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CMOS工藝中的高靈敏度垂直霍爾傳感器的資料詳細說明

2020-06-11 | pdf | 4.83 MB | 次下載 | 5積分

資料介紹

  垂直霍爾傳感器能夠測量磁場的表面平行分量。因此,與使用水平霍爾板的解決方案相比,它們使得單芯片多軸磁傳感器的概念相對簡單?;魻杺鞲衅黝I域的現(xiàn)代趨勢是將它們集成到用于信號處理的電子電路中。在本論文之前,還沒有完全兼容電子電路共集成技術的高靈敏度垂直霍爾傳感器。這就是為什么我們在本文中提出了在CMOS工藝中設計和制造高靈敏度垂直霍爾傳感器所必需的知識。我們首先提出技術選擇的原則。目前有很多CMOS工藝可供選擇,但為了獲得最佳靈敏度,我們必須選擇“正確的”工藝。不同技術的性能很容易相差50%。最佳的選擇是CMOS高壓技術,因為它們提供了具有相對較低摻雜水平和深結深度的n擴散層。我們提出了一種新的垂直霍爾傳感器布局,它在有源傳感器區(qū)有六個觸點,是已知布局的發(fā)展,只使用四個觸點。額外的接觸提高了靈敏度,大大減少了系統(tǒng)偏移。如果我們重復使用對不兼容CMOS的技術來說是最優(yōu)的布局,我們會發(fā)現(xiàn)結果并不令人滿意。我們必須制定針對所選技術的最佳設計參數(shù)。高靈敏度的關鍵是器件的小型化,達到設計規(guī)則所規(guī)定的技術限制,但有時甚至超過了設計規(guī)則。一些設計規(guī)則可以被打破,這對所獲得的傳感器設備有好處。一般來說,最小接觸尺寸和接觸距離以及最小傳感器厚度是可取的。然而,在設備退化甚至出現(xiàn)故障之前,很難找到絕對最小值。優(yōu)化后的傳感器的電壓相關靈敏度約為0.04v/(VT),電流相關靈敏度高達400v/(AT),與現(xiàn)有的CMOS兼容水平霍爾板相當。在沒有任何額外的前或后處理步驟的情況下,標準CMOS工藝從未報告過這種靈敏度。然而,霍爾器件的小型化也有負面的方面,例如傳感器偏移、噪聲和輸出非線性的增加。盡管霍爾傳感器與其他磁性傳感器相比有許多優(yōu)點(結構簡單、制造成本低、線性度好、魯棒性強),但其缺點是偏移電壓大,在許多應用中往往過大。這就是為什么過去的研究人員在開發(fā)水平霍爾板的偏移量減小方法方面付出了巨大的努力。我們在本論文中指出,原則上,相同的技術適用于垂直霍爾傳感器,但為了達到最佳效率,必須遵守某些原則/參數(shù)。我們揭示了重要參數(shù)之間的關系,如布局類型(傳感器觸點的數(shù)量)、單個或耦合傳感器的使用、旋轉(zhuǎn)電流的類型、偏置水平等。在最佳情況下,對于高達2V的偏置電壓,我們可以獲得低于200μT的剩余偏置值用于補償偏移量,但對傳感器輸出信號也有其他有益的影響。如果在足夠高的時鐘頻率下執(zhí)行旋轉(zhuǎn),則能夠去除大量閃爍噪聲。研究表明,閃爍噪聲的去除效率取決于傳感器的偏置電流。我們發(fā)現(xiàn)了自旋電流法的另一個積極的副作用:消除了平面霍爾效應。當我們的傳感器的平面霍爾靈敏度在B=2t時最初約為普通霍爾靈敏度的1%時,我們得到的補償技術值僅為0.02%。在介紹了獨立傳感器的一般特性之后,我們提出了兩個基于已開發(fā)的垂直霍爾傳感器的微系統(tǒng)。首先,我們提出了一種二維磁微系統(tǒng),該系統(tǒng)非常適合于測量范圍為360°的非接觸式角編碼器的結構,特別是利用旋轉(zhuǎn)電流法獲得的極低的偏移量(400μT),因為偏移量通常是角誤差的主要來源系統(tǒng)。

  現(xiàn)有的角度測量系統(tǒng)通常需要對傳感器單元進行特殊(偏移)校準,以達到2.5‰的滿標度精度。在-30-100°C的寬溫度范圍內(nèi),我們直接用我們的系統(tǒng)獲得這樣的精度。通過一個特定的傳感器校準來補償兩軸的殘余偏移、靈敏度失配和相位失配,我們在相同的溫度范圍內(nèi)獲得約0.5‰FS的精度,這是前所未有的性能用磁感應系統(tǒng)報告。因此,微系統(tǒng)是大多數(shù)低成本角度測量應用的最佳候選。作為第二個例子,我們提出了第一個全CMOS集成的三維霍爾探針,由一個霍爾板和四個垂直霍爾器件組成。該微系統(tǒng)允許作為通用磁場探頭在0.1 mT到20 T的寬磁場范圍內(nèi)應用。該探頭體積小,并且信號處理電路已經(jīng)直接集成到芯片上,因此可以很容易地用于小體積。三維磁強計的精度受到5%FS靈敏度失配的限制。該探針是低成本、精度有限的teslameter應用的理想候選者。

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