【摘要】：近些年來高可靠性、低成本、低功耗的集成霍爾磁場傳感器已廣泛應(yīng)用于工業(yè)自動化、儀器儀表、汽車工業(yè)和消費電子等領(lǐng)域。目前集成霍爾磁傳感器的一個重要發(fā)展方向是基于CMOS工藝將一維(1D)水平型霍爾器件和二維(2D)垂直型霍爾器件以及失調(diào)和噪聲消除電路、讀出和接口電路、數(shù)字信號處理電路等全部集成在同一硅襯底內(nèi)構(gòu)成一個單片集成三維(3D)霍爾磁傳感器,實現(xiàn)對空間三維磁場的檢測和處理。集成3D霍爾磁傳感器將進(jìn)一步在轉(zhuǎn)向角度測量、系統(tǒng)微小位移測距、血管介入微創(chuàng)手術(shù)、航空器無損檢測等眾多應(yīng)用領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。然而制作CMOS霍爾器件的N阱雜質(zhì)濃度高,N阱阱深較淺且N阱雜質(zhì)濃度呈高斯分布,導(dǎo)致CMOS霍爾器件,尤其是垂直型霍爾器件的磁場靈敏度很低。同時由于存在掩膜版對準(zhǔn)誤差、有源區(qū)雜質(zhì)分布不均勻、封裝應(yīng)力等因素影響,CMOS霍爾器件的失調(diào)電壓很高。雖然旋轉(zhuǎn)電流技術(shù)已成功用于水平型霍爾傳感器進(jìn)行霍爾失調(diào)和低頻1/f噪聲的消除,但由于2D垂直型霍爾傳感器中需要對2軸磁場信號進(jìn)行相同的放大處理,且霍爾器件和放大器的失調(diào)容易使電路不能穩(wěn)定工作,2D垂直型霍爾傳感器的失調(diào)消除技術(shù)還不成熟。此外,為了設(shè)計和仿真霍爾傳感器的的信號調(diào)理電路,需要一個精確的電路仿真模型來模擬霍爾器件的各種性能。但現(xiàn)有的仿真模型結(jié)構(gòu)復(fù)雜,通用性和移植性都很差,不能完全考慮霍爾器件的各種物理、工藝和幾何效應(yīng),特別是霍爾器件縮小后的橫向擴展效應(yīng)和結(jié)場效應(yīng)的影響。本論文針對設(shè)計和實現(xiàn)CMOS單片集成3D霍爾磁傳感器存在的這些問題,在霍爾器件結(jié)構(gòu)改進(jìn)和版圖優(yōu)化、動態(tài)失調(diào)消除電路技術(shù)以及霍爾器件的仿真建模等方面進(jìn)行了深入的研究,主要研究內(nèi)容及成果如下：(1) CMOS集成水平型和垂直型霍爾器件優(yōu)化與改進(jìn)。設(shè)計了一種長接觸孔的十字形霍爾片(水平型霍爾器件),接觸孔長度超出了N阱區(qū)域,大大減小了接觸孔在工藝制造中相對N阱發(fā)生的偏移而產(chǎn)生的失調(diào)電壓；優(yōu)化了十字形霍爾片叉指區(qū)的寬長比(W/L)和形狀,同時提高了霍爾片的電壓與電流相關(guān)靈敏度：采用一種結(jié)合P-保護(hù)環(huán)與N阱交疊以及接觸孔之間進(jìn)行P+注入的方法,有效降低了N阱有源區(qū)雜質(zhì)濃度,改善了N阱雜質(zhì)的高斯分布,提高了五孔垂直型器件磁場靈敏度；采用N阱局部注入的方法,利用多個局部N阱注入?yún)^(qū)的橫向擴展效應(yīng)大大降低了N阱有源區(qū)雜質(zhì)濃度,顯著地提高了五孔垂直型器件電流靈敏度,為目前納米CMOS垂直型霍爾器件靈敏度過低的問題提供了一種解決方案。(2) CMOS集成水平型和垂直型霍爾器件電路仿真模型的研究與建立。針對微型十字形霍爾片提出了一種簡化的集總式電路仿真模型。該模型全部由無源器件構(gòu)成,包含8個非線性N阱電阻和4個電流控制的霍爾電壓源。采用了一種結(jié)合器件模型結(jié)構(gòu)與Van-der Pauw體電阻測量的新方法來計算非線性N阱電阻,避免了采用復(fù)雜的結(jié)型場效應(yīng)管建模。同時該仿真模型不但考慮了非線性電導(dǎo)效應(yīng)、幾何效應(yīng)、溫度漂移,而且考慮了微型霍爾器件的橫向擴展和結(jié)場效應(yīng),能準(zhǔn)確模擬霍爾器件的各種物理效應(yīng)和行為。仿真得到的電流相關(guān)靈敏度和輸入電阻與實驗結(jié)果之間的誤差小于10%,驗證了十字形霍爾片的簡化仿真模型具有較高的仿真精度。針對五孔垂直型霍爾器件也提出了一種新的集總行為性仿真模型。根據(jù)垂直型霍爾器件內(nèi)部的電流流向,建立了一個非對稱的惠斯通電橋模型,它包含4個非線性電阻和4個電流控制的霍爾電壓源�；菟雇姌蛏系募傠娮璨捎帽＝怯成湓碛嬎�,并考慮了器件橫向擴展和結(jié)場效應(yīng)引起的隨偏壓變化的非線性特性,提高了模型的仿真精度。與實驗結(jié)果相比,仿真得到的電流相關(guān)靈敏度和輸入電阻隨偏壓變化的誤差小于15%。兩種仿真模型均采用Verilog-A語言描述,可直接在Cadence Spectre等電路仿真器上進(jìn)行仿真,具有很強的通用性和實用性。(3)霍爾傳感器旋轉(zhuǎn)電流動態(tài)失調(diào)消除技術(shù)研究。提出了一種新的由8個NMOS開關(guān)管和一個運算放大器構(gòu)成的兩相旋轉(zhuǎn)電流電路,可以使旋轉(zhuǎn)電流電路輸出的共模電壓穩(wěn)定在1/2VDD,避免了因旋轉(zhuǎn)電流電路共模電壓偏離而影響后級放大器的靜態(tài)工作點,保證了失調(diào)消除電路的可靠工作；設(shè)計了一種新的2D霍爾傳感器信號調(diào)理電路,采用旋轉(zhuǎn)電流調(diào)制和相關(guān)雙采樣解調(diào)的原理實現(xiàn)了對微弱霍爾信號放大和高失調(diào)信號的有效消除；同時采用信號復(fù)用技術(shù)實現(xiàn)了對X軸和Y軸輸入的2D霍爾信號進(jìn)行相同處理,避免了2軸霍爾信號之間的放大誤差,大大降低了電路的功耗；采用簡單的旋轉(zhuǎn)電流調(diào)制和相加解調(diào)的原理,1D水平型霍爾傳感器也實現(xiàn)了很強的消除失調(diào)和1/f噪聲的能力。(4)設(shè)計并實現(xiàn)了單片集成3D霍爾磁傳感器芯片。基于CSMC 0.8 μm高壓CMOS工藝設(shè)計了一個包含水平型霍爾片、垂直型霍爾器件、失調(diào)消除電路和信號放大電路的單片集成線性輸出的3D霍爾傳感器芯片。流片后測試結(jié)果表明改進(jìn)的十字形霍爾片的電壓和電流相關(guān)靈敏度在3 V偏置電壓和1 mA偏置電流下分別達(dá)到了0.034 V/VT和250 V/AT,3V偏壓下失調(diào)電壓小于2.5mV；在同樣的偏置條件下,改進(jìn)后的五孔垂直型器件的電壓和電流靈敏度分別達(dá)到了0.032 V/VT和130 V/AT,失調(diào)電壓小于4 mV；在5V電源下整個芯片的最大霍爾輸出電壓達(dá)到±2.1 V,探測磁場的線性范圍為5 mT一170 mT,,霍爾輸出電壓的線性度達(dá)到了99%,等效殘余失調(diào)小于1.15mT,靜態(tài)功耗為42 mW。
【圖文】：

