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摘要
本文提出了一个由两个8触点圆形垂直霍尔器件(CVHD)组成的高速CMOS集成磁角传感器。第一个器件的霍尔电压的偏置和感应顺时针旋转，第二个器件逆时针旋转。两个器件的输出电压在两个通道中分开处理，它们相互作为参考信号。传感器的输出是脉宽调制信号，其宽度与面内磁感应矢量和参考轴之间的夹角成正比。关于角度的信息直接存在于脉宽调制信号中，无需使用arctg函数或复杂的角度检测算法。传感器的概念以及优化的接口和信号调节电子元件可实现非常高的带宽。传感器的测量范围为0-90°，可以进一步扩展。该传感器实现了跟踪以高达200kHz(12,000,000rpm)振荡的面内磁矢量的角度，或者等同地具有628,000rad/s的角速度。据我们所知，这是完全CMOS集成磁角传感器的最高带宽。这些速度的最大绝对误差为plusmn;4°，没有任何校准，响应时间为1s，角度分辨率为0.5°。
- 介绍
现有的角位置传感器被开发用于角位置感测的机械系统。磁性角度位置传感器由集成在芯片上的磁性方向传感器和安装在轴上的旋转磁体组成。在磁性角度传感器中应用的磁性传感器是霍尔器件[1-8]，铁磁磁电阻器，即各向异性磁阻器(AMR)[9]和巨磁阻器(GMR)[10]，磁场效应晶体管(MAGFET )[11,12]，最近又研究了磁隧道结[13]。霍尔器件和MAGFET与低成本CMOS技术兼容。磁性角度位置传感器中使用的霍尔器件可以是卧式霍尔器件[1]，水平霍尔器件与集成磁集中器(IMC)[2,3]或垂直霍尔设备[4-7]。通过测量磁感应矢量的正交分量，然后计算arctg函数来确定[1-7]中的角度。在[8]中首次报道了一种基于新型圆形垂直霍尔器件(CVHD)的磁性角度位置传感器。传感器的输出包含角度信息，无需arctg功能或复杂的检测算法。上述传感器具有0-360°的完整测量范围。尽管IMC需要后CMOS制造步骤，并且在垂直霍尔器件上，但最好的性能是基于水平霍尔器件和IMC的组合传感器。它们在整个测量范围内提供0.1°的绝对准确度。
基于铁磁电阻的磁角位置传感器[8,9]非常精确，但它们不能完全集成在低成本的CMOS技术中。
基于MAGFET的磁角位置传感器仍然是亚微米低功率磁角位置传感器 CMOS技术[11]。 MAGFET对旋转磁场的垂直分量敏感。 由于这个事实，测量角度的提取需要专用算法，如[12]。
角度位置传感器的典型应用是：非接触式电位计，阀位传感器，单轴和双轴操纵杆，电机轴编码器等。这些应用中的最大转速不超过每分钟数千转(rpm)。因此，所需传感器的带宽很低。然而，有些应用需要高传感器的带宽，例如：高性能硬盘驱动器以15,000 rpm旋转，最快的燃气涡轮发动机达到165,000 rpm，机电电池可达到200,000 rpm [14]一些。此外，在电流传感器[15]中出现了对高速角度位置传感器的需求。
最近，在用于葡萄糖传感应用的微流变仪中需要高速角位置传感[16]。基于64接触式CVHD的低功耗CMOS角度位置传感器就是为此目的而开发的[17]。传感器跟踪的8位精度的最大转速约为11,000 rpm。上面提到的磁角传感器的最高带宽在[6]中有报道。但是，传感器没有完全集成CMOS。
在本文中，我们报告了一种基于CMOS技术完全集成的CVHD的高速磁性角度传感器。该传感器的新概念基于两个八接触垂直霍尔器件(8CVHD)，其输出电压分别在两个通道中处理，并作为彼此的参考。以这种方式，不需要[8,17]中的参考信号。传感器的输出是脉宽调制(PWM)信号，其宽度与面内磁感应向量和参考轴之间的夹角成正比。关于角度的信息直接存在于脉宽调制信号中。尽管以降低角度测量范围为代价，两个设备的使用使传感器的灵敏度翻倍。器件、接口电子器件和信号调理电子器件经过设计和优化，可以检测高速面内旋转矢量。由于传感器的系统级概念，角度测量对8CVHD灵敏度的温度漂移不敏感。传感器的系统级概念也大大降低了信号调节电子元件的温度漂移，无需任何额外的校准。
- 感应装置
