[发明专利]霍尔传感器装置和霍尔感测方法

说明书

本公开涉及3维霍尔传感器装置(100;300)，所述3维霍尔传感器装置(100;300)包括霍尔传感器元件(102;302)，所述霍尔传感器元件(102;302)具有在3维外壳(106;306)中实现的霍尔效应区域(104;304)并且包括至少三个端子(108;308)。每个端子连接到霍尔效应区域(104;304)的至少一个电触点(110;310)，并且每个电触点被布置在3维外壳的不同区域。本公开还公开用于这种3维霍尔传感器装置中的偏移抵消的旋转电流/电压方案。

技术领域

本公开一般地涉及磁场传感器装置，并且更具体地讲，涉及霍尔传感器装置。

背景技术

霍尔效应装置是用于测量磁场的半导体装置。它们产生与磁场成比例的输出信号。在零磁场，它们倾向于输出通常不同于零的信号：这是它们的偏移误差(=零场误差)。

霍尔效应装置包括霍尔效应发生的霍尔效应区域，并且三个或更多个触点位于霍尔效应区域中或与霍尔效应区域欧姆接触。例如，通过接触扩散或注入过程，可以实现与霍尔效应区域的电气接触。有时，几个触点可以经金属线(在半导体技术的互连层中)连接到相同端子。端子可以被用于为所述装置供应电功率，并且用于引出它的输出信号。

如果霍尔效应区域是二维电子气(2DEG)，则它可以被视为具有零厚度的片层(在实践中，所述厚度可以是大约10 nm)，并且可以与利用夹头（tub）的情况不同地进行接触(因为薄的装置)。要注意的是，2DEG是这样的电子气：它在两个维度中自由移动，但在第三维度中被紧紧地限制。

霍尔板(我们也称之为水平霍尔效应装置或HHall)是平坦装置，其厚度是它们的侧向尺寸的1/5至无穷小(通常1/50)。它们被用于检测沿着它们的厚度方向(即，通向半导体基底的方向)的磁场分量。在硅技术中，霍尔板当前通常是1到3 µm厚，并且在侧向方向上是10到100 µm大。它们的布局可以是矩形、正方形、圆形、八边形、十字形或甚至三角形。

垂直霍尔效应装置或VHall是粗大的装置，其中一个侧向尺寸与它们的厚度方向(即，通向半导体基底的方向)相当(0.2倍至10倍)。它们经常具有长条形状，多数是直的，有时是弯曲的、弧形的或者甚至圆形的环。它们可以被用于检测平行于半导体主表面的磁场分量。

术语“水平”和“垂直”表示板状几何形状的装置相对于半导体管芯的主表面的取向。

如前所述，霍尔效应装置可能遭受偏移误差。偏移误差是在不存在某个输入量的情况下存在输出信号。对于霍尔传感器，偏移误差将会是当事实上不存在磁场时指示输入磁场的输出信号。

偏移误差可能与不同原因相关，其中的两个原因是原始偏移误差和剩余偏移误差。原始偏移误差可以表示存在于特定操作阶段的偏移误差。剩余偏移误差可以表示存在于总体或总输出信号(诸如，作为来自各个操作阶段的那些信号的组合的信号)中的偏移误差。

用于减小或抵消偏移误差的一个方案是使用多触点霍尔传感器。三触点或四触点HHall或VHall可以在旋转电流类型模式下操作，旋转电流类型模式在多个时钟阶段改变触点的供电或感测作用，以使得当组合来自所述多个时钟阶段的信号时减小任何偏移。即使如此，剩余偏移误差也可能保留得高于预期值，诸如处于大约1毫特斯拉(mT)的范围中。

针对在3维(3D)空间中检测磁场分量，传统HHall和VHall都受到限制。因此希望具有这样的霍尔传感器装置：在3D空间中对特定磁场分量具有高的磁灵敏度。还希望以有利的方式组合在不同操作模式下引出的信号以抵消偏移误差并且仍然保持高的3D磁灵敏度。

发明内容