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多轴集成霍尔磁传感器
由
Radivoje S. POPOVI]1, Pavel KEJIK1, Serge REYMOND1, Dragana R. POPOVI]2,
Marjan BLAGOJEVI]3, and Sa{a DIMITRIJEVI]3
2007年10月31日收到；2007年11月30日经修订的表格
传统霍尔磁传感器只响应磁场分量垂直于传感器表面的模具。多轴感应能力可以提供在以下两个方面：（一）通过集成磁通集中器的死，和（b）利用我皮质霍尔器件。在这里，我们回顾最重要的基于这些概念的三轴集成霍尔磁传感器。其应用包括磁场映射和角位置传感
关键词：集成霍尔传感器、多轴磁传感器、角位置传感，特斯拉计
简介
基于霍尔效应的磁场传感器目前主要应用
于非接触式传感器，用于测量机械部件和电流的位置。他们有一个大的经济我M-PACT：任何新的汽车至少有一打（和一些匈奴德雷德）在一边霍尔磁传感器；在个人电脑甚至tilators和光盘驱动器数百万人使用无刷电机霍尔传感器在各种产品中，大多数电流传感器都是基于霍尔传感器。
如此大的霍尔磁传感器在工业上的接受是一个良好的性能，这些产品的价格比的后果。良好的性能-价格RA是由于一个最完美的合作MPAT IBIL性霍尔板（图1）与电子集成电路微电子技术：优化霍尔板结构、尺寸和材料特性的特征相似，易用—
科学论文
国际十进分类法：621.3.049.77
biblid：1451-3994，22（2007），2，pp. 20-28
关键词：10.2298/ntrp0702020p
作者地址：
瑞士联邦理工学院的艾莱依研究院的技术1015洛桑，瑞士
塞尼斯GmbH，1，该公园大街8005苏黎世，瑞士
Sentronis AD，14，亚历山德拉梅德韦杰娃镍18000 {，塞尔维亚
通讯作者的电子邮件地址：radivoje.popovic@epfl.ch（R. S. Popovi}）
图1.一个霍尔板模型–MOD二地掺杂装有两对电触点的半导体板
现代的堂板通常是微镜底人。对于前充足的，厚的可能是吨= 10毫米，长度为1 = 200毫米，宽度为100毫米。一个偏置电压-年龄伏适用于解放军TE通过两电流触点C1和C2。偏置电压运动电场EE和力量的电流I如果板前对每一笔于肢磁感应强度B、霍尔元件电场EH发生在板。霍尔电场产生的霍尔电压VH的外观是两感控制策略S1和S2之间能集成电路。因此，霍尔磁传感器的发展并不需要太多的投资。在大多数情况下，一个好的霍尔板到集成电路的集成只是一个问题的设计，不需要任何修改的集成电路–制造过程见图2。
多年来，霍尔磁传感器是基于霍尔板类似无花果。1和2。这种传统的霍尔磁传感器响应的磁场分量沿只有一个轴是垂直于传感器的表面。
图2、交叉状体CMOS霍尔器件技术
（一）艾莱依的观点：与图1相比，该图是一个交叉平面；（二）视图与横截面沿霍尔板稀土铝化利用N阱层通常用于在MOS晶体管衬底p-chan。接触区域的板块（C1-C4）重掺杂的n层 它也用于源和N通道晶体管漏极区域化。霍尔板是由p-n结好/基燃耗从p型衬底绝缘层。对于清晰，只有基本的半导体Duc Tor的区域显示和霍副不双基础。当霍副是偏颇的，德辉和灰层宽度不均匀
然而，磁传感器的一些重要的应用，如磁场映射和angu-lar位置传感，需要多轴感应能力。传统上，这种能力一直是实现（或多或少）采用两个或三个正交的条件单轴传感器，如图3所示。与这种方法相关的问题，包括贫困的正交性正轴，空间分辨率不足和许多连接线的处理
图3、经典概念构建三轴磁传感器：三厅板连接到一个立方体的三个正交面
在本文中我们将回顾最重要的概念应用于新型集成两、三轴霍尔磁传感器。这些概念在TE磨碎的磁力CON岑TRA和O一个垂直霍副。我们将说明这些概念的装置所实现的，以及由选定的应用程序。
在下一节中我们将首先简要现状为沿垂直轴相对于传感器磁场的常规集成霍尔磁传感器技术R芯片。这将给我们的参考二基准性能必须满足的有限集成传感器的另一个轴。此外，我们会看到一些重要的概念，对传统的开发传统的霍尔传感器这也很容易适用于多轴霍尔传感器。