ＣＭＯＳ單片集成３Ｄ霍爾磁傳感器研巧與設(shè)計通過耗盡層與襯底隔離。在Ｎ阱有源區(qū)分別制作兩對互相平行的。其中Ｃ１和Ｃ２電極用于輸入偏置電壓或電流，而Ｓ１和Ｓ２電極。當(dāng)霍爾器件Ｃ１和Ｃ２電極之間有偏置電流流過，且有磁場垂直Ｓ２之間產(chǎn)生霍爾電壓。傳統(tǒng)的雙極霍爾器件因為低慘雜的外延有靈敏度和低的失調(diào)電壓。但雙極工藝由于工藝流程復(fù)雜、成本高、Ｓ工藝所取代，目前主流集成霍爾傳感器通常用ＣＭＯＳ工藝實現(xiàn)性能的主要指標(biāo)有磁場靈敏度、失調(diào)電壓、噪聲、靈敏度的溫度漂

采用低成本的ＣＭＯＳ工藝制造。ＣＭＯＳ集成３Ｄ較高的磁場靈敏度。近年來深亞微米標(biāo)準(zhǔn)ＣＭ感器，，但存在磁場靈敏度較低、霍爾器件失調(diào)較型霍爾器件逡逑（霍爾片）通常用Ｎ阱作為器件的有源區(qū)，有源出接觸孔。為了適應(yīng)旋轉(zhuǎn)電流的失調(diào)消除方法，，在旋轉(zhuǎn)電流的過程中，保證偏置接觸孔和輸出有對稱性Ｎ晚有源區(qū)常采用十字形和方形等于靈敏度高、失調(diào)小而受到最廣泛的應(yīng)用。逡逑十字形霍爾片的結(jié)構(gòu)如W１．２所示。在Ｐ型有源區(qū)。４個對稱的接觸孔由高疹雜的Ｎ＋注入?yún)^(qū)／／／噪聲，通常將一層較薄的Ｐ＋注入層覆蓋在Ｎ底一起接到地上，可從P車緦饗拗圃冢紋粗校準(zhǔn)跣∮行У暮穸齲岣吡嘶舳骷牡緦饗喙亓槊舳齲

本文編號：2544971