带有霍尔元件的磁场传感器的利记博彩app

文档序号:6993859阅读:325来源:国知局
专利名称:带有霍尔元件的磁场传感器的利记博彩app
技术领域
本发明主要涉及一种包含权利要求1的前序部分中所述类型的对称垂直霍尔元件的磁场传感器。
最近几年中,基于霍尔元件的磁场传感器已经开始大规模生产,并在工业、家用设备和汽车制造中用作为位置开关或用于位置测量。霍尔元件用常规的IC工艺制造,具备该工艺的所有优点,特别是能以相对低的代价获得电磁特性的高再现性。所谓的水平霍尔元件用于测量垂直于芯片表面的磁场分量,而所谓的垂直霍尔元件用于测量平行于芯片表面的磁场分量。
常规的霍尔元件有四个触点,即两个用于对流经霍尔元件的电流进行充电和放电的电流触点,以及两个用于引出由待测磁场分量产生的霍尔电压的电压触点。霍尔元件的主要问题在于即使磁场不存在,在两个电压触点之间也会存在一个电压,即所谓的偏移电压。已经开发出两种用于降低偏移电压的技术。一种技术应用于水平霍尔元件,采用了两个水平霍尔元件,其中流经两个霍尔元件的电流形成了一个90°角。另一种由US 4 037 150已知的技术适用于对称霍尔元件,所述对称霍尔元件相对于电流触点和电压触点的反转在电气上保持不变,而电流触点和电压触点在电气上方向转换。根据US 5 057 890,为水平霍尔元件所开发的技术也可以用于垂直霍尔元件,其电流和电压触点的位置和大小可以通过对称水平霍尔元件的保角映射来计算。
本发明涉及对称垂直霍尔元件,这些霍尔元件包含四个触点——即两个内部触点和两个外部触点,这四个触点安排在一条直线上。典型地,两个内部触点大小相同,两个外部触点大小相同。电流总是从一个内部触点流向非相邻的外部触点,或者相反。对这些对称垂直霍尔元件来说,由于其几何上的对称性,电流和电压触点可以颠倒——这意味着电气方向可以转换,而不会改变该霍尔元件的电磁特性。
对称垂直霍尔元件由前面提及的US 5 057 890中已知,并且由发表在“Sensors and Actuators”杂志,A21-A23(1990),第751-753页的“A Symmetrical Vertical Hall-Effect Device(对称垂直霍尔效应装置)”中已知,然而这类元件在实际中很少应用,因为目前它们只能通过一种特殊的工艺来制造,这种工艺不允许电子开关元件和霍尔元件集成到相同的半导体芯片上。
一种采用双极工艺的垂直霍尔元件由US 5 572 058已知。借助于这一工艺,霍尔元件可以与基片隔离,这样除了霍尔元件之外,电子元件也能集成到相同的半导体芯片上。但是,这种垂直霍尔元件具有五个排列在一条直线上的触点,即用作电流触点的一个中心触点和两个外部触点,以及设置在中心触点和一个外部触点之间的两个电压触点,这种霍尔元件不属于对称垂直霍尔元件,因为如果使电流和电压触点颠倒的话,该霍尔元件的电气特性就会改变。
本发明的目的是开发一种能够在CMOS工艺的N-型阱中实现的对称垂直霍尔元件,利用这种工艺,对于电势来说,使两个电压触点大致位于两个电流触点的电势之间的中央,并且利用这种工艺使偏移电压尽可能地低。
根据本发明,上述任务通过权利要求1,5,6,7和10中所述的特性来解决。
