一种集成霍尔磁传感器封装应力补偿电路和方法技术

本发明专利技术公开了一种集成霍尔磁传感器封装应力补偿电路和方法，整体电路包括应力检测电路、偏置电路以及应力补偿电路。应力检测电路包括应力传感器、差分-差分放大器(DDA)和模数转换器(ADC)三部分电路。偏置电路包括基准电流、镜像电流源、比例微电流源三部分。偏置电路和霍尔传感器集成在同一芯片上的应力传感器产生与封装应力成正比的微弱的电信号，与应力传感器的失调补偿电压Voff一起传输到DDA，经DDA放大后输入ADC进行信号的模数转换，转换后的数字信号接入应力补偿电路并控制应力补偿电流的大小与极性，产生的应力补偿电流与偏置电流I0一起输入霍尔器件，最终消除霍尔器件中应力产生的电流。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种对集成霍尔磁传感器封装应力进行补偿和消除的电路和方法，属于传感器

技术介绍
霍尔传感器是一种基于霍尔效应的磁电转换元件,凭借其工艺简单、体积小、生产成本低、安装简便、工作电压范围宽、使用寿命长、测量精度高以及防尘、防油等优点,已经广泛地应用到工业变频控制、交通运输、医疗系统、电子消费品和各类智能仪表等领域。但是由于很多原因，霍尔传感器会受到应力的影响并最终使传感器性能发生较明显的变化。例如：在晶圆制造工艺、封装过程、将封装片焊接到电路板的过程、塑料密封模块的注塑过程以及外部应力等等。在诸多原因中，封装应力最为常见，封装应力不仅会通过压阻效应使霍尔片产生与应力相关的失调，而且产生的压电效应会使霍尔传感器的灵敏度发生相应的变化，影响霍尔传感器的正常工作。应力补偿电路可以采用数字电路技术，即：预先将机械应力引起的霍尔信号变化存入存储器中，将产生的霍尔信号与其相减以消除压电效应的影响。这种方法操作简便，无需引入复杂的电路，但是，其缺点是如果预先存储的数据不完善，最终补偿的效果将不太理想。而本专利技术采用基于模拟电路技术的应力补偿电路，能够很好地解决上面的问题。
技术实现思路
本专利技术目的在于解决了上述现有技术的不足，提出了一种集成霍尔磁传感器封装应力补偿电路，该电路结构简单，容易实现，能够有效地消除集成霍尔传感器封装应力对磁场灵敏度的影响。本专利技术解决其技术问题所采取的技术方案是：针对集成霍尔传感器封装应力产生的压电效应对霍尔片磁场灵敏度的影响，本专利技术提出了一种基于模拟信号技术的封装应力补偿电路，整体电路包括应力检测电路、偏置电路以及应力补偿电路，整体电路结构示意图如图1所示。应力检测电路包括应力传感器、差分-差分放大器(DDA)和模数转换器(ADC)。偏置电路包括基准电流、镜像电流源、比例微电流源。应力传感器和霍尔传感器集成在同一芯片上，产生与封装应力成正比的微弱的电信号，与应力传感器的失调消除信号Voff一起传输到DDA，经DDA放大后输入ADC进行信号的模数转换，转换后的数字信号接入应力补偿电路并控制应力补偿电流的大小与极性，产生的应力补偿电流与偏置电流I0一起输入霍尔器件，最终抵消霍尔器件受封装应力的影响。本专利技术所述的偏置电路如图2所示，偏置电路包括基准电流源I0、6个MOS管(NM1、NM2、NM3、NM4、PM1、PM2)和一个可变电阻R3。NM1的漏极与电流源I0相连，NM1的漏极电流为I0，NM2与NM1的栅极互相连接形成镜像电流源，NM2的漏极电流均为I0，NM3与NM1的栅极互相连接，NM3的源极与可变电阻R3连接，形成比例微电流源，NM3的漏极电流通过调节可变电阻R3后等于IM(IM＝I0λVstressM，IM为最大补偿电流，λ为应力补偿系数，VstressM是最大可测应力的大小)。NM2的漏极与霍尔片的一端相连，PM1的漏极电流等于IM，PM2与PM1的栅极互相连接形成电流镜，PM2的漏极电流为IM，NM4的漏极与PM2的漏极连接，NM4的漏极电流为IM。