所提出的磁性角度传感器中的传感装置是一种圆形垂直霍尔装置CVHD，它对磁场的平面内部分敏感，首先在[18]中提出。 CVHD的输出是一个阶跃正弦函数，其幅度与面内磁场的大小成正比;其频率与扫描频率和触点数量成正比，其相位与磁场矢量与参考轴所包围的角度成正比。有关角度的信息很容易通过CVHD输出信号的相移检测获得。
为了增加传感器的带宽，我们将CVHD的触点数量减少到圆形垂直霍尔器件可以具有的最少8个触点[19]。此外，器件越小，与器件触点相关的寄生电容越小，霍尔电压检测期间的瞬态过程越短(请参阅第4节)。为了增加空间分辨率，我们将8CVHD的直径最小化，同时仍保持满意的灵敏度。该设备的直径是17米。由于最终小型化至42 V / AT，目前的灵敏度略有下降。该装置的显微照片如图1所示。
图1 8CVHD的横截面(左侧)和显微照片(右侧)
从8CVHD获取霍尔电压是通过八个主要步骤完成的。每个主要感测步骤由四个感测阶段组成。感测阶段是指偏置和感测触点的一个拓扑以及时钟频率的一个周期。时钟管理将8CVHD触点连接到偏置电压开关或第一个前置放大器。
在图2a的第一主要感测步骤中，8CVHD被偏置，使得触点1和5连接到偏置电流源，而触点3和7连接到地。剩余的四个触点被认为是感测触点，感测电压相等。如图2所示，8CVHD的这种偏置等同于具有两个外部触点合并的两个弯曲的5触点(5C)垂直霍尔器件[19]。在第二主要感测步骤中，图2b偏置和感测触点被一个触点移位。最后，8CVHD的输出电压是通过顺时针旋转图2给出的偏置和感测拓扑一个触点直到完成一个完整的转动来获得的。
图2. 8CVHD的霍尔电压偏置和感测：左侧 - 第一个主要感测步骤，右侧 - 第二个主要感测步骤。
与具有大量触点的CVHD的情况不同，少量触点提供了在所有感测阶段中偏置整个装置的可能性。
为了更好地抑制器件的1 / f噪声和失调电压，每个主要感测步骤中有四个感测阶段。 四个感应阶段对应霍尔器件的偏压降低的四相自旋电流法[20]。四相自旋电流法同步应用于双曲线5C垂直霍尔器件。 在所有偏置或感测步骤中，所有触点吸收或源出相同的电流，这与标准5C垂直霍尔器件不同。 这改善了旋转电流相的对称性并导致更好的偏移抑制。 图3描述了用于标准5C垂直霍尔器件的四相自旋电流法的两个阶段。执行四相自旋，使得霍尔电压在主感测步骤的后续感测阶段中被视为DC信号。 偏移因此交替显示符号并且是交流信号。
图3.直5C垂直霍尔器件四相旋转两相电势分布的有限元模型。 另外两个步骤是通过对传感和偏置触点进行整流而获得的。[18]
八个主要感测步骤在每个主要感测步骤中对四个感测阶段进行时间总共给予32个感测阶段。 扫描频率定义为设备周围一圈的频率。 在这种情况下，它比时钟频率小32倍。
偏移电压的频谱分布在DC的频谱分量，扫描频率和拉伸到时钟频率。 正如[18]中所讨论的，由于主检测步骤中的四相自旋，扫描频率处的偏移频谱分量大大减少。 在8CVHD的情况下，四相纺丝使其减少到200mu;T[21]。 与偏移类似，低频1 / f噪声通过四相旋转大大减少。 带中心频率的带通滤波器滤除低频1 / f噪声，直流偏移及其高次谐波的频谱成分。 扫描频率处的偏移量指标分量无法滤除，并导致错误。
通过一个触点的感测和偏置触点的旋转可以被看作是装置的灵敏度轴线通过触点之间的角度的旋转。 敏感轴的角速度与扫描频率成正比。 在大量接触的情况下，CVHD的灵敏度矢量可以近似为：
(1)
其中是灵敏度轴和磁场B对齐时的最大器件灵敏度，是扫描频率。 如果磁场矢量在相对于参考轴的极坐标中表示，则CVHD的输出电压如下：
(2)
其中是器件的最大灵敏度，是扫描频率，B是总面内磁场的大小，alpha;是参考轴和总平面内磁场B之间的夹角，是偏压霍尔器件的电流。
由于触点数量较少，8CVHD的输出电压是一个八步正弦波(见图4)，而不是等式(2)中的连续正弦波。
3.高速磁性角度传感器的概念
整个传感器的框图如图4a所示，而相应的波形如图4b所示。
有两个霍尔器件从中分别检测信号和两个相同的信号处理链。