传统的集成霍尔磁传感器
大多数现代商用集成磁传感器是在传统的体硅CMOS技术实现。它们通常含有四或thogonally耦合的“水平”（与死苏平行R面）集成霍尔板类似于图2所示。几个大厅元素正交耦合是有用的减少抵消，这是一个最重要的身材的梅里霍尔磁传感器。
我们可以AP预交叉的重要性了重新的比较典型的数值，霍尔电压和偏置电压霍尔传感器系统性能。大厅的大厅里的电压迟到是：
1
VH = IB^ (1) qnt
其中q为电子电荷，N是AV二年龄密度在霍尔板自由电子，t为板厚度，我是电源电流，和B是磁通密度分量垂直于板TY。用这里的Q值和其他参数的典型值（N = 10–16cm–3，T = 3micro;M，I = 1毫安，和Bmax = 10吨），我们得到的VH2 MV。的偏移电压，通常情况下，约1。因此，为了使我们的磁传感器的用处可言，我们必须减少100 [ 2至少一个因子偏移电压]。
在现代集成霍尔磁传感器，最有效的偏移量减少是由一个变化的斩波稳定技术，被称为纺丝电流法，见GS。4-6。
在进一步优化的纺丝电流技术的挑战包括：降低残余偏移的温度系数
图4、开关型霍尔板
开关大厅板的前端（或自旋电流）系统能细胞的香格里拉套和1 / f噪声两大厅钢板（厅）和放大器（A1）。CK和时钟信号，和m1-m8是开关实现COM PLE甘南MOS晶体管。当CK高，电流流动的1和2之间，当CK高，电流之间的4和3
图5、霍尔电压偏移信号随时间
这是PLI费里图4中的输入转换的结果是，霍尔电压控制换成铝水机电压，而抵销保持准直流电压（现在大约10–4brange / K）；降低噪声（目前约1micro;T /典型/ 2，而物理限制在SIL我—CON霍尔元件约10新台币/典型/ 2）；提高转导稳定性（现在0.02% / K）和增加测得磁场的最高频率。目前，最高的一个基于自旋电流霍尔磁传感器的截止频率为100 kHz。这是超过足够所有位置传感和低频电流测量系统。然而，在现代电开关电源系统中的电流测量，带宽从DC至1 MHz的需要一个重要的里程碑，在道路上领先的集成磁传感器，适用于这和其他新的具有挑战性的应用，是充分的集成霍尔器件建模[ 4 ]二轴霍尔磁传感器
基于内模控制技术雅尼姆IMC代表集成MAG磁选矿厂。磁选矿机是由高渗透性材料。所以它提供了
图6、整个开关霍尔板系统的示意图
盒子代表重新提出了空调开关霍尔板系统如图4所示的前端，有了放大器A1。S的开关上的位置时，CK是“高”，与下陂西蒂在对照是“高”。由于同步观测的开关工作在开关箱系统（m1-m8）在图4中，霍尔电压的调制和偏置电压转换成交流信号Al。在低通滤波器（LPF），AC偏置取消（Ioff）和扩增霍尔电压是完全重新覆盖的手术。如果自旋电流是每在足够高的频率的频率形成，T它也降低了1 /华氏霍尔放大器系统的噪音，如图7所示。它也降低了平面霍尔效应信号如果我地，图8 [ 3 ]
图7、测量噪声电压谱密度在外面放了一个霍尔磁传感器不与AP的旋转电流法的应用
图8、平面霍尔电压测量的霍尔我水平霍尔板和应用CA的自旋-宁电流法；SIM我LAR结果得到了垂直D厅装置
“低电阻路径的磁通，从而集中磁通在它自。此外，金正日LUS在图9中，IMC将全球磁场平行于模具表面成局部每笔DIC外阴磁场可以由传统的平面霍尔元件[ 5 ]的感觉。
图9、与传统模具四TE磨碎的大厅
板结合磁通集中
整合营销传播是一个扁平的盘制成的一种软磁材料铁马碲。如果代艾莱依（全球）磁场PAR Al LEL与模具平面，然后整合集中的磁通量在它自。因此，“局部”磁场具有组件垂直DIC外的IMC，所以也给霍尔板。所以一个横向磁场是局部转化为每一笔DIC外磁场，这是由霍尔元素
该技术的基础上研制了在初创公司新创公司合作EPFL，后来，随着asulab SA。总之，IMC是粘在成品制作CMOS晶圆，市售的铁磁20micro;mu;m厚的铝箔，并在随后的铁磁层结构的光刻。目前，基于IMC技术的几种产品方法：市售公司新创，Melexis公司、朝日化学、和莱姆。2集成基于IMC技术磁传感器给出了无花果。9-13，而图14 IL LUS证明其AP PLI -阳离子。
