CMOS單片集成3D霍爾磁傳感器研究與設(shè)計(jì).pdf

1、博士學(xué)位論文CMOS單片集成3D霍爾磁傳感器研究與設(shè)計(jì)ResearchandDesignofCMOSMonolithicIntegrated3DHallMagneticSensor作者姓名：黃海云學(xué)號(hào)：11009015指導(dǎo)教師：王德君教授學(xué)科、專業(yè)：微電子學(xué)與固體電子學(xué)完成日期：2016年9月大連理工大學(xué)DalianUniversityofTechnology大連理工大學(xué)博士學(xué)位論文摘要近些年來(lái)高可靠性、低成本、低功耗的集成霍爾磁場(chǎng)傳感

2、器己廣泛應(yīng)用于工業(yè)自動(dòng)化、儀器儀表、汽車工業(yè)和消費(fèi)電子等領(lǐng)域。目前集成霍爾磁傳感器的一個(gè)重要發(fā)展方向是基于CMOS工藝將一維(ID)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(hào)處理電路等全部集成在同一硅襯底內(nèi)構(gòu)成一個(gè)單片集成三維(3D)霍爾磁傳感器，實(shí)現(xiàn)對(duì)空間三維磁場(chǎng)的檢測(cè)和處理。集成3D霍爾磁傳感器將進(jìn)一步在轉(zhuǎn)向角度測(cè)量、系統(tǒng)微小位移測(cè)距、血管介入微創(chuàng)手術(shù)、航空器無(wú)損檢測(cè)等眾多應(yīng)用領(lǐng)域發(fā)揮

3、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(chǎng)靈敏度很低。同時(shí)由于存在掩膜版對(duì)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(duì)2軸磁場(chǎng)信號(hào)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

4、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(jì)和仿真霍爾傳感器的的信號(hào)調(diào)理電路，需要一個(gè)精確的電路仿真模型來(lái)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(kuò)展效應(yīng)和結(jié)場(chǎng)效應(yīng)的影響。本論文針對(duì)設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)CMOS單片集成3D霍爾磁傳感器存在的這些問(wèn)題，在霍爾器件結(jié)構(gòu)改進(jìn)和版圖優(yōu)化、動(dòng)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

5、面進(jìn)行了深入的研究，主要研究?jī)?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(jì)了一種長(zhǎng)接觸孔的十字形霍爾片(水平型霍爾器件)，接觸孔長(zhǎng)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(duì)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(zhǎng)比(w／L)和形狀，同時(shí)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