传感器集成在同一芯 片上，产生与封装应力成正比的微弱的电信号，与应力传感器的失调消除信号起传输 到DDA，经DDA放大后输入ADC进行信号的模数转换，转换后的数字信号接入应力补偿电路并 控制应力补偿电流的大小与极性，产生的应力补偿电流与偏置电流Ιο-起输入霍尔器件， 最终抵消霍尔器件受封装应力的影响。
[0007] 本发明所述的偏置电路如图2所示，偏置电路包括基准电流源10、6个MOS管(匪1、 匪2、匪3、匪4、ΡΜ1、ΡΜ2)和一个可变电阻R3。匪1的漏极与电流源1〇相连，匪1的漏极电流为 1〇,匪2与匪1的栅极互相连接形成镜像电流源，匪2的漏极电流均为1〇,匪3与匪1的栅极互相 连接，匪3的源极与可变电阻R3连接，形成比例微电流源，匪3的漏极电流通过调节可变电阻 R3后等于Im( Im= I(AVstre3SSM，Ιμ为最大补偿电流，λ为应力补偿系数，VstosSM是最大可测应力 的大小）。匪2的漏极与霍尔片的一端相连，PM1的漏极电流等于Im，PM2与PM1的栅极互相连 接形成电流镜，PM2的漏极电流为Im，匪4的漏极与PM2的漏极连接，匪4的漏极电流为Im。匪3 的源极通过可变电阻R3与地GND连接，匪1、匪2、匪4的源极与地GND连接，PM 1、PM2的源极与 电源VDD连接。
[0008] 本发明所述的应力检测电路如图3所示，应力检测电路包括4个应力检测电阻(两 个Rn和两个Rp，其中Rn是η型掺杂电阻，Rp是P型掺杂电阻）、具有负反馈环路的差分-差分运 算放大器(DDA)、模数转换器(ADC)、6个反相器(Invl、Inv2、Inv3、Inv4、Inv5、Inv6)。4个应 力检测电阻(两个Rn、两个Rp)分布在霍尔片的周围，能准确测量霍尔片受到的应力，4个应 力检测电阻组成回路的四个连接点中两点接偏置电压与地GND，另外两点作为输出的应力 电压Vstress接差分-差分运算放大器(DDA)的一对差分输入端，DDA另外一对输入接应力检测 器的失调补偿电压Voff，DDA通过R1、R2组成的回路形成负反馈放大器，放大倍数由R1、R2的 值确定。DDA的输出端接模数转换器(ADC)，将消除失调的应力信号放大一定倍数后送入 ADC，模数转换器最终将放大的应力信号转换为数字信号。6比特ADC的输出信号为X、a、b、c、 d、e、f，其中X表示输出信号的极性。信号a、b、c、d、e、f分别经反相器Invl、Inv2、Inv3、Inv4、 11^5、11^6输出反信号 &.、：石、.(；、5.、.0.、.？。
[0009] 本发明所述的应力补偿电路如图4所示，应力补偿电路包括12个M0S管(匪5、匪6、 匪7、匪8、NM9、匪10、PM3、PM4、PM5、PM6、PM7、PM8)、12个开关管（6个匪0S开关管KN1、KN2、 題3、題4、題5、咖6和6个？]?05开关管砑1、砑2、砑3、砑4、砑5、砑6)和2个传输门〇61和丁62， TG1是PM0S传输门，TG2是匪0S传输门）。PM3、PM4、PM5、PM6、PM7、PM8的栅极与PM2的栅极连 接，PM3、PM4、PM5、PM6、PM7、PM8的漏极通过PM0S传输门TG1与霍尔片的一端连接，PM3、PM4、 PM5、PM6、PM7、PM8 的源极分别通过 PM0S 开关管与电源VDD 连接，NM5、NM6、NM7、NM8、NM9、NM10 的栅极与NM4的栅极连接，NM5、NM6、NM7、NM8、NM9、NM10的漏极通过NM0S传输门TG2与霍尔片 的一端连接，NM5、NM6、NM7、NM8、NM9、NM10的源极分别通过NM0S开关管与地GND连接。信号 S、石、[、5、5、F分别连接开关管砑1、1032、砑3、砑4、即5、即6的栅极，信号&、13、。、(1、6、 f分别连接开关管KN1、KN2、KN3、KN4、KN5、KN6的栅极。
[0010]如图5所示，本发明还提供了一种集成霍尔磁传感器封装应力补偿电路的设计方 法，该方法实现原理与流程包括:其实现原理是，霍尔片受封装应力影响后会产生压电效 应，压电效应使霍尔片的磁场灵敏度S。发生变化(理想情况下，磁场灵敏度是恒定不变的）， 为了消除这种变化，引入应力电压V sta3ss，根据灵敏度补偿公式Sc^zSXl+AVst^)进行补 偿(λ为补偿系数），补偿后的灵敏度将不随应力发生变化。但是由于磁场灵敏度不能直 接补偿，于是将磁场灵敏度补偿转化为霍尔片偏置电流的补偿，根据灵敏度补偿公式 = S(J( l+AVstress)类推出电流补偿公式Iplate= Iq( l+xvstress)，IplatA流经霍尔片的电流，Ιο 为偏置电流。根据电流补偿公式得到新的霍尔片偏置电流为ΙΡι_，因此需要引入的应力补 偿电流为IdcAVstrw。电路设计上，只需将输出电流为的补偿电路连接到霍 尔片的输入电流支路，就能消除磁场灵敏度的变化。根据该原理提出的设计方法流程是:首 先由应力检测电路检测出霍尔片受到的封装应力V stress，Vstress经过运算放大器放大后的信 号输入模数转换器，转换后的数字信号接入应力补偿电路并控制应力补偿电流的大小与极 性，产生的应力补偿电流I。与偏置电流Ιο-起输入霍尔器件，最终消除霍尔器件中封装应力 产生的电流。
[0011] 有益效果：
[0012] 1、本发明的应力补偿方法简单，易于实现，能够有效地消除集成霍尔传感器封装 应力对失调电压和磁场灵敏度的影响。
[0013] 2、本发明提出的应力补偿电路能根据封装应力的大小产生精确的可调节的补偿 电流，能够有效消除压电效应对霍尔器件磁场灵敏度的影响，提高集成霍尔传感器的可靠 性。
[0014] 3、本发明提出的应力补偿电路可广泛应用于各种CMOS集成霍尔磁传感器中，具有 面积小，功耗低和移植性强等优点。
【附图说明】
[0015] 图1是本发明提出的消除霍尔传感器封装应力对霍尔片磁场灵敏度影响的整体电 路结构示意图。
[0016] 图2是图1提出的整体电路结构中的偏置电路的具体实现电路图。