磁性傳感器是無(wú)接觸搖桿等應(yīng)用中的重要組成部分,通過(guò)對(duì)磁場(chǎng)方向和強(qiáng)度進(jìn)行測(cè)量而實(shí)現(xiàn)對(duì)于物體距離、位移、角度的判斷。相比于其他類(lèi)型的磁性傳感器,霍爾傳感器具有穩(wěn)定性高、價(jià)格低、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、與CMOS工藝兼容性好等優(yōu)點(diǎn),并不斷向著高靈敏度、低功耗、低失調(diào)的方向繼續(xù)發(fā)展,而國(guó)內(nèi)對(duì)于霍爾傳感器的研究起步較晚,尤其是在三軸霍爾傳感器的研究方向上有待提出更多的設(shè)計(jì)方案。本文的主要工作內(nèi)容如下:（1）構(gòu)建水平型霍爾傳感器有限元模型。對(duì)工作在電流偏置模式下的水平型霍爾傳感器進(jìn)行研究,并借助COMSOL Multiphysics軟件建立霍爾器件有限元分析模型,對(duì)正方形、矩形、正十字形、正八邊形等多種不同器件結(jié)構(gòu)方案進(jìn)行仿真分析和性能對(duì)比,探索出當(dāng)器件寬長(zhǎng)比W/L為0.55時(shí)為最合適的設(shè)計(jì)方案,并得到161.6V/A/T的電流相關(guān)靈敏度和0.061V/V/T的電壓相關(guān)靈敏度。（2）建立水平霍爾傳感器電路模型并針對(duì)輸出信號(hào)設(shè)計(jì)一套完整的器件接口電路。根據(jù)有限元仿真過(guò)程中所設(shè)計(jì)正十字形霍爾傳感器實(shí)際結(jié)構(gòu)建立了相應(yīng)的電路模型,通過(guò)Verilog-A語(yǔ)言進(jìn)行器件電路模型描述,與整體傳感器測(cè)量電路相結(jié)合,實(shí)現(xiàn)了電路功能... 

【文章來(lái)源】：電子科技大學(xué)四川省 211工程院校 985工程院校 教育部直屬院校

【文章頁(yè)數(shù)】：88 頁(yè)

【學(xué)位級(jí)別】：碩士

【部分圖文】：

常用磁性傳感器性能比較

第一章緒論3下，將在器件垂直于施加電流方向的兩端形成與外界垂直磁場(chǎng)大小成正比的霍爾電壓[7]。水平霍爾傳感器通常為厚度很小的薄片結(jié)構(gòu)，因此也常被稱(chēng)為霍爾盤(pán)，水平霍爾傳感器可用于垂直于器件表面的外界磁場(chǎng)的測(cè)量。通常情況下，偏置電極兩端長(zhǎng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于寬度的器件形狀將被視作是一個(gè)理想的霍爾器件，但是在實(shí)際的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)過(guò)程中霍爾器件無(wú)法實(shí)現(xiàn)無(wú)限大的長(zhǎng)度，因此水平霍爾傳感器的靈敏度也受到其形狀的影響。至今已有很多種形狀各異的水平霍爾器件被設(shè)計(jì)出來(lái)，圖1-2展示了幾個(gè)較為典型的水平霍爾器件的設(shè)計(jì)形狀，圖1-2(a)展示的矩形水平霍爾傳感器有著最簡(jiǎn)單的形狀結(jié)構(gòu)，也是最早被提出的水平霍爾器件，但是受到靈敏度不高和失調(diào)較大的缺點(diǎn)限制，而一種提高矩形水平霍爾傳感器靈敏度的方式為增大器件長(zhǎng)度，而這樣將同時(shí)帶來(lái)器件面積上的犧牲[14],[15]；圖1-2(b)表示的是一種正八邊形的水平霍爾器件，而該形狀同樣受到靈敏度不高的限制而沒(méi)有得到推廣使用[7]；圖1-2(c)展示的是正十字形的水平霍爾傳感器，這也是目前使用最為廣泛的水平霍爾器件形狀，十字形的水平霍爾傳感器有著相對(duì)較高的磁靈敏度，其結(jié)構(gòu)因子能夠較容易的接近于1，并且由于其90°旋轉(zhuǎn)對(duì)稱(chēng)的結(jié)構(gòu)，可以利用旋轉(zhuǎn)電流調(diào)理電路來(lái)對(duì)制造過(guò)程中難以避免的失調(diào)誤差進(jìn)行有效消除[16],[17]；圖1-2(d)所代表的形狀為窄十字形水平霍爾傳感器，該結(jié)構(gòu)與圖1-2(c)所展示的正十字形結(jié)構(gòu)較為相似，并且能夠達(dá)到更高的磁靈敏度，但是由于其結(jié)構(gòu)限制，不能和電流旋轉(zhuǎn)電路很好的結(jié)合來(lái)對(duì)失調(diào)進(jìn)行消除，而常采用多片相同霍爾器件相互抵消的方法來(lái)抑制失調(diào)誤差。圖1-2典型水平霍爾傳感器形狀

