一種集成霍爾磁傳感器封裝應(yīng)力補(bǔ)償電路和方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種對(duì)集成霍爾磁傳感器封裝應(yīng)力進(jìn)行補(bǔ)償和消除的電路和方法，屬 于傳感器技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 霍爾傳感器是一種基于霍爾效應(yīng)的磁電轉(zhuǎn)換元件，憑借其工藝簡(jiǎn)單、體積小、生產(chǎn) 成本低、安裝簡(jiǎn)便、工作電壓范圍寬、使用壽命長(zhǎng)、測(cè)量精度高以及防塵、防油等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng) 廣泛地應(yīng)用到工業(yè)變頻控制、交通運(yùn)輸、醫(yī)療系統(tǒng)、電子消費(fèi)品和各類智能儀表等領(lǐng)域。
[0003] 但是由于很多原因，霍爾傳感器會(huì)受到應(yīng)力的影響并最終使傳感器性能發(fā)生較明 顯的變化。例如:在晶圓制造工藝、封裝過(guò)程、將封裝片焊接到電路板的過(guò)程、塑料密封模塊 的注塑過(guò)程以及外部應(yīng)力等等。在諸多原因中，封裝應(yīng)力最為常見(jiàn)，封裝應(yīng)力不僅會(huì)通過(guò)壓 阻效應(yīng)使霍爾片產(chǎn)生與應(yīng)力相關(guān)的失調(diào)，而且產(chǎn)生的壓電效應(yīng)會(huì)使霍爾傳感器的靈敏度發(fā) 生相應(yīng)的變化，影響霍爾傳感器的正常工作。
[0004] 應(yīng)力補(bǔ)償電路可以采用數(shù)字電路技術(shù)，即：預(yù)先將機(jī)械應(yīng)力引起的霍爾信號(hào)變化 存入存儲(chǔ)器中，將產(chǎn)生的霍爾信號(hào)與其相減以消除壓電效應(yīng)的影響。這種方法操作簡(jiǎn)便，無(wú) 需引入復(fù)雜的電路，但是，其缺點(diǎn)是如果預(yù)先存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)不完善，最終補(bǔ)償?shù)男Ч麑⒉惶?想。而本發(fā)明采用基于模擬電路技術(shù)的應(yīng)力補(bǔ)償電路，能夠很好地解決上面的問(wèn)題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明目的在于解決了上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提出了一種集成霍爾磁傳感器封裝 應(yīng)力補(bǔ)償電路，該電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，容易實(shí)現(xiàn)，能夠有效地消除集成霍爾傳感器封裝應(yīng)力對(duì)磁 場(chǎng)靈敏度的影響。
[0006] 本發(fā)明解決其技術(shù)問(wèn)題所采取的技術(shù)方案是:針對(duì)集成霍爾傳感器封裝應(yīng)力產(chǎn)生 的壓電效應(yīng)對(duì)霍爾片磁場(chǎng)靈敏度的影響，本發(fā)明提出了一種基于模擬信號(hào)技術(shù)的封裝應(yīng)力 補(bǔ)償電路，整體電路包括應(yīng)力檢測(cè)電路、偏置電路以及應(yīng)力補(bǔ)償電路，整體電路結(jié)構(gòu)示意圖 如圖1所示。應(yīng)力檢測(cè)電路包括應(yīng)力傳感器、差分-差分放大器(DDA)和模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)。偏 置電路包括基準(zhǔn)電流、鏡像電流源、比例微電流源。應(yīng)力傳感器和霍爾傳感器集成在同一芯 片上，產(chǎn)生與封裝應(yīng)力成正比的微弱的電信號(hào)，與應(yīng)力傳感器的失調(diào)消除信號(hào)起傳輸 到DDA，經(jīng)DDA放大后輸入ADC進(jìn)行信號(hào)的模數(shù)轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號(hào)接入應(yīng)力補(bǔ)償電路并 控制應(yīng)力補(bǔ)償電流的大小與極性，產(chǎn)生的應(yīng)力補(bǔ)償電流與偏置電流Ιο-起輸入霍爾器件， 最終抵消霍爾器件受封裝應(yīng)力的影響。
