CMOS单片集成3D霍尔磁传感器研究与设计
发布时间：2019-10-02 14:17
【摘要】：近些年来高可靠性、低成本、低功耗的集成霍尔磁场传感器已广泛应用于工业自动化、仪器仪表、汽车工业和消费电子等领域。目前集成霍尔磁传感器的一个重要发展方向是基于CMOS工艺将一维(1D)水平型霍尔器件和二维(2D)垂直型霍尔器件以及失调和噪声消除电路、读出和接口电路、数字信号处理电路等全部集成在同一硅衬底内构成一个单片集成三维(3D)霍尔磁传感器,实现对空间三维磁场的检测和处理。集成3D霍尔磁传感器将进一步在转向角度测量、系统微小位移测距、血管介入微创手术、航空器无损检测等众多应用领域发挥重要作用。然而制作CMOS霍尔器件的N阱杂质浓度高,N阱阱深较浅且N阱杂质浓度呈高斯分布,导致CMOS霍尔器件,尤其是垂直型霍尔器件的磁场灵敏度很低。同时由于存在掩膜版对准误差、有源区杂质分布不均匀、封装应力等因素影响,CMOS霍尔器件的失调电压很高。虽然旋转电流技术已成功用于水平型霍尔传感器进行霍尔失调和低频1/f噪声的消除,但由于2D垂直型霍尔传感器中需要对2轴磁场信号进行相同的放大处理,且霍尔器件和放大器的失调容易使电路不能稳定工作,2D垂直型霍尔传感器的失调消除技术还不成熟。此外,为了设计和仿真霍尔传感器的的信号调理电路,需要一个精确的电路仿真模型来模拟霍尔器件的各种性能。但现有的仿真模型结构复杂,通用性和移植性都很差,不能完全考虑霍尔器件的各种物理、工艺和几何效应,特别是霍尔器件缩小后的横向扩展效应和结场效应的影响。本论文针对设计和实现CMOS单片集成3D霍尔磁传感器存在的这些问题,在霍尔器件结构改进和版图优化、动态失调消除电路技术以及霍尔器件的仿真建模等方面进行了深入的研究,主要研究内容及成果如下：(1) CMOS集成水平型和垂直型霍尔器件优化与改进。设计了一种长接触孔的十字形霍尔片(水平型霍尔器件),接触孔长度超出了N阱区域,大大减小了接触孔在工艺制造中相对N阱发生的偏移而产生的失调电压；优化了十字形霍尔片叉指区的宽长比(W/L)和形状,同时提高了霍尔片的电压与电流相关灵敏度：采用一种结合P-保护环与N阱交叠以及接触孔之间进行P+注入的方法,有效降低了N阱有源区杂质浓度,改善了N阱杂质的高斯分布,提高了五孔垂直型器件磁场灵敏度；采用N阱局部注入的方法,利用多个局部N阱注入区的横向扩展效应大大降低了N阱有源区杂质浓度,显著地提高了五孔垂直型器件电流灵敏度,为目前纳米CMOS垂直型霍尔器件灵敏度过低的问题提供了一种解决方案。(2) CMOS集成水平型和垂直型霍尔器件电路仿真模型的研究与建立。针对微型十字形霍尔片提出了一种简化的集总式电路仿真模型。该模型全部由无源器件构成,包含8个非线性N阱电阻和4个电流控制的霍尔电压源。采用了一种结合器件模型结构与Van-der Pauw体电阻测量的新方法来计算非线性N阱电阻,避免了采用复杂的结型场效应管建模。同时该仿真模型不但考虑了非线性电导效应、几何效应、温度漂移,而且考虑了微型霍尔器件的横向扩展和结场效应,能准确模拟霍尔器件的各种物理效应和行为。仿真得到的电流相关灵敏度和输入电阻与实验结果之间的误差小于10%,验证了十字形霍尔片的简化仿真模型具有较高的仿真精度。针对五孔垂直型霍尔器件也提出了一种新的集总行为性仿真模型。根据垂直型霍尔器件内部的电流流向,建立了一个非对称的惠斯通电桥模型,它包含4个非线性电阻和4个电流控制的霍尔电压源。惠斯通电桥上的集总电阻采用保角映射原理计算,并考虑了器件横向扩展和结场效应引起的随偏压变化的非线性特性,提高了模型的仿真精度。与实验结果相比,仿真得到的电流相关灵敏度和输入电阻随偏压变化的误差小于15%。两种仿真模型均采用Verilog-A语言描述,可直接在Cadence Spectre等电路仿真器上进行仿真,具有很强的通用性和实用性。(3)霍尔传感器旋转电流动态失调消除技术研究。