具有偏移抵消并且使用绝缘体上技术实现的的差分横向磁场传感器系统的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及差分横向磁场传感器系统（differentiallateralmagneticfield sensorsystems)，使用绝缘体上娃（silicon-on-insulator)技术实现该系统，并且该系统 实现了对在布置为彼此接近的磁场传感器中的差分半导体结构的偏移抵消。
【背景技术】
[0002] 磁场传感器系统在多种产业中越来越重要。例如，在汽车产业中，现代车辆中存在 多种传感器系统（诸如，泊车传感器、角度传感器（例如，在节流阀中）、ABS(自动制动系 统）传感器和胎压传感器），以便改善舒适性和安全性。磁敏传感器系统在汽车应用中是特 别重要的，这是由于磁场容易穿透大多数材料。此外，与例如光学传感器不同，磁敏传感器 对于灰尘非常不敏感。
[0003] 当前提供了若干不同磁敏传感器技术，例如基于霍尔效应的传感器；基于硅并且 以双极性的横向磁敏电阻器（LMR)、横向磁敏晶体管（LMT)和横向磁敏二极管（LMD)为基 础构建的横向磁场传感器；以及基于磁敏电阻器效应的传感器，例如各向异性磁敏电阻器 (AMR)和巨磁敏电阻器（GMR)传感器。基于霍尔效应的传感器和双极性横向磁敏电阻器、晶 体管和二极管（即，LMR、LMT和LMD)依赖于由作用在移动电荷载流子上的磁通量而产生的 洛伦兹力。AMR和GMR传感器系统的感测原理是基于以下物理现象：铁磁材料的电阻取决 于在磁化和AMR或GMR感测元件中的电流方向之间的角度。
[0004] 可以以多种方式构建对芯片平面内的磁场（H)或磁通密度（B)敏感的硅基磁敏传 感器，例如作为双极性磁敏电阻器（MR)、磁敏晶体管（MT)和磁敏二极管（MD)，其中每个都 包括两个或多个电流收集触点（集电极）和布置在集电极之间的至少一个电流发射的发射 触点（发射极）。除了发射极和集电极触点之外，MT具有基极触点，并在发射极和集电极之 间具有至少一个pn结。与MT相似，MD也在发射极和集电极之间具有至少一个pn结，但是 与MT不同的是它不具有基极触点。MR在发射极和集电极之间不具有pn结。
[0005] 在SOI(氧化物上的硅）衬底上，将触点结构制作为垂直或横向的磁敏晶体管（分 别为VMT或LMT)、横向磁敏二极管（LMD)或横向磁敏电阻器（LMR)。使用SOI衬底具有以 下优点：当用体材料CMOS(互补对称金属氧化物半导体）工艺技术制造时防止在这种传感 器中存在的泄漏电流。
[0006] 横向磁敏（晶体管、电阻器和二极管）传感器的操作依赖于实质对称形状的发射 极-集电极-触点结构，以及在集电极之间的空间中发射极电流分为具有两个相反方向的 分量的事实，并且横向磁敏传感器的操作受到由于在在两个相反方向内的两个划分电流部 分上作用的洛伦兹力而产生的磁通量密度（B)的影响。因此，差分的集电极电流是针对磁 通量密度（B)的测量值。对发射极电流的划分受到在所得到的集电极电流内的不平衡的影 响，即使当磁通量密度B等于零时。将集电极电流的差值称作传感器的"偏移"。甚至具有 实质完美几何对称设计的发射极-集电极-触点结构仍会受到偏移（和偏移传播）的影响。
[0007] 这种偏移的一个可能原因可以是由于在用于集电极和发射极触点结构（或用于 与这些功能相关联的触点区域）的P+和n+区域之间存在表面（浅）沟槽隔离区域（称作 STI)。与这些STI区域相关的应变和应力（且充电）界面态（interfacestates)可能是 由于通过STI加工引起的不完美的统计特性而造成集电极电流之间的不平衡的来源，从而 这些不完美性并非总是相同的并且不会同样地或对称地分布在STI区域中。
[0008] 偏移的其他原因可能与掩模失配、非均匀掺杂分布、机械应力和热梯度相关。由于 非常难以制造对所有这些因素不敏感的器件，必须设法使器件在布局、掺杂分布等方面上 对称。标准工艺中的掺杂分布并非总是理想化的。例如，通常在有倾角的衬底上执行实现 方案。可以通过将这种实现方案执行4次（四分之一象限）、其中每次将衬底旋转90度，来 改善掺杂对称性。然而，如果没有可能进行这样的操作，则仍然存在系统偏移。