对于这一任务来说,一方面的问题在于,通过保角映射所计算出的电流和电压触点的长度小于该工艺可能提供的最小尺寸。其原因在于N-型阱的深度与外部触点的外缘之间的距离相比非常小。如果增大电流和电压触点,使之大于根据该工艺的最小值要求计算出的理想值,那么对于电势来说,两个电压触点将不再位于两个电流触点的电势的中央,偏移电压相对来说将变得非常高,且敏感度大大降低。当两个电压触点的电势不再位于两个电流触点电势的中央时,这就意味着电流和电压触点的互换不能再有意义地实现。此外,N-型阱的搀杂是不均匀的,这将产生两个问题首先,大部分电流将直接在霍尔元件的表面之下流过,即使N-型阱有几微米的扩散深度,电流通常也是在一个只有一到两微米厚的薄层中流过;其次,保角映射的理论不再适用。
本发明从具有四个触点——即两个内部触点和两个外部触点,它们在半导体芯片的表面上排列成一条直线——的对称垂直霍尔元件开始。两个内部触点最好宽度相等,两个外部触点也最好宽度相等,从而沿着所述直线的方向测量这些触点的宽度。
对称垂直霍尔元件包含一个具有第一种导电类型的阱,其嵌在具有另一种导电类型的基片中。四个触点与这个阱相接触。从电气角度来看,这样一个具有四个触点的霍尔元件可以看作为一个由霍尔元件的四个电阻R1到R4组成的电阻桥。当霍尔元件作为磁场传感器工作时,电流总是在两个不相邻的两个触点间流过。从电气角度来看,当四个电阻R1到R4的阻值相等时,此霍尔元件可以看作为处于理想状态。在这种情况下,当经由两个电流触点对霍尔元件供电时,用作电压触点的两个触点处于相同的电势,即电势为供电电压的一半。此外,电压触点之间的电压——即所谓的偏移电压——等于零,即偏移电压消失。当电流和电压触点的角色互换时,该结论同样有效。
根据本发明,建议将霍尔元件的四个触点按如下方式排列处于几何的原因,四个电阻中有三个电阻R1到R3几乎大小相等。第四个电阻R4——即两个外部触点之间的电阻——比其他三个电阻R1、R2和R3要大。为了平衡电阻桥,根据本发明,进一步建议设置另一个与电阻R4并联的电阻R5,其值被限定为近似有R1=R2=R3=R4||R5。电阻R5例如是一个外部电阻,但是电阻R5最好内嵌在霍尔元件的阱中,或者作为一个独立的N-型阱来实现。在第一种情况下,该电阻具有至少一个与霍尔元件的阱相接触的触点,并且在对着霍尔元件的阱边缘一侧设置在两个外部触点之一的旁边。在这种情况下,其优点在于电阻R5具有与电阻R1、R2、R3和R4相同的温度系数,使得即使在温度改变时此电阻桥仍能保持平衡。
另一种使电阻桥电气平衡的可能的方法是提供至少一个与阱电气绝缘的电极,且所述至少一个电极被设置在两个触点之间。所述至少一个电极用于局部增大或减小电极下方的区域中所述阱的导电性。
另外一种维持电阻桥的电气平衡的方法是通过局部注入更多或更少的离子,局部增大或减小两个触点之间的区域中所述阱的导电性。
另一种维持电阻桥的电平衡的方法是利用一个具有第一霍尔元件和第二霍尔元件的磁场传感器,其中每个霍尔元件都有排列在一条直线上的两个内部触点和两个外部触点,两个内部触点最好宽度相等,两个外部触点也最好宽度相等,且这两个霍尔元件的所述直线相互平行,其中这两个霍尔元件的触点通过导线通路按如下方式相连其霍尔电压方向相同,且它们的偏移电压被大大补偿,以至于所得到的整个偏移电压几乎消失。
下面根据附图详细描述本发明的实施例。这些图不是按比例绘制的。如图所示

图1对称垂直霍尔元件的剖面图,图2对称垂直霍尔元件的平面图,图3对称垂直霍尔元件的等效电路图,图4集成了一个电阻的对称垂直霍尔元件,图5集成了两个电阻的对称垂直霍尔元件,图6带有附加电极的对称垂直霍尔元件,图7通过注入离子用于构成N-型阱的掩模,图8,9两个反并联的霍尔元件。