提出了一种新的由8个NMOS开关管和一个运算放大器构成的两相旋转电流电路,可以使旋转电流电路输出的共模电压稳定在1/2VDD,避免了因旋转电流电路共模电压偏离而影响后级放大器的静态工作点,保证了失调消除电路的可靠工作；设计了一种新的2D霍尔传感器信号调理电路,采用旋转电流调制和相关双采样解调的原理实现了对微弱霍尔信号放大和高失调信号的有效消除；同时采用信号复用技术实现了对X轴和Y轴输入的2D霍尔信号进行相同处理,避免了2轴霍尔信号之间的放大误差,大大降低了电路的功耗；采用简单的旋转电流调制和相加解调的原理,1D水平型霍尔传感器也实现了很强的消除失调和1/f噪声的能力。(4)设计并实现了单片集成3D霍尔磁传感器芯片。基于CSMC 0.8 μm高压CMOS工艺设计了一个包含水平型霍尔片、垂直型霍尔器件、失调消除电路和信号放大电路的单片集成线性输出的3D霍尔传感器芯片。流片后测试结果表明改进的十字形霍尔片的电压和电流相关灵敏度在3 V偏置电压和1 mA偏置电流下分别达到了0.034 V/VT和250 V/AT,3V偏压下失调电压小于2.5mV；在同样的偏置条件下,改进后的五孔垂直型器件的电压和电流灵敏度分别达到了0.032 V/VT和130 V/AT,失调电压小于4 mV；在5V电源下整个芯片的最大霍尔输出电压达到±2.1 V,探测磁场的线性范围为5 mT一170 mT,,霍尔输出电压的线性度达到了99%,等效残余失调小于1.15mT,静态功耗为42 mW。
【图文】：
ＣＭＯＳ单片集成３Ｄ霍尔磁传感器研巧与设计通过耗尽层与衬底隔离。在Ｎ阱有源区分别制作两对互相平行的。其中Ｃ１和Ｃ２电极用于输入偏置电压或电流，而Ｓ１和Ｓ２电极。当霍尔器件Ｃ１和Ｃ２电极之间有偏置电流流过，且有磁场垂直Ｓ２之间产生霍尔电压。传统的双极霍尔器件因为低惨杂的外延有灵敏度和低的失调电压。但双极工艺由于工艺流程复杂、成本高、Ｓ工艺所取代，目前主流集成霍尔传感器通常用ＣＭＯＳ工艺实现性能的主要指标有磁场灵敏度、失调电压、噪声、灵敏度的温度漂
采用低成本的ＣＭＯＳ工艺制造。ＣＭＯＳ集成３Ｄ较高的磁场灵敏度。近年来深亚微米标准ＣＭ感器，，但存在磁场灵敏度较低、霍尔器件失调较型霍尔器件逡逑（霍尔片）通常用Ｎ阱作为器件的有源区，有源出接触孔。为了适应旋转电流的失调消除方法，，在旋转电流的过程中，保证偏置接触孔和输出有对称性Ｎ晚有源区常采用十字形和方形等于灵敏度高、失调小而受到最广泛的应用。逡逑十字形霍尔片的结构如W１．２所示。在Ｐ型有源区。４个对称的接触孔由高疹杂的Ｎ＋注入区／／／噪声，通常将一层较薄的Ｐ＋注入层覆盖在Ｎ底一起接到地上，可从P车缌飨拗圃冢纹粗校准跣∮行У暮穸龋岣吡嘶舳骷牡缌飨喙亓槊舳龋
本文编号：2544971
【图文】：
ＣＭＯＳ单片集成３Ｄ霍尔磁传感器研巧与设计通过耗尽层与衬底隔离。在Ｎ阱有源区分别制作两对互相平行的。其中Ｃ１和Ｃ２电极用于输入偏置电压或电流，而Ｓ１和Ｓ２电极。当霍尔器件Ｃ１和Ｃ２电极之间有偏置电流流过，且有磁场垂直Ｓ２之间产生霍尔电压。传统的双极霍尔器件因为低惨杂的外延有灵敏度和低的失调电压。但双极工艺由于工艺流程复杂、成本高、Ｓ工艺所取代，目前主流集成霍尔传感器通常用ＣＭＯＳ工艺实现性能的主要指标有磁场灵敏度、失调电压、噪声、灵敏度的温度漂
采用低成本的ＣＭＯＳ工艺制造。ＣＭＯＳ集成３Ｄ较高的磁场灵敏度。近年来深亚微米标准ＣＭ感器，，但存在磁场灵敏度较低、霍尔器件失调较型霍尔器件逡逑（霍尔片）通常用Ｎ阱作为器件的有源区，有源出接触孔。为了适应旋转电流的失调消除方法，，在旋转电流的过程中，保证偏置接触孔和输出有对称性Ｎ晚有源区常采用十字形和方形等于灵敏度高、失调小而受到最广泛的应用。逡逑十字形霍尔片的结构如W１．２所示。在Ｐ型有源区。４个对称的接触孔由高疹杂的Ｎ＋注入区／／／噪声，通常将一层较薄的Ｐ＋注入层覆盖在Ｎ底一起接到地上，可从P车缌飨拗圃冢纹粗校准跣∮行У暮穸龋岣吡嘶舳骷牡缌飨喙亓槊舳龋
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