用于空气质量监测的便携式霍尔纳米传感器核心芯片研发

The objective of this project is to develop a portable, low-cost and high performance Hall nano-sensor chip which can be applied to detect the airborne magnetite pollution nano particulate matter (PM). High-resolution ADC plays a vital important role in high performance Hall nano-sensor, while capacitor mismatch and offset of comparator deteriorate the performance of ADC, which should be overcome. The following three innovative studies are planned: (1) For comparator, zero dynamic power dissipation comparator is designed based on delay cells, these delay cells move like a cyclic shift for every comparison to cancel the offset of comparator dynamically; Resolution scalability can be achieved easily by altering the number of delay cells to satisfy the demands of multi-sensing sensor interface; To suppress noise of comparator, dynamic pre-amplifier, coarse-fine conversion, “vote” and transfer function enhancement techniques are applied; (2) For capacitor mismatch, “capacitor rearrangement” is applied to break the accumulation of capacitor mismatch error by sorting and re-configuring, as a result, positive and negative error can be counteracted; (3) Fully differential Hall plates will be designed to improve the sensitivity; Filter, integrator, amplifier, offset and 1/f noise cancellation sub-circuits will be integrated together to process Hall signal compared with conventional separate filter, amplifier and noise suppression circuits.

本项目的研究目标是设计便携式、低成本、高性能霍尔纳米传感器芯片，该芯片可用于监测空气中纳米颗粒物。实现高性能霍尔纳米传感器的关键是实现高精度模数转换器（ADC），ADC线性度受限于比较器失调和电容失配，是必须攻克的瓶颈。本项目拟开展以下三项创新性研究：（1）基于延迟单元设计不消耗静态电流的比较器，每次比较对延迟单元进行循环移位，可以将比较器失调动态抵消；通过改变延迟单元的级数就能实现精度可编程，满足传感器多模式感知接口需求；通过加入动态前置预放大器、粗细转换、“举手表决”以及优化传输函数等抑制噪声；（2）针对ADC电容失配：本项目拟采用“电容重组”方案，通过对电容排序、重构使得正、负误差抵消，能克服传统工作模式导致电容失配误差不断累加的缺陷；（3）设计全差分霍尔传感器，提高灵敏度；相比传统分离的滤波、放大、噪声消除电路，设计集滤波、积分、放大、失调消除、1/f噪声消除于一体的模拟前端电路。

霍尔传感器将磁场信息转换成电信号，可用来精确测量直流电流值，使用方便，在磁场检测、位置检测、角度检测等领域都发挥着重要作用。高精度数据转换器是霍尔传感器的重要模块，具有相当高的技术壁垒。本项目主要贡献如下：首先，本项目组流片了一款水平型霍尔传感器，流片后的芯片测试结果表明：漂移电压为±5mV、灵敏度为0.28V/V/T、温度系数为450ppm/℃，芯片测试结果逼近日本AKM公司的先进水平，相关成果以项目负责人作为第一作者发表在《半导体学报》和IEEE Sensors Journal。另一方面，高精度数据转换器是霍尔传感器的重要模块。本项目组采用新颖的布局布线方法，只需要使用单层金属线即可完成互联，并且同时还考虑了高低位电阻的匹配，以及高位电阻和低位电阻之间的匹配，显著提高了电阻的匹配度，不需要任何校正技术，就能实现12位匹配精度。相关成果以项目负责人作为第一作者在2018年发表于电路与系统领域顶级期刊IEEE Transactions on Circuits and Systems I: Regular Paper（TCAS1）。本项目团队提出一种新型的顺序统计量校准方法，只需要一次排序就能获得比传统的顺序统计量校准方法更优的性能提升！相关技术以项目负责人作为第一作者在2020年发表于电路与系统领域的顶尖SCI期刊IEEE Transactions on Circuits and Systems I: Regular Papers (TCAS1)。此外，低压差线性稳压器也是传感器中不可或缺的重要模块，本项目组流片两款低压差线性稳压器，相关成果以项目负责人作为第一作者身份发表在电路与系统领域顶级期刊IEEE Transactions on Circuits and Systems II: Express Briefs (TCAS-II)和IEEE Transactions on Nuclear Science。.本项目组的参赛项目《三轴霍尔传感器芯片设计》在第一届全国博士后创新创业大赛总分排名第一，荣获全国总决赛创新组金奖。项目负责人以第一作者身份发表15篇SCI论文，26篇EI检索国际会议论文，以第一发明人身份授权美国发明专利3项，授权英国发明专利1项，授权中国发明专利22项 。