图1和图2示出了一个对称垂直霍尔元件1的剖面图和平面图。霍尔元件1是利用CMOS工艺制造的,最好包括一个具有第一种导电类型的阱2,它嵌入到一个具有第二种导电类型的由硅制成的基片3中。霍尔元件1在表面上具有四个触点4-7,即两个内部触点5和6,以及两个外部触点4和7。触点4-7沿着一条直线8排列(图2)。两个内部触点5和6最好沿着直线8看去具有相同的宽度,两个外部触点4和7也最好宽度相等。阱2以及触点4-7的位置和大小是关于平面9对称的,平面9与直线8垂直,并位于两个内部触点5和6的中间。(由于工艺方面的原因,使两个内部触点5和6宽度相同、以及使两个外部触点4和7宽度相同是有意义的,但这并非绝对必要的。)由于采用了硅,电子的移动性大于空穴的移动性,因此在霍尔元件1中使用N-型阱而不使用P-型阱是具有优点的。P-型阱也可以用于霍尔元件1,但是磁场传感器的敏感度将明显降低。
阱2的深度通常在5μm左右。由于阱2的搀杂不是均匀的,而是随着深度增加呈指数减少,因此绝大部分电流在霍尔元件1的表面下方在一个通常只有1-2μm厚的薄层中流动。因此阱2对霍尔元件1的电磁特性起作用的有效深度teff只有大约1-2μm。霍尔元件1的长度L由阱2的长度决定。该长度基本上与外部触点4和7的外缘10和11之间的距离相一致。与深度t或有效深度teff相比,长度L很大。霍尔元件1的电气特性可以通过一个由四个电阻R1到R4组成的电阻桥来表示。为了便于理解,图1中两个触点之间主要的电阻分别通过一个电阻符号R1到R4和一条连接对应于该电阻的触点的连线来表示。
图3示出了由霍尔元件1的四个电阻R1到R4组成的电阻桥的电路图。当霍尔元件1用作磁场传感器时,电流总是在两个不相邻的触点之间流过,例如在触点4和6之间或者触点5和7之间。从电气角度来看,当四个电阻R1到R4的阻值相等时,霍尔元件1被视为处于理想状态。在这种情况下,当经由触点4和6对霍尔元件1供电时,用作电压触点的触点5和7具有相同的电势,即电势为供电电压的一半。此外,电压触点之间的电压等于零,即不存在偏移电压。当经由触点5和7对霍尔元件1供电时,触点4和6用作电压触点,上述结果同样有效。
出于几何的原因,电阻R1到R3的大小相等。电阻R2可通过增大或减小内部触点5和6之间的间距来改变。通过适当选择触点4-7的位置和大小,可以使得R1=R2=R3基本成立。而且,电阻R4大于其他电阻R1、R2和R3也是成立的。为了平衡此电阻桥,根据本发明,建议设置另一个与电阻R4并联的电阻R5,其值被限定为使得R1=R2=R3=R4||R5近似有效。电阻R5例如是一个外部电阻,但是电阻R5最好嵌在霍尔元件1的阱2中,或者作为一个独立的N-型阱来实现。在这种情况下,其优点在于电阻R5具有与电阻R1、R2、R3和R4相同的温度系数,从而即使在温度改变时此电阻桥仍然能保持平衡。
图4和图5给出了电阻R5嵌在霍尔元件1的阱2中的两个例子。为了便于理解,两个触点之间的主要的电阻也是通过一个电阻符号和一条连接相应触点的连线来表示。在图4所示的例子中,另一个触点12设置在触点4的旁边,并通过一个完全用示意图表示的导线通路13与触点7相连接。在图5所示的例子中,另一个触点12设置在触点4的旁边,另一个触点14设置在触点7的旁边,其中这两个附加的触点12和14也通过一个仅以示意图表示的导线通路13相连接。因此在这个例子中,电阻R5不是通过单个电阻实现,而是通过两个值为1/2 R5的电阻来实现。
对霍尔元件的小型化产生限制的原因在于必须保持两个内部触点5和6之间的与工艺有关的最小距离。如今,此最小距离大约是0.8μm。因此电阻R2不能低于一个由所使用的工艺决定的特定值。下面,进一步举例说明如何增大或减少电阻R1至R3。