NM3的源极通过可变电阻R3与地GND连接，NM1、NM2、NM4的源极与地GND连接，PM1、PM2的源极与电源VDD连接。本专利技术所述的应力检测电路如图3所示，应力检测电路包括4个应力检测电阻(两个Rn和两个Rp，其中Rn是n型掺杂电阻，Rp是P型掺杂电阻)、具有负反馈环路的差分-差分运算放大器(DDA)、模数转换器(ADC)、6个反相器(Inv1、Inv2、Inv3、Inv4、Inv5、Inv6)。4个应力检测电阻(两个Rn、两个Rp)分布在霍尔片的周围，能准确测量霍尔片受到的应力，4个应力检测电阻组成回路的四个连接点中两点接偏置电压与地GND，另外两点作为输出的应力电压Vstress接差分-差分运算放大器(DDA)的一对差分输入端，DDA另外一对输入接应力检测器的失调补偿电压Voff，DDA通过R1、R2组成的回路形成负反馈放大器，放大倍数由R1、R2的值确定。DDA的输出端接模数转换器(ADC)，将消除失调的应力信号放大一定倍数后送入ADC，模数转换器最终将放大的应力信号转换为数字信号。6比特ADC的输出信号为X、a、b、c、d、e、f，其中X表示输出信号的极性。信号a、b、c、d、e、f分别经反相器Inv1、Inv2、Inv3、Inv4、Inv5、Inv6输出反信号本专利技术所述的应力补偿电路如图4所示，应力补偿电路包括12个MOS管(NM5、NM6、NM7、NM8、NM9、NM10、PM3、PM4、PM5、PM6、PM7、PM8)、12个开关管(6个NMOS开关管KN1、KN2、KN3、KN4、KN5、KN6和6个PMOS开关管KP1、KP2、KP3、KP4、KP5、KP6)和2个传输门(TG1和TG2，TG1是PMOS传输门，TG2是NMOS传输门)。PM3、PM4、PM5、PM6、PM7、PM8的栅极与PM2的栅极连接，PM3、PM4、PM5、PM6、PM7、PM8的漏极通过PMOS传输门TG1与霍尔片的一端连接，PM3、PM4、PM5、PM6、PM7、PM8的源极分别通过PMOS开关管与电源VDD连接，NM5、NM6、NM7、NM8、NM9、NM10的栅极与NM4的栅极连接，NM5、NM6、NM7、NM8、NM9、NM10的漏极通过NMOS传输门TG2与霍尔片的一端连接，NM5、NM6、NM7、NM8、NM9、NM10的源极分别通过NMOS开关管与地GND连接。信号分别连接开关管KP1、KP2、KP3、KP4、KP5、KP6的栅极，信号a、b、c、d、e、f分别连接开关管KN1、KN2、KN3、KN4、KN5、KN6的栅极。如图5所示，本专利技术还提供了一种集成霍尔磁传感器封装应力补偿电路的设计方法，该方法实现原理与流程包括：其实现原理是，霍尔片受封装应力影响后会产生压电效应，压电效应使霍尔片的磁场灵敏度Sσ发生变化(理想情况下，磁场灵敏度是恒定不变的)，为了消除这种变化，引入应力电压Vstress，根据灵敏度补偿公式Scomp＝Sσ(1+λVstress)进行补偿(λ为补偿系数)，补偿后的灵敏度Scomp将不随应力发生变化。但是由于磁场灵敏度不能直接补偿，于是将磁场灵敏度补偿转化为霍尔片偏置电流的补偿，根据灵敏度补偿公式Scomp＝Sσ(1+λVstress)类推出电流补偿公式Iplate＝I0(1+λVstress)，Iplate为流经霍尔片的电流，I0为偏置电流。根据电流补偿公式得到新的霍尔片偏置电流本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种集成霍尔磁传感器封装应力补偿电路，其特征在于：所述电路是一种基于模拟信号技术的封装应力补偿电路，所述电路包括应力检测电路、偏置电路和应力补偿电路，应力检测电路包括应力传感器、差分‑差分放大器(DDA)和模数转换器(ADC)，偏置电路包括基准电流、镜像电流源、比例微电流源；应力传感器和霍尔传感器集成在同一芯片上，产生与封装应力成正比的微弱的电信号，与应力传感器的失调消除信号Voff一起传输到DDA，经DDA放大后输入ADC进行信号的模数转换，转换后的数字信号接入应力补偿电路并控制应力补偿电流的大小与极性，产生的应力补偿电流与偏置电流I0一起输入霍尔器件，最终抵消霍尔器件受封装应力的影响。

