具体实施方式

为了能够更清楚地描述本发明的技术内容，下面结合具体实施例来进行进一步的描述。

本发明的该级联型的低失调垂直霍尔传感器系统，其中包括四个级联霍尔单元，所述的四个级联霍尔单元的结构完全一致，通过接触孔引线金属将四个级联霍尔单元两两连接在一起，形成完全结构对称的四电极垂直霍尔传感器，其中一对级联霍尔单元用于作为电压或者电流输入电极对，另外一对用于作为霍尔电压或者霍尔电流检测电极。

作为本发明的优选实施方式，所述的级联霍尔单元为三电极的垂直霍尔单元，包括P型衬底、N阱有源区、P型的覆盖层、N阱有源区的接触孔、P型的注入接触孔和P型隔离环，所述的N阱有源区由P型衬底进行N型注入形成，所述的N阱有源区的接触孔作为所述的级联霍尔单元的电极，所述的P型的覆盖层由P型的注入接触孔形成，所述的P型隔离环由围绕N阱有源区的P型注入接触孔形成，所述的P型隔离环和所述P型覆盖层均通过接触孔连到地电位。

作为本发明的优选实施方式，所述的四个级联霍尔单元的互联保持相等的互联阻抗，电流分布路径和阱电阻条件对称。

作为本发明的优选实施方式，所述的装置还包括两组四级联的霍尔单元，分别为第一组级联霍尔单元和第二组级联霍尔单元，所述的每组霍尔单元依次连接，第一组的第一个霍尔单元与第二组的第三个霍尔单元相连，第一组的第二个霍尔单元与第二组的第四个霍尔单元相连，第一组的第三个霍尔单元与第二组的第一个霍尔单元相连，第一组的第四个霍尔单元与第二组的第二个霍尔单元相连。

作为本发明的优选实施方式，所述的装置还包括四组四级联的霍尔单元，分别为第一组级联霍尔单元、第二组级联霍尔单元、第三组级联霍尔单元和第四组级联霍尔单元，所述的每组霍尔单元的依次连接，且每组霍尔单元的第一个霍尔单元与每组霍尔单元的第四个霍尔单元相连；所述的第一组的第一个霍尔单元与第二组的第四个霍尔单元相连，第二组的第一个霍尔单元与第三组的第四个霍尔单元相连，第三组的第一个霍尔单元与第四组的第四个霍尔单元相连；所述的第一组的第二个霍尔单元与第二组的第一个霍尔单元相连，第一组的第三个霍尔单元与第二组的第二个霍尔单元及第三组的第一个霍尔单元相连，第一组的第四个霍尔单元与第二组的第叁个霍尔单元、第三组的第二个霍尔单元和第四组的第一个霍尔单元相连，第二组的第四个霍尔单元与第三组的第三个霍尔单元及第四组的第二个霍尔单元相连，第三组的第四个霍尔单元与第四组的第三个霍尔单元相连。

本发明的具体实施方式中，公布了一种级联型的低失调垂直霍尔传感器设计，不但可以兼容标准的CMOS、BCD工艺，而且可以得到比较高的灵敏度，同时能够采用如水平霍尔一样的四相旋转电流法电路，从而大大降低了失调电压。

本发明的垂直霍尔传感器，包括四个结构完全一致的级联霍尔单元。通过接触孔引线金属两两连接在一起。形成一个完全结构对称的四电极垂直霍尔传感器。

级联霍尔单元，是一个三电极的垂直霍尔单元。包括P型衬底，N阱有源区，P型的覆盖层，有源区的三个接触孔，以及P型隔离环。

N阱有源区由P型衬底上进行N型注入形成。

有源区接触孔作为该垂直霍尔传感器每个级联单元的电极。

P型覆盖层由所述N阱有源区的接触孔以外区域的P型注入接触孔形成。

P型隔离环由围绕N阱有源区的P型注入接触孔而形成。

P型隔离环和所述P型覆盖层都通过接触孔连到地电位。

P型覆盖层不但改善了灵敏度，而且提高了抵抗噪声的能力。P型隔离环保证衬底电位的一致性和噪声隔离。本发明所述的通过四个级联单元形成的低失调垂直霍尔传感器，实现了高灵敏度、低噪声，低失调的垂直霍尔传感器。

本发明实现了一种级联的低失调垂直霍尔传感器。如图1和图2所示，包括四个级联垂直霍尔单元，四个引出电极A，B，C，D，其中一对可以用来作为电压或者电流输入电极对，另外一对电极作为霍尔电压或者霍尔电流检测电极。四个电极及其对称结构可以完美采用传统水平霍尔传感器的四相旋转电流法来消除失调电压。