【发明内容】
[0009] 本发明的目的在于提供一种硅基（优选地，基于SOI的）横向磁场传感器系统，其 具有实质对称布置的发射极-集电极结构，并且包含将发射极电流划分为方向彼此相反的 集电极相关分量，并且最终减小了差分电流传播的偏移，或甚至将其抵消为零。
[0010] 根据第一方面，通过根据独立权利要求1的差分磁场传感器系统、以及根据第二 方面，通过根据独立权利要求15所述的磁场传感器的二维阵列装置，来实现该目的。优选 实施例是从属权利要求的主题。
[0011] 根据本发明的第一方面，提供了一种差分磁场传感器系统，包括第一、第二和第 三磁场传感器，每个磁场传感器都布置为实质实质上相同，并且包括优选性的绝缘体上硅 (SOI)表面层部分，提供作为在优选性的SOI晶片上的表面部分。第一、第二和第三磁场传 感器中的每个都具有表面，在所述表面上和/或在所述表面中布置有以下部件：中央发射 极结构，形成为相对于与实质垂直于所述表面的对称平面实质镜面对称，以及第一和第二 集电极结构，其中每个均布置为远离发射极结构，并布置在对称平面的相对侧上，以便实质 上成为彼此的镜像。所述第一磁场传感器是双侧操作的，其中它的第一集电极结构和它的 发射极结构经由第一读出电路外部相连，它的第二集电极结构和它的发射极结构经由第二 读出电路外部相连。第二磁场传感器是单侧操作的，其中它的第一集电极结构和它的发射 极结构经由第三读出电路外部相连。第三磁场传感器是单侧操作的，其中它的第二集电极 结构和它的发射极结构经由第四读出电路外部相连。
[0012] 在根据第一方面的传感器系统中，由于存在三个实质相同布局的结构，除了双侧 操作的第一磁场传感器之外，通过提供第二和第三磁场传感器，有效地相互抵消了对偏移 的系统贡献（诸如，掩模失配和掺杂梯度），其中所述第二和第三磁场传感器中的每个都是 单侧操作的。
[0013] 根据本发明的第二方面，提供了一种包括磁场传感器的MXN阵列的二维磁场传 感器阵列装置，所述阵列具有Μ列和N行，其中通过整数索引i来对Μ列进行编号，整数索 弓丨i是从1到Μ的任意值，其中Μ和Ν是大于或等于3的整数。每个磁场传感器包括优选 性的绝缘体上硅（SOI)表面层部分，具有在所述表面上和/或在所述表面中布置以下部件 的表面：中央发射极结构，形成为相对于与实质垂直于所述表面的对称平面实质镜面对称， 以及第一和第二集电极结构，其中每个都布置为远离发射极结构，并布置在对称平面的相 对侧上，以便实质上成为彼此的镜像。通过对每个磁场传感器所属列加以只是的整数索引i以及对每个磁场传感器所属行加以只是的整数索引j来表示所述传感器（i，j)。磁场传 感器阵列装置还包括外部连接电路，配置为使得根据以下三元组结构之一来形成所述三元 组的磁场传感器：
[0014](a) (i，j)、（i，j+Ι)和（i，j+2)，其中i是从1到Μ的范围内的任意值，以及j是 从1到N-2的范围内的任意值；
[0015](b) (i，j)、（i+1，j)和（i+2,j)，其中i是从1到M-2的范围内的任意值，以及j 是从1到N的范围内的任意值；
[0016](c) (i，j)、（i+1，j+Ι)和（i+2,j+2)，其中i是从1到M-2的范围内的任意值，以 及j是从1到N-2的范围内的任意值；
[0017] (d) (i，j)、（i-1，j+Ι)和（i-2,j+2)，其中i是从3到Μ的范围内的任意值，以及 j是从1到Ν-2的范围内的任意值；以及
[0018] (e)从所有可用磁场传感器（i，j)随机选择出三个磁场传感器，其中i是从1到Μ 的范围内的任意值，j是从1到Ν的范围内的任意值。
[0019] 所述三元组结构（a)到（e)中的每一个配置为形成根据本发明第一方面的差分磁 场传感器系统。
[0020] 在根据第二方面的二维阵列装置中，形成三元组结构产生与根据第一方面的传感 器系统相同的优点，即相互抵消系统偏移。提供许多三元组结构呈现出针对偏移的随机因 子的平均效果，这样还导致额外减小了随机偏移。
[0021] 其他优点