在第一个通道中，霍尔电压从第一个8CVHD顺时针方向检测到，而在第二个链中霍尔电压从第二个设备逆时针方向检测到。 如果8CVHD偏置并且霍尔电压沿顺时针方向检测到，则与磁感应矢量的角度相对应的相移为正，图5中的虚线为波形。相反，如果8CVHD偏置并且霍尔电压沿逆时针方向检测，然后对应于磁感应矢量角度的相移是负的，波形如图5实线所示。换句话说，灵敏度矢量以正角速度顺时针旋转情况下，注释(2)。 在逆时针情况下，灵敏度矢量以负角速度旋转，器件的输出电压如下：
(3)
其中是设备的最大灵敏度，是扫描频率，是总面内磁场的大小，是参考轴和总面内场之间的夹角，是偏置霍尔器件的电流。
以这种方式，可以获得具有相同幅度但具有相反相移的两个信号。 这使得该系统在基材噪音，温度，包装压力和压力等方面具有很强的稳健性。
当如图2所示偏置器件时，所有触点都被使用，并且有两个霍尔电压。 这两个相同极性的霍尔电压通过作为系统前置放大器的双输入差分差分放大器(DDA)[22]相加。 这样，对于所需的霍尔电压电平，我们可以将器件偏置电流的一半，从而降低霍尔器件的非线性，从而降低其残余偏置。
带有片外时钟发生器的集成数字电子模块为开关提供控制信号，用于偏置和检测8CVHD的霍尔电压。8CVHD的每个触点都通过开关连接到偏置电流源，地或DDA的两个输入之一。总的来说，每个接点都有一个六开关电池。
前置放大器的输出被带到带通滤波器。 带通滤波器的目的是从八步正弦波中提取基本谐波。 该滤波器还可以降低噪声，消除偏移的带外频谱成分，滤除1 / f噪声，并强烈衰减切换引起的尖峰(见第4节)。
图4.（a）传感器的方框图，（b）包括角度在内的平面内直流磁场沿通道的信号波形与参考轴
下面分别给出顺时针和逆时针设备的带通滤波器的输出：
(4)
(5)
其中A是前置放大器和带通滤波器的放大，是设备的8CVHD，偏置电流的灵敏度，B是设备感测的总平面内磁场的大小，是扫描频率，是面内磁场与器件参考轴之间的夹角。
带通滤波器的输出送入比较器，保留零交叉检测器。最后，两个通道的正弦波之间的相位差通过异或门进行测量。 比较器的输出可以通过修改的符号函数进行建模，如下所示：
图5.偏置和感应来自8CVHD的霍尔电压：顺时针(虚线)，逆时针(实线)以及包含与参考轴夹角的平面内直流磁场的带通滤波信号(偏置和图二的霍尔电压进行了简化)。
(6)
(7)
其中k =0, 1, hellip; , n，n是整数。
每当两个输入具有相反的逻辑电平时，异或门（XOR）在其输出端给出一个脉冲。异或门的输出如下所示：
(8)
上述表达式表明XOR门的输出是一个脉冲宽度等于的PWM信号。 脉冲以和为中心。 扫描频率每个周期有两个脉冲。 这种类型的PWM信号被称为双边对称PWM [23]。
在下面的分析中，我们假设通道的完美匹配。 然后，信号处理电子器件在两个通道中引入的相移相等。 如果信号处理电子设备的相移由表示，则顺时针和逆时针设备的带通滤波器的输出分别为：
(9)
(10)
信道中信号的绝对相移受到相移phi;的影响。 但是，相对相移保持不变。 XOR的输出再次与成比例，与相移phi;无关。
上述数学建模没有考虑由于CVHD的有限数量的接触引起的恒定相移。恒定相移由2 * pi / N给出，其中N是CVHD的触点数。由于有限数量的接触引起的相移影响两个通道，类似于由式(1)中的信号调节电子器件引起的相移所述。(9)和(10)。尽管如此，XOR的输出对它不敏感。传感器的系统级概念允许PWM信号对温度漂移不敏感。8CVHDs随温度的灵敏度漂移仅影响正弦波幅度而不影响相移。前置放大器和带通滤波器的增益随温度的漂移也是如此。信号处理电子学相移phi;受前置放大器，带通滤波器和比较器的温度依赖性的影响。但是由于匹配的通道，相移phi;在系统级被抵消。
图6.(a).（b）时，两个通道前置放大器输出端的测量信号。 对于这种测量，前置放大器的输出通过13pF外部探头加载，与正常操作相比，这增加了尖峰的稳定时间。
4.设计中的问题
CVHD的
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