三维霍尔传感器及空间磁场矢量的测量方法与流程

本发明涉及半导体，特别是涉及一种三维霍尔传感器及空间磁场矢量的测量方法。

背景技术：

1、霍尔传感器是一种基于霍尔效应实现磁信号转换电信号的磁电传感器件，一般用于检测磁场大小与方向、磁体位置及其变化等，广泛应用于汽车级、工业级与消费级产品中。

2、随着磁电传感应用场景的飞速发展，用于探测一维磁场的单轴霍尔传感器已无法满足多维磁场的探测需求。与单轴霍尔传感器相比，在三维空间内，即便存在不同方向的磁场信号，三维霍尔传感器仍然可以完成磁场信号的探测，并将其转变为电信号进行输出，经过后续信号处理后，为相关应用提供多元数据。

3、目前，三维霍尔传感器的典型结构主要包括以下三种方案：（1）采用三个相同的水平型霍尔传感器，通过将三个水平型霍尔传感器放置于x，y，z轴的正交平面，实现对三维磁场的测量；（2）采用水平型霍尔传感器和至少两个垂直型霍尔传感器进行组合，制备三维霍尔传感器，实现对三维磁场的测量；（3）采用水平型霍尔传感器和导磁/聚磁结构进行组合，通过导磁/聚磁结构将沿与霍尔平面平行方向的磁场分量转换为沿其垂直方向的磁场信号，利用水平型霍尔传感器实现对三维磁场的测量。然而，上述技术方案存在如下的问题：

4、一、方案（1）需要将三个水平型霍尔传感器精确放置并保持霍尔平面彼此正交，才能实现三维霍尔传感器的低误差测量，故工艺难度大、制造成本高，而且三面正交的封装结构稳定性差，收到外部冲击极易导致封装结构内部失衡，甚至导致功能失效。

5、二、方案（2）通常采用cmos工艺制备三维霍尔传感器，由于磁感应层一般选用硅基材料，硅基霍尔芯片的灵敏度低，受限于垂直型霍尔传感器的结构，垂直型霍尔传感器比水平型霍尔传感器的灵敏度更低，一般需要设置单独信号调节电路进行补偿，影响测量精度；类似地，方案（3）中需要配合使用多个霍尔传感芯片与导磁结构的数量较多，并且对霍尔传感芯片和导磁结构的定位精度提出了严格要求，装配误差对测试精度的影响较大。

6、应该注意，上面对技术背景的介绍只是为了方便对本技术的技术方案进行清楚、完整的说明，并方便本领域技术人员的理解而阐述的。不能仅仅因为这些方案在本技术的背景技术部分进行了阐述而认为上述技术方案为本领域技术人员所公知。

技术实现思路

1、鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种三维霍尔传感器，用于解决现有的霍尔传感器件在三维空间磁场探测的应用中，存在功能元件的定位精度、封装结构稳定性等因素导致的测量误差偏大，以及封装体积等的问题。

2、为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种三维霍尔传感器，包括：

3、基板；

4、第一霍尔效应元件和第二霍尔效应元件，所述第一霍尔效应元件和所述第二霍尔效应元件以其磁感应功能区平行于所述基板的表面叠置于所述基板之上，用于感应沿基板表面的正交方向的磁通密度并将其转变为电信号输出；

5、导磁部件，位于所述第一霍尔效应元件和所述第二霍尔效应元件之上，用于将平行于基板表面的磁场分量进行偏转并沿其正交方向导出磁场信号，所述导磁部件与所述第一霍尔效应元件的磁感应功能区在基板表面的正投影存在交叠且界定第一交叠区域，并且所述导磁部件与所述第二霍尔效应元件的磁感应功能区在基板表面的正投影存在交叠且界定第二交叠区域，所述第二交叠区域具有与所述第一交叠区域不同的面积以在驱动信号被施加时，致使所述第一霍尔效应元件的磁感应功能区感应的外部磁场和所述导磁部件导出的磁场信号的叠加磁场与所述第二霍尔效应元件的磁感应功能区感应的外部磁场和所述导磁部件导出的磁场信号的叠加磁场之间存在不同。

6、可选地，所述第一霍尔效应元件和所述第二霍尔效应元件采用选自以下项中的一种材料制成的半导体薄膜霍尔元件：si、gaas、inp、inas、和insb。

7、可选地，通过将第一霍尔传感芯片和第二霍尔传感芯片依次设置于所述基板之上，使所述第一霍尔效应元件和所述第二霍尔效应元件叠置。

8、可选地，所述第一霍尔效应元件的磁感应功能区与所述第二霍尔效应元件的磁感应功能区偏心设置；和/或，所述第一霍尔传感芯片和所述第二霍尔传感芯片布置成两者在基板表面的正投影存在交叠，并且两者形成交叠的区域基于所述第一霍尔传感芯片和所述第二霍尔传感芯片中任一者的占地面积的百分比为20%-80%。

