基于水平型霍尔器件及其三轴应用的优化研究
发布时间：2020-12-20 06:39
磁性传感器是无接触摇杆等应用中的重要组成部分,通过对磁场方向和强度进行测量而实现对于物体距离、位移、角度的判断。相比于其他类型的磁性传感器,霍尔传感器具有稳定性高、价格低、结构简单、与CMOS工艺兼容性好等优点,并不断向着高灵敏度、低功耗、低失调的方向继续发展,而国内对于霍尔传感器的研究起步较晚,尤其是在三轴霍尔传感器的研究方向上有待提出更多的设计方案。本文的主要工作内容如下:（1）构建水平型霍尔传感器有限元模型。对工作在电流偏置模式下的水平型霍尔传感器进行研究,并借助COMSOL Multiphysics软件建立霍尔器件有限元分析模型,对正方形、矩形、正十字形、正八边形等多种不同器件结构方案进行仿真分析和性能对比,探索出当器件宽长比W/L为0.55时为最合适的设计方案,并得到161.6V/A/T的电流相关灵敏度和0.061V/V/T的电压相关灵敏度。（2）建立水平霍尔传感器电路模型并针对输出信号设计一套完整的器件接口电路。根据有限元仿真过程中所设计正十字形霍尔传感器实际结构建立了相应的电路模型,通过Verilog-A语言进行器件电路模型描述,与整体传感器测量电路相结合,实现了电路功能...
【文章来源】：电子科技大学四川省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：88 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
常用磁性传感器性能比较
第一章绪论3下，将在器件垂直于施加电流方向的两端形成与外界垂直磁场大小成正比的霍尔电压[7]。水平霍尔传感器通常为厚度很小的薄片结构，因此也常被称为霍尔盘，水平霍尔传感器可用于垂直于器件表面的外界磁场的测量。通常情况下，偏置电极两端长度远远大于宽度的器件形状将被视作是一个理想的霍尔器件，但是在实际的设计和生产过程中霍尔器件无法实现无限大的长度，因此水平霍尔传感器的灵敏度也受到其形状的影响。至今已有很多种形状各异的水平霍尔器件被设计出来，图1-2展示了几个较为典型的水平霍尔器件的设计形状，图1-2(a)展示的矩形水平霍尔传感器有着最简单的形状结构，也是最早被提出的水平霍尔器件，但是受到灵敏度不高和失调较大的缺点限制，而一种提高矩形水平霍尔传感器灵敏度的方式为增大器件长度，而这样将同时带来器件面积上的牺牲[14],[15]；图1-2(b)表示的是一种正八边形的水平霍尔器件，而该形状同样受到灵敏度不高的限制而没有得到推广使用[7]；图1-2(c)展示的是正十字形的水平霍尔传感器，这也是目前使用最为广泛的水平霍尔器件形状，十字形的水平霍尔传感器有着相对较高的磁灵敏度，其结构因子能够较容易的接近于1，并且由于其90°旋转对称的结构，可以利用旋转电流调理电路来对制造过程中难以避免的失调误差进行有效消除[16],[17]；图1-2(d)所代表的形状为窄十字形水平霍尔传感器，该结构与图1-2(c)所展示的正十字形结构较为相似，并且能够达到更高的磁灵敏度，但是由于其结构限制，不能和电流旋转电路很好的结合来对失调进行消除，而常采用多片相同霍尔器件相互抵消的方法来抑制失调误差。图1-2典型水平霍尔传感器形状