電子科技大學(xué)碩士學(xué)位論文4圖1-3展示了一個(gè)典型正十字形水平霍爾器件具體結(jié)構(gòu)。由于電子相對(duì)于空穴有著更大的載流子遷移率，因此利用N型摻雜硅作為器件有源區(qū)，這也使得霍爾器件的設(shè)計(jì)制造能和標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝有很好的兼容性。霍爾傳感器與調(diào)理電路的金屬接觸之處通常采用摻雜濃度較高的N+接觸極，如圖1-3中的4塊深藍(lán)色區(qū)域所示，以確保有源區(qū)與金屬電極之間的歐姆接觸。此外，通常會(huì)在N阱有源區(qū)的表面覆蓋一層較薄的P+注入層，用以降低霍爾器件的1/f噪聲，同時(shí)，頂部P+覆蓋層與P型襯底一起接地，可以將電流限制在N阱中以減小表面電流的復(fù)合，減小了霍爾器件有效的厚度，從而提高了霍爾器件的電流相關(guān)靈敏度[18]。圖1-3正十字形水平霍爾器件結(jié)構(gòu)隨著半導(dǎo)體工藝技術(shù)的不斷提升，另一種依托于深阱工藝而制造的垂直霍爾傳感器也被設(shè)計(jì)出來(lái)。垂直型霍爾器件的結(jié)構(gòu)通常如圖1-4所示，最早被提出的垂直型霍爾器件為5個(gè)接觸極的對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)，偏置電流從器件最中間的偏置電極3流入，從器件兩端的偏置電極1，5流出。器件兩端的偏置電極1，5接至同一電勢(shì)點(diǎn)，因此在器件第2，4測(cè)量接觸極也將得到相等電勢(shì)，然而當(dāng)施加一個(gè)垂直于如圖1-4所示器件橫截面方向磁場(chǎng)時(shí)，由于霍爾效應(yīng)的作用，器件將會(huì)在第2，4測(cè)量接觸極探測(cè)到一個(gè)強(qiáng)度與磁場(chǎng)強(qiáng)度成正比的電勢(shì)差，這個(gè)電勢(shì)差也就是垂直型霍爾器件所對(duì)應(yīng)的霍爾電壓[19]。隨著霍爾傳感器的不斷發(fā)展，更多不同結(jié)構(gòu)的垂直型霍爾器件被設(shè)計(jì)出來(lái)。一種4個(gè)接觸極型垂直霍爾器件被設(shè)計(jì)出來(lái)，該結(jié)構(gòu)由兩個(gè)偏置輸入輸出接觸電極和兩個(gè)霍爾測(cè)量接觸電極組成，相較于傳統(tǒng)5接觸極型垂直霍爾器件的偏置，減少了一個(gè)非對(duì)稱(chēng)的偏置電極，也因此能夠更好地與能夠明顯消除器件失調(diào)的旋轉(zhuǎn)電路相結(jié)合[20]�；�4接觸極型垂直霍爾器件，又發(fā)?

【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
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博士論文
[1]CMOS單片集成3D霍爾磁傳感器研究與設(shè)計(jì)[D]. 黃海云.大連理工大學(xué) 2016

碩士論文
[1]砷化鎵基霍爾傳感器的研究[D]. 董健方.電子科技大學(xué) 2019
[2]高性能霍爾器件的研制與性能優(yōu)化[D]. 李芳.西安電子科技大學(xué) 2016



本文編號(hào)：2927395