[0007] 本發(fā)明所述的偏置電路如圖2所示，偏置電路包括基準(zhǔn)電流源10、6個(gè)MOS管(匪1、 匪2、匪3、匪4、ΡΜ1、ΡΜ2)和一個(gè)可變電阻R3。匪1的漏極與電流源1〇相連，匪1的漏極電流為 1〇,匪2與匪1的柵極互相連接形成鏡像電流源，匪2的漏極電流均為1〇,匪3與匪1的柵極互相 連接，匪3的源極與可變電阻R3連接，形成比例微電流源，匪3的漏極電流通過(guò)調(diào)節(jié)可變電阻 R3后等于Im( Im= I(AVstre3SSM，Ιμ為最大補(bǔ)償電流，λ為應(yīng)力補(bǔ)償系數(shù)，VstosSM是最大可測(cè)應(yīng)力 的大小）。匪2的漏極與霍爾片的一端相連，PM1的漏極電流等于Im，PM2與PM1的柵極互相連 接形成電流鏡，PM2的漏極電流為Im，匪4的漏極與PM2的漏極連接，匪4的漏極電流為Im。匪3 的源極通過(guò)可變電阻R3與地GND連接，匪1、匪2、匪4的源極與地GND連接，PM 1、PM2的源極與 電源VDD連接。
[0008] 本發(fā)明所述的應(yīng)力檢測(cè)電路如圖3所示，應(yīng)力檢測(cè)電路包括4個(gè)應(yīng)力檢測(cè)電阻(兩 個(gè)Rn和兩個(gè)Rp，其中Rn是η型摻雜電阻，Rp是P型摻雜電阻）、具有負(fù)反饋環(huán)路的差分-差分運(yùn) 算放大器(DDA)、模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)、6個(gè)反相器(Invl、Inv2、Inv3、Inv4、Inv5、Inv6)。4個(gè)應(yīng) 力檢測(cè)電阻(兩個(gè)Rn、兩個(gè)Rp)分布在霍爾片的周圍，能準(zhǔn)確測(cè)量霍爾片受到的應(yīng)力，4個(gè)應(yīng) 力檢測(cè)電阻組成回路的四個(gè)連接點(diǎn)中兩點(diǎn)接偏置電壓與地GND，另外兩點(diǎn)作為輸出的應(yīng)力 電壓Vstress接差分-差分運(yùn)算放大器(DDA)的一對(duì)差分輸入端，DDA另外一對(duì)輸入接應(yīng)力檢測(cè) 器的失調(diào)補(bǔ)償電壓Voff，DDA通過(guò)R1、R2組成的回路形成負(fù)反饋放大器，放大倍數(shù)由R1、R2的 值確定。DDA的輸出端接模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)，將消除失調(diào)的應(yīng)力信號(hào)放大一定倍數(shù)后送入 ADC，模數(shù)轉(zhuǎn)換器最終將放大的應(yīng)力信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。6比特ADC的輸出信號(hào)為X、a、b、c、 d、e、f，其中X表示輸出信號(hào)的極性。信號(hào)a、b、c、d、e、f分別經(jīng)反相器Invl、Inv2、Inv3、Inv4、 11^5、11^6輸出反信號(hào) &.、：石、.(；、5.、.0.、.？。
[0009] 本發(fā)明所述的應(yīng)力補(bǔ)償電路如圖4所示，應(yīng)力補(bǔ)償電路包括12個(gè)M0S管(匪5、匪6、 匪7、匪8、NM9、匪10、PM3、PM4、PM5、PM6、PM7、PM8)、12個(gè)開(kāi)關(guān)管（6個(gè)匪0S開(kāi)關(guān)管KN1、KN2、 題3、題4、題5、咖6和6個(gè)？]?05開(kāi)關(guān)管砑1、砑2、砑3、砑4、砑5、砑6)和2個(gè)傳輸門〇61和丁62， TG1是PM0S傳輸門，TG2是匪0S傳輸門）。