[0022] 第一、第二和第三磁场传感器中的每个都具有横向尺寸。在传感器系统中，第一和 第二磁场传感器之间的距离以及第一和第三磁场传感器之间的距离可以小于横向尺寸的 10倍，优选地小于横向尺寸的5倍，更优选地小于横向尺寸的2倍。换言之，第一、第二和第 三磁场传感器可以是靠近彼此的。这样甚至导致更好地相互抵消系统偏移的所述原因。
[0023] 在第一、第二和第三磁场传感器中的每个中，通过第一部分发射极结构和第二部 分发射极结构来形成发射极结构，其中将第一部分和第二部分发射极结构布置为在对称平 面的相对侧上彼此相邻，以便实质成为彼此的镜像。相较于单发射极结构，这种布置的双发 射极结构涉及更好的对称度，因此偏移较小。
[0024] 第一、第二和第三磁场传感器中的每个可以实现为横向磁敏电阻器（LMR)，其中发 射极结构以及第一和第二集电极结构形成为在η型阱表面上和/或表面内的n+型结构。在 LMR中，第一、第二、第三和第四读出电路可以是电阻读出电路、电压读出电路或电流读出电 路之一。
[0025] 备选地，第一、第二和第三磁场传感器中的每个可以实现为横向磁敏晶体管 (LMT)，其中发射极结构以及第一和第二集电极结构形成为在p型阱表面上和/或表面内的 n+型结构。在LMT中，第一、第二、第三和第四读出电路可以是电流读出电路。
[0026] 依然备选地，第一、第二和第三磁场传感器中的每个可以实现为横向磁敏二极管 (LMD)，在所述横向磁敏二极管LMD(600)中实现以下结构之一。
[0027](1)将发射极结构形成为n+型结构，第一和第二集电极结构形成为p+型结构，所 述发射极结构和所述第一和第二集电极结构全部都在η型阱的表面上和/或表面内；
[0028] (2)将发射极结构形成为p+型结构，将第一和第二集电极结构形成为n+型结构， 所述发射极结构和所述第一和第二集电极结构全部都在η型阱的表面上和/或表面内；
[0029] (3)将发射极结构形成为η+型结构，将第一和第二集电极结构形成为ρ+型结构， 所述发射极结构和所述第一和第二集电极结构全部都在Ρ型阱的表面上和/或表面内；或
[0030] (4)将发射极结构形成为Ρ+型结构，将第一和第二集电极结构形成为η+型结构， 所述发射极结构和所述第一和第二集电极结构全部都在Ρ型阱的表面上和/或表面内。
[0031] 在LMD中，第一、第二、第三和第四读出电路可以是电阻读出电路、电压读出电路 或电流读出电路之一。
[0032] 在LMR和在LMD中，第一、第二和第三磁场传感器可以进行外部连接以便形成惠 斯通电桥型电路，其中提供有第一和第二分压器，并将其耦连在例如正电源电压电平和公 共接地电压电平之间。第一分压器可以包括：包含第二磁场传感器的第一集电极结构和发 射极结构在内的结构，以及包含第一磁场传感器的第一集电极结构和发射极结构在内的结 构。第二分压器可以包括：包含第三磁场传感器的第二集电极结构和发射极结构在内的结 构，以及包含第一磁场传感器的第二集电极结构和发射极结构在内的结构。这种惠斯通电 桥型电路还提供对在第一集电极和发射极之间的空间以及在第二集电极和发射极之间的 空间的可能电阻失衡的本征补偿。
[0033] 在惠斯通电桥型电路中，在第一分压器中，第二磁场传感器的第一集电极结构可 以耦接到电源电压电平，第二磁场传感器的发射极结构可以耦接到第一磁场传感器的第一 集电极结构，第一磁场传感器的发射极结构可以耦接到公共接地电压电平。在第二分压器 中，第三磁场传感器的第二集电极结构可以耦接到电源电压电平，第三磁场传感器的发射 极结构可以耦接到第一磁场传感器的第二集电极结构。传感器系统还可以包括差分电压输 出端子，包括第一和第二电压输出端子，其中所述第一电压输出端子可以耦接到在第二磁 场传感器的发射极结构以及第一磁场传感器的第一集电极结构之间的连接中的第一节点， 第二电压输出端子可以耦接到在第三磁场传感器的发射极结构和第一磁场传感器的第二 集电极结构之间的连接中的第二节点。这种惠斯通电桥型电路提供对系统偏移的有效减 小。
[0034] 当包含惠斯通电桥型电路的传感器系统还包括第一 1分2复用器和第二1分2复 用器（用于在惠斯通电桥的连接状态之间交替切换）时，实现了更好地偏移减小。