其中，每一级的级联霍尔单元都由一个三电极垂直霍尔单元结构组成，如图1所示。三个电极分别命名为C1，C2，C3。

第一级联霍尔单元的接触孔C3与第二级联霍尔单元的接触孔C1相连，第二级联霍尔单元的接触孔C3与第三级联霍尔单元的接触孔C1相连，第三级联霍尔单元的接触孔C3与第四级联霍尔单元的接触孔C1相连，同时第四级联霍尔单元的接触孔C3与第一级联霍尔单元的接触孔C1相连。

其中，每个结构一致的级联霍尔单元包括P型衬底，N阱有源区，P型的覆盖层，有源区的三个接触孔，以及P型隔离环。N阱有源区由P型衬底上进行一次，两次或者多次的N型离子注入形成。N阱上有三个N+注入形成的接触电极C1，C2和C3。三个电极形状一致，电极间距离一致。P型覆盖层通过P+注入N阱有源区上形成，覆盖在上述三个N+电极以外的区域。其余每个电极的边缘距离也都相等。P型隔离环通过注入P+形成，环绕整个N阱有源区而形成。P型覆盖层和P型隔离环都接零电位，提高了霍尔传感器的灵敏度和噪声隔离性能。

本发明的级联型垂直霍尔传感器结构适合不同的工艺掺杂和注入条件。示意图1中的N阱有源区尺寸，N+电极和P+覆盖层和隔离环的尺寸，以及各种注入边界距离尺寸等都可以根据特定的工艺参数，进行有限元仿真和优化得到灵敏度和尺寸设计的最佳匹配。

在传统的完全对称结构的水平霍尔传感器中，如图3，以十字形霍尔为例，采用的四相旋转电流法消除失调电压。“相一”的时候，在C1C2电极间施加电压，在C2C4间检测霍尔输出电压；“相二”时，在C2C4电极间施加电压，而在C3C1间检测霍尔输出电压，以此类推，按顺序分别完成“相三”和“相四”的霍尔电压检测。鉴于其完全对称的十字形结构，通过此方法，把四相输出电压相加后，失调电压可以基本消除。

传统的五电极是应用最广泛的垂直霍尔传感器实现结构。如图4所示，虽然从结构上来看它是对称的，这是它的初始失调电压相对其他结构较低。但两个短接的外部电极C1和内部的C2，C3，C4的边界条件是不一致的。这造成了阱电阻值、和电压调制的PN结耗尽层的不一致。四项旋转法中的两组的偏置条件是不一致的。所以造成在采用传统的水平霍尔的相相旋转电流法的过程中，每相的失调电压并不是完全一致的，所以也就无法有效地消除其失调误差。

本发明级联型垂直霍尔传感器结构如图1所示，四个电极C1，C2，C3，C4的周边条件都完全一致。通过使四个级联单元的互联保持相等的互联阻抗，使得在四相电流旋转法的四个模式中，电流分布路径和阱电阻条件也完全对称。这就如同传统的水平霍尔传感器一样高度对称，所以原始的失调电压就减少了。再通过四相电流旋转法的电路处理后，残留失调电压就被大大消除了，其整个残留失调电压比传统的五电极结构降低十倍甚至几十倍以上。在同等偏置条件下，比如霍尔偏置电流为500uA，传统的五电极垂直霍尔传感器经过四相旋转电流法后，残留失调电压大概在1～5毫特斯拉(mT)。而本发明的级联型垂直霍尔传感器经过四相旋转电流法后可以达到几十个微特斯拉(μT)。

可选地，还可以基于本发明的核心思想对本发明做扩展。采用二组四级联的垂直霍尔传感器采用如图5所示的连接方法。其中金属连线1，2，3可以按照走线方面分别用不同层次的金属层作为连线。

可选地，还可以基于本发明的核心思想对本发明做扩展。采用四组四级联的垂直霍尔传感器采用如图6所示的连接方法。其中金属连线1，2，3可以按照走线方面分别用不同层次的金属层作为连线。

采用了本发明的级联型的低失调垂直霍尔传感器系统，结构对称，天生就有相对小的失调电压。本发明可以采用同传统水平霍尔一样的四相旋转电流法来消除器件的失调，每一相的电流路径和电阻是相对匹配和等效的，可以有效利用旋转电流法的优点把失调电压减小到传统五电极垂直霍尔失调电压的十分之一以下。本发明的采用P型覆盖层和P型隔离环，通过器件尺寸的合理设计和仿真，提高了器件的灵敏度和噪声隔离特性。

在此说明书中，本发明已参照其特定的实施例作了描述。但是，很显然仍可以作出各种修改和变换而不背离本发明的精神和范围。因此，说明书和附图应被认为是说明性的而非限制性的。