电子科技大学硕士学位论文4图1-3展示了一个典型正十字形水平霍尔器件具体结构。由于电子相对于空穴有着更大的载流子迁移率，因此利用N型掺杂硅作为器件有源区，这也使得霍尔器件的设计制造能和标准CMOS工艺有很好的兼容性。霍尔传感器与调理电路的金属接触之处通常采用掺杂浓度较高的N+接触极，如图1-3中的4块深蓝色区域所示，以确保有源区与金属电极之间的欧姆接触。此外，通常会在N阱有源区的表面覆盖一层较薄的P+注入层，用以降低霍尔器件的1/f噪声，同时，顶部P+覆盖层与P型衬底一起接地，可以将电流限制在N阱中以减小表面电流的复合，减小了霍尔器件有效的厚度，从而提高了霍尔器件的电流相关灵敏度[18]。图1-3正十字形水平霍尔器件结构随着半导体工艺技术的不断提升，另一种依托于深阱工艺而制造的垂直霍尔传感器也被设计出来。垂直型霍尔器件的结构通常如图1-4所示，最早被提出的垂直型霍尔器件为5个接触极的对称结构，偏置电流从器件最中间的偏置电极3流入，从器件两端的偏置电极1，5流出。器件两端的偏置电极1，5接至同一电势点，因此在器件第2，4测量接触极也将得到相等电势，然而当施加一个垂直于如图1-4所示器件横截面方向磁场时，由于霍尔效应的作用，器件将会在第2，4测量接触极探测到一个强度与磁场强度成正比的电势差，这个电势差也就是垂直型霍尔器件所对应的霍尔电压[19]。随着霍尔传感器的不断发展，更多不同结构的垂直型霍尔器件被设计出来。一种4个接触极型垂直霍尔器件被设计出来，该结构由两个偏置输入输出接触电极和两个霍尔测量接触电极组成，相较于传统5接触极型垂直霍尔器件的偏置，减少了一个非对称的偏置电极，也因此能够更好地与能够明显消除器件失调的旋转电路相结合[20]。基于4接触极型垂直霍尔器件，又发?
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于双霍尔传感器的磁性小球悬浮控制系统研究[J]. 张驰,陆永华,梁立鹏,赵采仪. 计算机测量与控制. 2019(11)
[2]一种基于霍尔效应的三维角度传感器[J]. 庞勋,郑曙东. 大学物理实验. 2019(03)
[3]低噪声线性霍尔传感器读出电路设计[J]. 张小燕,魏榕山. 中国集成电路. 2019(06)
[4]CMOS集成2D垂直型霍尔传感器电路设计[J]. 黄海云,王德君,徐跃. 电子测量与仪器学报. 2015(09)
博士论文
[1]CMOS单片集成3D霍尔磁传感器研究与设计[D]. 黄海云.大连理工大学 2016
硕士论文
[1]砷化镓基霍尔传感器的研究[D]. 董健方.电子科技大学 2019
[2]高性能霍尔器件的研制与性能优化[D]. 李芳.西安电子科技大学 2016
本文编号：2927395
【文章来源】：电子科技大学四川省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：88 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
常用磁性传感器性能比较
第一章绪论3下，将在器件垂直于施加电流方向的两端形成与外界垂直磁场大小成正比的霍尔电压[7]。水平霍尔传感器通常为厚度很小的薄片结构，因此也常被称为霍尔盘，水平霍尔传感器可用于垂直于器件表面的外界磁场的测量。通常情况下，偏置电极两端长度远远大于宽度的器件形状将被视作是一个理想的霍尔器件，但是在实际的设计和生产过程中霍尔器件无法实现无限大的长度，因此水平霍尔传感器的灵敏度也受到其形状的影响。