在图6所示的例子中,三个电极15-17排列在触点4-7之间,这些电极例如可以像MOSFET的门电极一样由多晶硅制成。电极15-17例如通过一个薄氧化层与N-型阱相隔离,从而与N-型阱2电绝缘。在霍尔元件1工作时,电极15至17中的每一个相对于N-型阱2用一个预定的电压来偏置。电极15和17用相同的电压来偏置,而电极16用极性相反的电压来偏置。电极相对于N-型阱2的偏置有如下影响电极下方区域中的电荷载流子密度会根据偏压的符号提高或降低。如果要提高电荷载流子密度,电极的偏压就必须和阱2的电荷载流子的类型相反。当阱2是N-型时,则电极的偏压必须相对于阱2的电势来说是正的。如果要降低电荷载流子密度,电极的偏压就必须和阱2的电荷载流子的类型相同。当阱2是N-型时,则电极的偏压必须相对于阱2的电势来说是负的。
也可以只提供一个电极来代替这三个电极15、16和17,即只在内部触点5和6之间提供一个电极16,或者只提供两个电极15和17,它们分别设置在一个内部触点和一个外部触点之间。此外,在图4的例子中也提供一个设置在触点4和12之间的额外的电极,或者在图5的例子中也可以提供两个设置在触点4和12之间及触点7和14之间的两个额外的电极。通过选择施加到各个电极上的偏压的大小和符号,电阻R1至R5可以在一定范围内变化。因此提供了电子电压源,其在同一个半导体芯片中作为霍尔元件1来实现,这样要施加到各个电极上的偏压是在一个校准步骤中一次确定的,从而最优地平衡由电阻R1至R5组成的电阻桥。
另一种增大或减小给定了触点4-7的位置和大小的电阻R1至R3的方法在于通过局部注入更多或更少的离子来增大或减少电荷载流子密度。图7详细说明了这种可能的方法。触点4-7通过由虚线18限定的区域来表示。在形成N-型阱2时,一个掩模19用于离子注入,其不是具有一个对应于阱2大小的单个开口20,而是具有一个包含局部岛状物21的开口20,这些岛状物覆盖了开口20的一部分,以使N-型阱2的搀杂局部变化。岛状物21的尺寸选得非常小,使得由岛状物21分割开的区域可以在离子注入之后的扩散时连接到N-型阱2。因此,在两个内部触点5和6之间的区域内阱2的搀杂不同于在一个内部触点和一个相邻的外部触点之间的区域内阱2的搀杂。
图8和图9描述了另一种可以在很大程度上平衡由电阻R1至R5组成的电阻桥的方法即通过两个的霍尔元件1和1’的并联连接,这两个霍尔元件相互平行设置,从而可以测量相同的磁场分量。流经这两个霍尔元件1和1’的电流的方向用箭头来示意性地表示,箭头从供给电流的触点指向放电的触点。第一个霍尔元件1的触点4-7和第二个霍尔元件1’的触点4’-7’通过示意性表示的导线通路13成对连线。配线必须满足如下两个准则首先,通过磁场产生的两个霍尔元件1和1’的霍尔电压必须同向,否则磁场传感器不能“发现”磁场。当两个电流触点通过一个指示电流方向的箭头连接时,有一个电压触点总是位于该箭头的左边,一个电压触点位于该箭头的右边。此时同向意味着两个霍尔元件1和1’的位于相应箭头左边的两个电压触点必须连接在一起,两个霍尔元件1和1’的位于相应箭头右边的两个电压触点也必须连接在一起。如果两个霍尔元件1和1’没有连线,那么在第一个霍尔元件1中,两个电压触点5和7中的一个将承载高于另一个电压触点的电势,因为电阻R4大于其他电阻R1、R2和R3。同样地,在第二个霍尔元件1’中,两个电压触点4’和6’中的一个将承载高于另一个电压触点的电势,因为这里电阻R4’也大于其他电阻R1’、R2’和R3’。在图8给出的例子中——即根据图8所示的电流方向——第一个霍尔元件1的电压触点7承载的电势高于电压触点5,第二个霍尔元件1’的电压触点4’承载的电势高于电压触点6’。