PM3、PM4、PM5、PM6、PM7、PM8的柵極與PM2的柵極連 接，PM3、PM4、PM5、PM6、PM7、PM8的漏極通過(guò)PM0S傳輸門TG1與霍爾片的一端連接，PM3、PM4、 PM5、PM6、PM7、PM8 的源極分別通過(guò) PM0S 開(kāi)關(guān)管與電源VDD 連接，NM5、NM6、NM7、NM8、NM9、NM10 的柵極與NM4的柵極連接，NM5、NM6、NM7、NM8、NM9、NM10的漏極通過(guò)NM0S傳輸門TG2與霍爾片 的一端連接，NM5、NM6、NM7、NM8、NM9、NM10的源極分別通過(guò)NM0S開(kāi)關(guān)管與地GND連接。信號(hào) S、石、[、5、5、F分別連接開(kāi)關(guān)管砑1、1032、砑3、砑4、即5、即6的柵極，信號(hào)&、13、。、(1、6、 f分別連接開(kāi)關(guān)管KN1、KN2、KN3、KN4、KN5、KN6的柵極。
[0010]如圖5所示，本發(fā)明還提供了一種集成霍爾磁傳感器封裝應(yīng)力補(bǔ)償電路的設(shè)計(jì)方 法，該方法實(shí)現(xiàn)原理與流程包括:其實(shí)現(xiàn)原理是，霍爾片受封裝應(yīng)力影響后會(huì)產(chǎn)生壓電效 應(yīng)，壓電效應(yīng)使霍爾片的磁場(chǎng)靈敏度S。發(fā)生變化(理想情況下，磁場(chǎng)靈敏度是恒定不變的）， 為了消除這種變化，引入應(yīng)力電壓V sta3ss，根據(jù)靈敏度補(bǔ)償公式Sc^zSXl+AVst^)進(jìn)行補(bǔ) 償(λ為補(bǔ)償系數(shù)），補(bǔ)償后的靈敏度將不隨應(yīng)力發(fā)生變化。但是由于磁場(chǎng)靈敏度不能直 接補(bǔ)償，于是將磁場(chǎng)靈敏度補(bǔ)償轉(zhuǎn)化為霍爾片偏置電流的補(bǔ)償，根據(jù)靈敏度補(bǔ)償公式 = S(J( l+AVstress)類推出電流補(bǔ)償公式Iplate= Iq( l+xvstress)，IplatA流經(jīng)霍爾片的電流，Ιο 為偏置電流。根據(jù)電流補(bǔ)償公式得到新的霍爾片偏置電流為ΙΡι_，因此需要引入的應(yīng)力補(bǔ) 償電流為IdcAVstrw。電路設(shè)計(jì)上，只需將輸出電流為的補(bǔ)償電路連接到霍 爾片的輸入電流支路，就能消除磁場(chǎng)靈敏度的變化。根據(jù)該原理提出的設(shè)計(jì)方法流程是:首 先由應(yīng)力檢測(cè)電路檢測(cè)出霍爾片受到的封裝應(yīng)力V stress，Vstress經(jīng)過(guò)運(yùn)算放大器放大后的信 號(hào)輸入模數(shù)轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號(hào)接入應(yīng)力補(bǔ)償電路并控制應(yīng)力補(bǔ)償電流的大小與極 性，產(chǎn)生的應(yīng)力補(bǔ)償電流I。與偏置電流Ιο-起輸入霍爾器件，最終消除霍爾器件中封裝應(yīng)力 產(chǎn)生的電流。
[0011] 有益效果：
[0012] 1、本發(fā)明的應(yīng)力補(bǔ)償方法簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)，能夠有效地消除集成霍爾傳感器封裝 應(yīng)力對(duì)失調(diào)電壓和磁場(chǎng)靈敏度的影響。
[0013] 2、本發(fā)明提出的應(yīng)力補(bǔ)償電路能根據(jù)封裝應(yīng)力的大小產(chǎn)生精確的可調(diào)節(jié)的補(bǔ)償 電流，能夠有效消除壓電效應(yīng)對(duì)霍爾器件磁場(chǎng)靈敏度的影響，提高集成霍爾傳感器的可靠 性。
[0014] 3、本發(fā)明提出的應(yīng)力補(bǔ)償電路可廣泛應(yīng)用于各種CMOS集成霍爾磁傳感器中，具有 面積小，功耗低和移植性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。
【附圖說(shuō)明】
[0015] 圖1是本發(fā)明提出的消除霍爾傳感器封裝應(yīng)力對(duì)霍爾片磁場(chǎng)靈敏度影響的整體電 路結(jié)構(gòu)示意圖。
[0016] 圖2是圖1提出的整體電路結(jié)構(gòu)中的偏置電路的具體實(shí)現(xiàn)電路圖。