至今已有很多种形状各异的水平霍尔器件被设计出来，图1-2展示了几个较为典型的水平霍尔器件的设计形状，图1-2(a)展示的矩形水平霍尔传感器有着最简单的形状结构，也是最早被提出的水平霍尔器件，但是受到灵敏度不高和失调较大的缺点限制，而一种提高矩形水平霍尔传感器灵敏度的方式为增大器件长度，而这样将同时带来器件面积上的牺牲[14],[15]；图1-2(b)表示的是一种正八边形的水平霍尔器件，而该形状同样受到灵敏度不高的限制而没有得到推广使用[7]；图1-2(c)展示的是正十字形的水平霍尔传感器，这也是目前使用最为广泛的水平霍尔器件形状，十字形的水平霍尔传感器有着相对较高的磁灵敏度，其结构因子能够较容易的接近于1，并且由于其90°旋转对称的结构，可以利用旋转电流调理电路来对制造过程中难以避免的失调误差进行有效消除[16],[17]；图1-2(d)所代表的形状为窄十字形水平霍尔传感器，该结构与图1-2(c)所展示的正十字形结构较为相似，并且能够达到更高的磁灵敏度，但是由于其结构限制，不能和电流旋转电路很好的结合来对失调进行消除，而常采用多片相同霍尔器件相互抵消的方法来抑制失调误差。图1-2典型水平霍尔传感器形状
电子科技大学硕士学位论文4图1-3展示了一个典型正十字形水平霍尔器件具体结构。由于电子相对于空穴有着更大的载流子迁移率，因此利用N型掺杂硅作为器件有源区，这也使得霍尔器件的设计制造能和标准CMOS工艺有很好的兼容性。霍尔传感器与调理电路的金属接触之处通常采用掺杂浓度较高的N+接触极，如图1-3中的4块深蓝色区域所示，以确保有源区与金属电极之间的欧姆接触。此外，通常会在N阱有源区的表面覆盖一层较薄的P+注入层，用以降低霍尔器件的1/f噪声，同时，顶部P+覆盖层与P型衬底一起接地，可以将电流限制在N阱中以减小表面电流的复合，减小了霍尔器件有效的厚度，从而提高了霍尔器件的电流相关灵敏度[18]。图1-3正十字形水平霍尔器件结构随着半导体工艺技术的不断提升，另一种依托于深阱工艺而制造的垂直霍尔传感器也被设计出来。垂直型霍尔器件的结构通常如图1-4所示，最早被提出的垂直型霍尔器件为5个接触极的对称结构，偏置电流从器件最中间的偏置电极3流入，从器件两端的偏置电极1，5流出。器件两端的偏置电极1，5接至同一电势点，因此在器件第2，4测量接触极也将得到相等电势，然而当施加一个垂直于如图1-4所示器件横截面方向磁场时，由于霍尔效应的作用，器件将会在第2，4测量接触极探测到一个强度与磁场强度成正比的电势差，这个电势差也就是垂直型霍尔器件所对应的霍尔电压[19]。随着霍尔传感器的不断发展，更多不同结构的垂直型霍尔器件被设计出来。一种4个接触极型垂直霍尔器件被设计出来，该结构由两个偏置输入输出接触电极和两个霍尔测量接触电极组成，相较于传统5接触极型垂直霍尔器件的偏置，减少了一个非对称的偏置电极，也因此能够更好地与能够明显消除器件失调的旋转电路相结合[20]。基于4接触极型垂直霍尔器件，又发?
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于双霍尔传感器的磁性小球悬浮控制系统研究[J]. 张驰,陆永华,梁立鹏,赵采仪. 计算机测量与控制. 2019(11)
[2]一种基于霍尔效应的三维角度传感器[J]. 庞勋,郑曙东. 大学物理实验. 2019(03)
[3]低噪声线性霍尔传感器读出电路设计[J]. 张小燕,魏榕山. 中国集成电路. 2019(06)
[4]CMOS集成2D垂直型霍尔传感器电路设计[J]. 黄海云,王德君,徐跃. 电子测量与仪器学报. 2015(09)
博士论文
[1]CMOS单片集成3D霍尔磁传感器研究与设计[D]. 黄海云.大连理工大学 2016
硕士论文
[1]砷化镓基霍尔传感器的研究[D]. 董健方.电子科技大学 2019
[2]高性能霍尔器件的研制与性能优化[D]. 李芳.西安电子科技大学 2016
本文编号：2927395
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