其次,现在这两个霍尔元件1和1’的电压触点7,5,4’和6’将按如下方法配线第一个霍尔元件1的承载较高电势的电压触点7被连接到第二个霍尔元件1’的承载较低电势的电压触点6’。按照这种配线,流经两个霍尔元件1和1’的电流将按如下方式分布随着磁场的消失,第一个霍尔元件1的电压触点7和5之间施加的电压,即所谓的偏移电压,将远远小于没有按上述方法连接第二个霍尔元件1’时的情况。在图8所示的例子中,第一个霍尔元件1的触点4-7和第二个霍尔元件1’的触点4’-7’通过如下方式成对连线触点4与触点7’相连,触点5与触点4’相连,触点6与触点5’相连,触点7与触点6’相连,使得这两个霍尔元件1和1’中的电流总是从一个内部触点流向一个不相邻的外部触点,但方向相反。
在图9给出的例子中,电流沿着相同的方向流动在第一个霍尔元件1中,电流从一个内部触点流向不相邻的外部触点,而在第二个霍尔元件1’中,电流从一个外部触点流向不相邻的内部触点。第一个霍尔元件1的触点4-7和第二个霍尔元件1’的触点4’-7’通过如下方式成对连线触点4与触点5’相连,触点5与触点6’相连,触点6与触点7’相连,触点7与触点4’相连,从而满足上面的两个准则。
到目前为止描述的实施例里,对称垂直霍尔元件1内嵌于N-型阱2中,该阱是通过离子注入和后来的扩散在一个P-型基片中生成的。这一工艺通常设计为CMOS工艺。但是,也可以使用双极工艺来取代CMOS工艺,使对称垂直霍尔元件1嵌入到一个外延层的绝缘区域中。这样一个绝缘区域也可以设计成N-型阱。双极工艺产生的N-型阱是由杂质原子均匀搀杂的,而CMOS工艺产生的N-型阱的搀杂是不均匀的。
权利要求
1.具有一个霍尔元件(1)的磁场传感器,所述霍尔元件具有沿着一条直线(8)排列的两个内部触点和两个外部触点(4-7),其特征在于,触点(4-7)排列在一个具有第一种导电类型的阱(2)的表面上,所述的阱嵌在一个具有第二种导电类型的基片(3)中,而且两个外部触点(4,7)通过电阻相连接。
2.根据权利要求1所述的磁场传感器,其特征在于,所述电阻具有两个与第一种导电类型的阱相接触的触点。
3.根据权利要求1所述的磁场传感器,其特征在于,所述电阻具有一个与霍尔元件(1)的阱(2)相接触的触点(12),且该触点(12)在对着阱(2)的边缘的一侧设置在两个外部触点之一(4)的旁边。
4.根据权利要求1所述的磁场传感器,其特征在于,所述电阻具有两个与霍尔元件(1)的阱(2)相接触的触点(12,14),且该触点(12,14)分别在对着阱(2)的边缘的一侧位于两个外部触点之一(4,7)的旁边,并且这两个触点(12,14)通过一个导线通路(13)相连接。
5.具有一个霍尔元件(1)的磁场传感器,所述霍尔元件具有沿着一条直线(8)排列的两个内部触点和两个外部触点(4-7),其特征在于,触点(4-7)排列在一个具有第一种导电类型的阱(2)的表面上,所述的阱嵌在一个具有第二种导电类型的基片(3)中,并存在至少一个电极(15,16,17),所述电极和阱(2)是电绝缘的,其中至少一个电极(15,16,17)设置在两个触点(4-7)之间。
6.具有一个霍尔元件(1)的磁场传感器,所述霍尔元件具有沿着一条直线(8)排列的两个内部触点和两个外部触点(4-7),其特征在于,触点(4-7)排列在一个具有第一种导电类型的阱(2)的表面上,所述的阱嵌在一个具有第二种导电类型的基片(3)中,而且在两个内部触点(5,6)之间的区域内阱(2)的搀杂不同于在一个内部触点(5,6)和一个外部触点(4,7)之间的区域内阱(2)的搀杂。