9、进一步地，所述导磁部件定位成完全覆盖所述第一霍尔效应元件与所述第二霍尔效应元件在基板表面的正投影形成交叠的区域之上，于所述第一交叠区域具有第一交叠面积a1，以及所述第二交叠区域具有第二交叠面积a2，且满足：当a1＞a2时，1.7＜[a1/a2]＜7；或者，当a2＞a1时，1.7＜[a2/a1]＜7。

10、可选地，还包括：第一金属电极部，位于所述第一霍尔传感芯片的表面，所述第一金属电极部电连接至所述第一霍尔传感芯片的电极部；

11、第二金属电极部，位于所述第二霍尔传感芯片的表面，所述第二金属电极部电连接至所述第二霍尔传感芯片的电极部；

12、其中，所述第一金属电极部和所述第二金属电极部分别定位于所述基板的对边上方。

13、可选地，还包括：第一无机钝化层，覆盖所述第一霍尔传感芯片的裸露表面，用于将所述第一霍尔传感芯片与所述第二霍尔传感芯片分隔。

14、可选地，所述第一霍尔效应元件和所述第二霍尔效应元件的磁感应功能区分别设置成十字形、矩形、方形、八边形或四叶苜蓿形。

15、可选地，还包括：

16、第二无机钝化层，覆盖所述第二霍尔效应元件的裸露表面和所述第二金属电极部的一部分；

17、有机钝化层，位于所述无机钝化层上，用于提供对所述第一霍尔效应元件及所述第二霍尔效应元件的保护，覆盖所述第一金属电极部和所述第二金属电极部的裸露部分；和/或，

18、粘附层，所述导磁部件通过所述粘附层贴附于所述有机钝化层上。

19、可选地，所述导磁部件包括导入端和导出端，所述导出端设置成沿基板表面的正交方向导出磁场信号。

20、本发明还提供一种空间磁场矢量的测量方法，其特征在于，使用前述的三维霍尔传感器执行所述空间磁场矢量的测量方法，包括以下步骤：

21、将所述三维霍尔传感器先后置于三种彼此正交的标准单轴磁场矢量，于已知的单轴磁场矢量下在设定的驱动信号被施加时，对所述第一霍尔效应元件和所述第二霍尔效应元件进行固定相测试，以及对所述第一霍尔效应元件和所述第二霍尔效应元件中的一者进行变相位测试，采集所探测的输出信号；

22、建立所述三维霍尔传感器沿三个正交方向的单轴磁场矢量方向的磁通密度与输出信号的转换系数；

23、将所述三维霍尔传感器置于待测的空间磁场，在设定的驱动信号被施加时，对所述第一霍尔效应元件和所述第二霍尔效应元件进行固定相测试，以及所述第一霍尔效应元件和所述第二霍尔效应元件中的一者进行变相位测试，采集所探测的输出信号，基于所建立的沿三个正交方向的单轴磁场矢量方向的磁通密度与输出信号的转换系数，将所探测的输出信号转换得到所述空间磁场的方向和磁场强度。

24、如上所述，应用本发明的三维霍尔传感器，通过将两个霍尔效应元件以磁感应功能区部分重叠的方式布置于基板上，两个霍尔效应元件分别采用水平型霍尔元件，导磁部件分别与两个霍尔效应元件形成交叠且界定面积不同的交叠区域以将与磁感应功能区平行的磁场分量进行偏转并沿其正交方向导出磁场信号，两个霍尔效应元件分别相关于同一基板进行定位，易于实现功能元件的定位精度以及装配稳定性，两个霍尔效应元件独立工作，基于两个霍尔效应元件的驱动信号感测叠加磁场的磁通密度并转变成输出信号，能够转换得到外加磁场的方向及其磁场强度，保证功能单元的工作稳定性，从而实现三维磁场信号的精确测量；此外，将三维霍尔传感器先后置于三个正交的标准单轴磁场矢量，通过于标准单轴磁场矢量条件下对两个霍尔效应元件进行固定相位测试，以及对其中一霍尔效应元件进行变相位测试，建立输出信号与沿单轴方向的磁场分量之间的转换系数，基于三维霍尔传感器置于外部磁场下被施加的驱动信号和感应生成的电信号，转换得到外部磁场的方向以及磁场强度。