[0035] 第一 1分2复用器可以具有第一和第二输入端子以及第一至第四输出端子，可以 适用于切换到"a"状态或切换到"b"状态。在"a"状态中，第一输出端子可以连接到第一 输入端子，第三输出端子可以连接到第二输入端子；在"b"状态中，第二输出端子可以连接 到第一输入端子，第四输出端子可以连接到第二输入端子。此外，第一输出端子可以耦接到 第二输入端子以及电源电压电平，第一输出端子可以耦接到第三磁场传感器的第二集电极 结构，第二输出端子可以连接到第三磁场传感器的第一集电极结构，第三输出端子可以连 接到第二磁场传感器的第一集电极结构，并且第四输出端子可以连接到第二磁场传感器的 第二集电极结构。
[0036] 此外，第二1分2复用器可以具有第一和第二输入端子以及第一至第四输出端子， 可以适用于切换到"a"状态或切换到"b"状态。在"a"状态中，第二输出端子可以连接到第 一输入端子，并且第四输出端子可以连接到第二输入端子；而在"b"状态中，第一输出端子 可以连接到第一输入端子，第三输出端子可以连接到第二输入端子。此外，第一输入端子可 以耦接到第一磁场传感器的第二发射极结构以及惠斯通电桥型电路的第二电压输出端子， 第二输入端子可以耦接到第一磁场传感器的第一发射极结构以及惠斯通电桥型电路的第 一电压输出端子，第一输出端子可以与第四输出端子相连并耦接到第二磁场传感器的发射 极结构，第二输出端子可以与第三输出端子相连并耦接到第三磁场传感器的发射极结构。
[0037] 备选地或除了上述测量之外，当涉及惠斯通电桥型电路的传感器系统还可以包括 用于将磁场传感器系统循环地从第一状态切换到第二状态、从第二状态切换到第三状态、 从第三状态切换到第一状态的外部切换电路等等时，实现了对偏移的进一步减小。在第一 状态中，第一磁场传感器可以经由它的第一集电极结构到它的发射极结构并经由它的第二 集电极结构到它的发射极结构进行双侧操作，第二磁场传感器可以经由它的第一集电极结 构到它的发射极结构进行单侧操作，并且第三磁场传感器可以经由它的第二集电极结构到 它的发射极结构进行单侧操作。在第二状态中，第一状态的第一磁场传感器变为第三磁场 传感器，第一状态的第二磁场传感器变为第一磁场传感器，并且第一状态的第三磁场传感 器变为第二磁场传感器。在第三状态中，第一状态的第一磁场传感器变为第二磁场传感器， 第一状态的第二磁场传感器变为磁场传感器，并且第一状态的第三磁场传感器变为第一磁 场传感器。总之，当从第一状态经过第二状态到达第三状态时，所述三个磁场传感器改变它 的角色，即以循环的方式成为传感器系统的第一至第三磁场传感器之一。
[0038] 包含惠斯通电桥型电路的偏移补偿电路可用于与LMR和LMD连接，但不与LMT连 接。因此，需要一种可以用于连接LMT的补偿电路。
[0039] 为了支持用于连接LMT以及LMR和LMD，根据本发明的第一方面的传感器系统还可 以包括斩波（chopped)差分磁场传感器读出电路，包括：可切换的1分2复用器；第一差分 放大器；可切换的2合1复用器；第二差分放大器；第三差分放大器以及时钟电路，所述斩 波差分磁场传感器读出电路适用于提供传感器输出信号。
[0040] 可切换的1分2复用器具有第一和第二输入端子以及第一至第四输出端子，适用 于可切换到"a"状态，备选地，切换到"b"状态。第一和第二输入端子连接到电流源。第一 输出端子连接到第二磁场传感器的第一集电极结构。第二输出端子连接到第二磁场传感器 的第二集电极结构。第三输出端子连接到第三磁场传感器的第二集电极结构。第四输出端 子连接到第三磁场传感器的第一集电极结构。此外，在"a"状态中，第一输入端子连接到第 二输出端子，第二输入端子连接到第四输出端子；而在"b"状态中，第一输入端子连接到第 一输出端子，第二输入端子连接到第三输出端子。
[0041] 第一差分放大器具有" + "型输入端子、型输入端子以及输出端子，其中" + "型 输入端子可以耦接到第一磁场传感器的第一和第二集电极结构之一，型输入端子可以 耦接到第一磁场传感器的第一和第二集电极结构中的另一个。可切换的2合1复用器具有 第一至第四输入端子以及第一和第二输出端子，可以适用于切换到"a"状态或切换到"b" 状态。在"a"状态中，第一输入端子可以连接到第一输出端子，第三输入端子可以连接到第 二输出端子；在"b"状态中，第二输入端子可以连接到第一输出端子，第四输入端子可以连 接到第二输出端子。第一输入端子可以耦接到第二磁场传感器的第二集电极结构，第二输 入端子可以耦接到第三磁场传感器的第二集电极结构，第三输入端子可以耦接到第三磁场 传感器的第一集电极结构，第四输入端子可以耦接到第二磁场传感器的第一集电极结构。 时钟电路可以适用于将2合1的复用器依次地从它的"a"状态切换到它的"b"状态，从它 的"b状态"切换到它的"a"状态等。