7.具有第一个霍尔元件(1)和第二个霍尔元件(1’)的磁场传感器,上述每个霍尔元件分别具有沿着一条直线(8)排列的两个内部触点和两个外部触点(4-7),其特征在于,第一个霍尔元件(1)的触点(4-7)排列在具有第一种导电类型的第一个阱(2)的表面上,该阱嵌在一个具有第二种导电类型的基片(3)中,第二个霍尔元件(1’)的触点(4’-7’)排列在具有第一种导电类型的第二个阱(2)的表面上,该阱嵌在基片(3)中,这两个霍尔元件(1,1’)的所述直线(8)相互平行,并且这两个霍尔元件(1,1’)的触点(4-7;4’-7’)通过导线通路(13)按如下方式来连线这两个霍尔元件(1,1’)的霍尔电压是同向的,第一个霍尔元件(1)的在没有配线、具有给定电流且磁场消失时承载比另一个电压触点更高的电势的两个电压触点之一被连接到第二个霍尔元件(1’)的在没有配线、具有给定电流且磁场消失时承载较低电势的电压触点。
8.根据权利要求1到4中任一项所述的磁场传感器,其特征在于,存在与阱(2)电绝缘的至少一个电极(15,16,17),其中至少一个电极(15,16,17)设置在两个外部触点(4-7)之间。
9.根据权利要求1到4或8的任一项所述的磁场传感器,其特征在于,触点(4-7)排列在一个具有第一种导电类型的阱(2)的表面上,该阱嵌在一个具有第二种导电类型的基片(3)中,而且在两个内部触点(5,6)之间的区域内的阱(2)的搀杂不同于在一个内部触点(5,6)和一个外部触点(4,7)之间的区域内的阱(2)的搀杂。
10.具有第一个霍尔元件(1)和第二个霍尔元件(1’)的磁场传感器,其中每个霍尔元件分别具有沿着一条直线(8)排列的两个内部触点和两个外部触点(4-7),其特征在于,第一个霍尔元件(1)的触点(4-7)排列在具有第一种导电类型的第一个阱(2)的表面上,该阱嵌在一个具有第二种导电类型的基片(3)中,第一个霍尔元件(1)的两个外部触点(4,7)通过一个电阻相连接;第二个霍尔元件(1’)的触点(4’-7’)排列在具有第一种导电类型的第二个阱(2)的表面上,该阱嵌在基片(3)中,第二个霍尔元件(1’)的两个外部触点(4’,7’)通过另一个电阻相连接;这两个霍尔元件(1,1’)的所述直线(8)相互平行,并且这两个霍尔元件(1,1’)的触点(4-7;4’-7’) 通过导线通路(13)按如下方式来连线这两个霍尔元件(1,1’)的霍尔电压是同向的,第一个霍尔元件(1)的在没有配线、具有给定电流且磁场消失时承载比另一个电压触点更高的电势的两个电压触点之一被连接到第二个霍尔元件(1’)的在没有配线、具有给定电流且磁场消失时承载较低电势的电压触点。
11.根据权利要求1到10中任一项所述的磁场传感器,其特征在于,两个内部触点(5,6)的宽度相同,两个外部触点(4,7)的宽度相同。
全文摘要
公开了一种对称垂直霍尔元件,它包括一个具有第一种导电类型的阱(2),其嵌在一个具有第二种导电类型的基片(3)中,且与用作电流和电压触点的四个触点(4,5,6,7)相接触。从电气角度来看,这样一个具有四个触点的霍尔元件可以视为一个由霍尔元件的四个电阻(R
文档编号H01L43/06GK1669159SQ02829584
公开日2005年9月14日 申请日期2002年9月10日 优先权日2002年9月10日
发明者克里斯蒂·思古特, 雷迪沃杰·波波维克, 皮埃尔-安德烈·贝西, 恩瑞克·舒尔格 申请人:善卓股份有限公司
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