IMC的主要优势为基础的磁传感器在于传播提供了一种磁放大，从而提高信噪比（偏移）的传感器比，技术方法对传感器的硅部分停留于传统的单轴磁传感器严格相同的大厅。这种技术的主要缺点是，整合营销传播是一个非体育但铁磁材料：虽然采用反渗透是最好的可用的材料，它有一个有限的剩余磁场，最终进入
图10。图2集成块的基础上四堂板和IMC结合磁传感器，如图9所示
的电子的主要部分是周期地用于一个或另一个通道。在信号处理链的末端，阿德复用器将信号提供模拟输出VOltages比例对磁场的平面内的分量，BX和
图11、像片的二轴IMC霍尔传感器硅芯片的尺寸为2.7毫米1.9毫米acute;。在芯片中心的白点是200毫米直径的圆盘状的IMC（承蒙新创，楚格，瑞士）
图12、一个小的旋转磁铁和二轴霍尔传感器，如图11所示，形成一个非常精确的角位置传感器–参见图13
图13、输出电压
作为永磁图12旋转时，输出电压的2轴磁传感器的年龄而变化的正弦和旋转角J.输出伏年龄可进一步处理有限正弦重新获取角J（直线）
图14、典型的工业应用的2轴磁传感器
磁饱和。后果是出现一个磁磁滞偏移和有限的线性磁操作该霍尔磁传感器范围性能。
多轴霍尔磁传感器
基于垂直霍尔器件
原则上，平行于模具表面的感知能力可以通过将传统的霍尔板垂直相对于模具表面达到。问题是，结构你这种装置不与常规的集成电路工艺兼容。回到1984，我们找到了一个解决这个问题[ 6 ]。垂直的霍尔器件的想法了图15显示。有趣的是，该转换装置的霍尔电压，通过集成霍尔电场EH在虚线连接感应触点S1和S2的获得（RIGHT），即，
|
S2 |
|
|
VH = ograve; EH dS |
(2) |
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S1 |
降低了方程（1）。这与在图1所示的经典的传统的霍尔板的情况下，这正是相同的结果。因此，一个垂直大厅设备，在原则上，相当于一个传统矩形板。
根据这一概念，一五个接触的垂直霍尔器件已成功地实现为一个独立的设备[ 7 ]。本装置的一二轴版本允许精确的磁场POS的发展利用传感器[ 8 ]。
整合垂直装置的集成电路很难。原因如下：设备必须使用一个阱作为有源区，作为实例图16；然而，模式现代集成电路技术有很浅的掺杂层不兼容的深度需要一个垂直的霍副。解决方案是采用高压CMOS技术发现学包括较深N阱和非常小心的优化设计
图15、垂直霍尔器件
一个传统的霍尔板惠普垂直埋入芯片CH想象中的保角变换（左），通过弹性阶段（中期），为TE磨碎的VER Ti卡尔霍副VH（右边）。垂直霍副都（C1、C2后进行，C2”，S1和S2）接入可能在芯片表面。在右边的结构，实心箭头代表重新发送电流线，而虚线之间进行后S1和S2是在整合路径的挖掘式霍尔电压后的年龄（2）
垂直大厅设备。这使得第一个完全集成的三轴磁传感器在标准CMOS技术发展的可能，没有任何的改变和/或后处理，如图17 [ 9 ]。
综合应用实例
三轴霍尔磁场传感器
优化版集成三轴霍尔，图17，是目前用于测量磁场[ 3 ]三探针。这是唯一的3轴霍尔探头在世界上具有空间资源几毫米的情况下（事实上，只有约0.1毫米），在三轴相互垂直，不可测量的误差可以忽略不计的串扰。探头的两个版本显示WN图。18和19。该探针是使先进的三轴模拟和数字特斯拉计组件（图20），现在的商用[ 10 ]。
图22和21说明了这一独特仪器的性能的进一步的3个方面。标准的准确性是0.1%特斯拉计的测量范围可从20吨T20吨的错误预算的主要部分是残留的非林—
图
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资料编号：[153222]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word
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