[0042] 第二差分放大器具有" + "型输入端子，型输入端子以及输出端子，其中型 输入端子可以耦接到2合1复用器的第一输出端子，"+，，型输入端子可以适用于耦接到2 合1复用器的第二输出端子。第三差分放大器具有"+"型输入端子、型输入端子以及 输出端子，其中"+"型输入端子可以耦接到第一差分放大器的输出端子，"_，，型输入端子可 以耦接到第二差分放大器的输出端子，输出端子可以提供传感器输出信号。
[0043] 考虑到本发明的第二方面，所述二维磁场传感器阵列装置还可以包括：外部连接 电路；以及时钟电路，定义在t、t+△t、t+2 △t等等的时刻开始的时钟周期，使得根据以下 位置方案之一，在阵列装置中依次步进地设置每个磁场传感器的三元组结构：
[0044] (1)在时刻t的位置：（i，j);
[0045] 在时刻t+Δt的位置：（i+1，j)或（i-1，j);以及
[0046] 在时刻t+2Δt的位置：（i+2,j)或（i-2,j);
[0047] (2)在时刻t的位置：（i，j)，
[0048] 在时刻t+Δt的位置：（i，j+1)或（i，j_l);以及
[0049] 在时刻t+2Δt的位置：（i，j+2)或（i，j_2);
[0050] (3)在时刻t的位置：（i，j);
[0051 ]在时刻t+Δt的位置：（i+1，j+1)或（i-1，j_l);以及
[0052] 在时刻t+2Δt的位置：（i+2,j+2)或（i-2,j-2);且
[0053] (4)在时刻t的位置：（i，j);
[0054] 在时刻t+Δt的位置：（i+1，j_l)或（i-1，j+1);以及
[0055] 在时刻t+2Δt的位置：（i+2,j-2)或（i-2,j+2);
[0056] 所述的顺序位置（i，j)表示三元组结构中的第一磁场传感器在阵列装置中的位 置，而三元组结构中的第二和第三磁场传感器位于相对于第一磁场传感器的相应固定相对 位置。
[0057] 此外，下文描述了多个实施例，本领域技术人员根据对以下详细描述和附图的理 解，将清楚所述实施例。
【附图说明】
[0058] 将根据以下说明书、附图和所附权利要求清楚本发明的不同实施例的多种方面、 特征和优点。
[0059] 图la不出了实现为横向磁敏电阻器形式的差分横向磁场传感器的第一实施例的 示意横截面，所述差分横向磁场传感器用于通过提供多个根据本发明的磁场传感器来在差 分磁场传感器系统中实现偏移偏移抵消。
[0060] 图lb示出了图la的磁场传感器的示意顶视图。
[0061] 图2a示出了实现为横向磁敏电阻器形式的差分横向磁场传感器的第二实施例的 示意横截面，所述差分横向磁场传感器用于通过提供多个根据本发明的磁场传感器来在差 分磁场传感器系统中实现偏移抵消。
[0062] 图2b示出了图2a的磁场传感器的示意顶视图。
[0063] 图3a示出了根据本发明的差分横向磁场传感器系统的第一实施例，由三个图la 和lb所述横向磁敏电阻器的实施例形成所述差分横向磁场传感器系统，其中示出了每个 横向磁敏电阻器的横截面视图。
[0064] 图3b示出了根据本发明的差分横向磁场传感器系统的第二实施例，由三个图la 和lb所述横向磁敏电阻器的实施例形成所述差分横向磁场传感器系统，其中示出了每个 横向磁敏电阻器的横截面视图。
[0065]图4a示出了根据本发明的差分横向磁场传感器系统的实施例的示意电路图，实 现为使用三个图la和lb所示横向磁敏电阻器的实施例的惠斯通电桥型偏移补偿电路的形 式。
[0066] 图4b示出了根据本发明的差分横向磁场传感器系统的另一实施例的示意电路 图，实现为使用三个图la和lb所示横向磁敏电阻器的实施例的惠斯通电桥型偏移补偿电 路的形