【技术特征摘要】
1.一种集成霍尔磁传感器封装应力补偿电路，其特征在于：所述电路是一种基于模拟信
号技术的封装应力补偿电路，所述电路包括应力检测电路、偏置电路和应力补偿电路，应力
检测电路包括应力传感器、差分-差分放大器(DDA)和模数转换器(ADC)，偏置电路包括
基准电流、镜像电流源、比例微电流源；应力传感器和霍尔传感器集成在同一芯片上，产生
与封装应力成正比的微弱的电信号，与应力传感器的失调消除信号Voff一起传输到DDA，经
DDA放大后输入ADC进行信号的模数转换，转换后的数字信号接入应力补偿电路并控制应
力补偿电流的大小与极性，产生的应力补偿电流与偏置电流I0一起输入霍尔器件，最终抵消
霍尔器件受封装应力的影响。
2.根据权利要求1所述的一种集成霍尔磁传感器封装应力补偿电路，其特征在于：所述
偏置电路包括基准电流源I0、6个MOS管(NM1、NM2、NM3、NM4、PM1、PM2)和一
个可变电阻R3，所述NM1的漏极与电流源I0相连，NM1的漏极电流为I0，NM2与NM1的
栅极互相连接形成镜像电流源，NM2的漏极电流均为I0，NM3与NM1的栅极互相连接，NM3
的源极与可变电阻R3连接，形成比例微电流源，NM3的漏极电流通过调节可变电阻R3后
等于IM，IM＝I0λVstressM，IM为最大补偿电流，λ为应力补偿系数，VstressM是最大可测应力的大
小，NM2的漏极与霍尔片的一端相连，PM1的漏极电流等于IM，PM2与PM1的栅极互相连
接形成电流镜，PM2的漏极电流为IM，NM4的漏极与PM2的漏极连接，NM4的漏极电流为
IM，NM3的源极通过可变电阻R3与地GND连接，NM1、NM2、NM4的源极与地GND连
接，PM1、PM2的源极与电源VDD连接。
3.根据权利要求1所述的一种集成霍尔磁传感器封装应力补偿电路，其特征在于：所述
应力检测电路部分包括4个应力检测电阻，即(两个Rn和两个Rp，其中Rn是n型掺杂电
阻，Rp是P型掺杂电阻)、具有负反馈环路的差分-差分运算放大器(DDA)、模数转换器
(ADC)、6个反相器(Inv1、Inv2、Inv3、Inv4、Inv5、Inv6)；4个应力检测电阻(两个Rn、
两个Rp)分布在霍尔片的周围，用于测量霍尔片受到的应力，4个应力检测电阻组成回路的
四个连接点中两点接偏置电压与地GND，另外两点作为输出的应力电压Vstress接差分-差分运
算放大器(DDA)的一对差分输入端，DDA另外一对输入接应力检测器的失调补偿电压Voff，
DDA通过R1、R2组成的回路形成负反馈放大器，放大倍数由R1、R2的值确定；所述的DDA
的输出端接模数转换器(ADC)，将消除失调的应力信号放大一定倍数后送入ADC，模数转
换器最终将放大的应力信号转换为数字信号，6比特ADC的输出信号为X、a、b、c、d、e、
f，其中X表示输出信号的极性，信号a、b、c、d、e、f分别经反相器Inv1、Inv2、Inv3、Inv4、
Inv5、Inv6输出反信号4.根据权利要求1所述的一种集成霍尔磁传感器封...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐跃，徐俊，
申请(专利权)人：南京邮电大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32