[发明专利]一种片上一体化微型集成磁传感器

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于微型直流无刷电机的低电压低功耗片上一体化微型集成磁传 感器电路，尤其适用于手机震动电机。

背景技术

磁性传感器出现和应用的历史已有100多年，磁传感器是把磁场、电流、应力应变、 温度、光等引起敏感元件磁性能的变化转换成电信号，以这种方式来检测相应物理量的 器件。现代电子设备整机正向小型化、多功能、智能化方向发展，要求所用传感器即使 对微小空间内物理量的变化也能够高灵敏度、高速度地做出响应。这种需求驱动了单一 芯片集成传感器、信号调理、功率输出控制的发展趋势。

开关型霍尔电路是一种基于对“磁场”这种物理量进行感应的电路，广泛应用于驱 动直流无刷电机，无刷电机相对于有刷电机其主要优势在于通过感应磁场换向而非通过 电刷换向，这样可以大大提高电机的使用寿命。

从目前来看，用于体积较大的直流无刷电机的霍尔传感器+控制驱动集成电路的分 离式解决方案已经非常普遍，甚至单芯片封装(霍尔传感元件和电路分别制作，再整体 封装)的直流无刷电机霍尔开关集成电路也已应用若干年。但目前电子设备特别是移动 电子设备对器件的要求朝低功耗、小体积、低工作电压、低价格方向发展，上述两种解 决方案在体积(一般尺度在厘米级或以上)、工作电压(一般在4.5V以上)等方面达不 到要求。

一个比较理想的用于移动设备微型电机中的片上一体化微型磁集成传感器有几个 要素：

1)、生产成本低，低于人民币1.5元/片；

2)、体积小，小于2mm*2mm*1mm；

3)、工作电压低，2.4V～4V之间，通常工作电压为3V；

4)、驱动能力强，300mA电流驱动能力；

5)、功耗低；

6)、适合于大批量工业化生产。

要符合以上几点关键技术要素，必须需将传感元件、模拟电路、数字电路和功率驱 动部分全部集成在单个体积非常微小的集成电路芯片内。在电路设计、电路仿真、版图 设计、流片、测试、封装等各个环节都面临很大的技术难度。

图1给出了一般霍尔传感器电路结构图，由霍尔器件，失调消除电路，采样保持电 路，迟滞比较电路，逻辑控制和振荡电路，锁存电路和H桥输出电路构成，其驱动直流 无刷电机的工作原理如下：芯片固定在无刷电机的定子上，无刷电机的转子由永磁体构 成，当转子的一个磁极靠近时，霍尔器件产生相应的霍尔电压，该信号经过失调消除等 一系列的处理，控制桥式输出级的一个上拉管和下拉管打开，向定子提供相应的电流， 该电流使定子产生一个与转子同极性的磁场从而起到排斥的作用使得转子持续旋转；转 子旋转180°后，霍尔器件感应转子的另一个磁极，该霍尔电压经过同样的信号处理， 输出极打开另一个方向的上拉管和下拉管，从而输出到定子的电流反向，磁场反向，再 次起到排斥的作用，使得该电机能持续工作。

从上面的描述中可以看到能正确地感应转子的磁极变化并随之驱动输出电路换向 是该电路能正确工作的关键。

为实现体积小的目的，霍尔器件通常集成在硅片上，霍尔器件可以用如图3中的惠 斯通电桥的形式表示，当器件通过AC端偏置时，霍尔电压从BD两端引出，当器件通 过BD端偏置时，霍尔电压从AC端引出。器件本身失调电压的产生是由于参杂浓度很 难保证平均组成桥的四个电阻的阻值相等。正常情况下，图3中的单个电阻的值在几K 欧，假设电阻值有1％的误差，例如：R_H1＝5.05K，R_H2＝4.95K，R_H3＝5K，R_H4＝4.97K，则电 路的失调在1.4mV，而正常工作时器件产生的霍尔电压也在1个mV甚至更小的值。这 样，器件的失调会完全掩盖产生的信号。

此外，产生的霍尔信号必定要经过放大电路，而放大电路本身的失调也会对采样信 号的结果产生影响，一般来说，在CMOS工艺中放大电路的等效失调电压在几个mV 或者更大的值。

如前所述，能正确感应磁场的极性的变化是微型磁集成传感器能正常工作的关键， 只有通过电路设计将外界干扰信号和系统本身失调信号抑制在一定范围内，整个芯片才 能达到性能要求。

发明内容

本发明要解决的问题是：现有的微型磁集成传感器不能消除其内部的器件失调，影 像传感器的正常工作，不能满足使用需求。