CMOS工艺平台的单芯片三维磁传感器研究

The measurement of the value and driection for a magnetic flux density B vector with dynamic and real time and high precision has been a great challenge,and it has great demand in magnetic application. One question is how to integrating the magnetic sensor device almost on the point, the other question is how to deal with mixed original signal of various dimensions sensors and find what specific algorithm to calculate accurate target value. Single chip 3D Hall sensors were prestened that overcame the orthogonality problem.This project will focus on three core scientific problems, the 3D magnetic sensor architecture, the device offset, noise, sensitivity and signal aliasing, the mapping algorithm of the initial value and the target value. The research work includes design and simulation the fabic of 3D Hall components based on CMOS technique, the study of equivalent simulation model for CMOS 3D Hall plates. We will design the signal conditioning circuit for 3D Hall plates. We will make a study of the Hall voltage and the relationship of the various parameters, and then try to find more efficient way of eliminate the Hall offset, reduce noise, improve the device sensitivity.We will try to pick up the mixed signal of each sensor and study the maping algorithm. We will fully test the packaged 3D Hall chip,then the 3D Hall device structures and the circuit will be optimized by the data. A CMOS 3D Hall sensor design method will be presented,and its resolution will achieve 0.1 Gs.

动态实时精确测量某点磁通量密度B 矢量的大小和方向在磁测应用领域有着巨大需求。该方向亟待突破的难题是：需要解决将多个维度的磁传感器件几乎集中于一点，同时还需对各传感器件的混合原始信号量在保持精度的情况下采用特定算法实时计算出精确的目标值。为此本课题将围绕三个核心科学问题开展：三维磁传感器件架构；器件失调、噪声、灵敏度及信号混叠；测量值与目标值的映射算法。研究工作上，基于CMOS工艺设计一种微型分布组合式三维磁传感器件，建立器件模型，着重解决三个维度传感器件的结构、集成方法、相互间影响消除，以及传感器件的失调消除、噪声减小和如何提高灵敏度等问题；同时研究混合信号提取及测量值与目标值之间的高精度映射算法。通过集成电路MPW 流程制作三维传感器件，进行性能表征反馈优化，研究和改进与之匹配的信号调理电路，在CMOS 工艺平台上实现测量分辨率达0.1 高斯的单芯片三维磁检测传感器解决方案。

CMOS工艺平台的单芯片三维磁传感器具有灵敏度低、失调高、非正交误差大、研发周期长等缺点，传统CMOS三维霍尔磁传感的研究中，器件结构、电路模型以及版图几个环节很难融合，带来的问题是研发流程长，优化经验及数据难以传递参与设计迭代环节。本项目从基于CMOS工艺的水平霍尔器件、垂直霍尔器件以及三维霍尔器件的结构建模、仿真、优化研究出发，基于Silvaco TCAD、COMSOL仿真软件建立三维器件仿真/设计平台，通过仿真工具结合流片验证迭代优化电路模型及器件结构，缩短了研发周期。基于器件仿真、流片测试、验证结果，采用Verilog-a实现器件的高精度电路模型，研究了器件调理电路，有效消除了系统的失调。最后，对三维磁传感器件的映射算法进行了研究，对CORDIC坐标转换IP进行了优化。本项目研究取得的主要成果如下：.（1）器件结构方面.对水平霍尔器件结构进行优化，将器件灵敏度从81.6V/AT提高到402V/AT。提出一种十字形3D霍尔器件结构，具有以下优点：面积小，为120μm2，有效消除非正交误差。.（2）高精度电路模型方面.针对于十字形水平霍尔器件、5CVHD以及十字形3D型霍尔器件，设计出对应的高精度电路模型，三种电路模型均具有以下优点：充分考虑了电压相关的非线性、几何效应，以及温度效应等物理效应；将有源区上下的耗尽层厚度都考虑其中，提高了模型的精度；采用JFET来模拟器件的电阻以及电容效应，提高了模型的交流特性。.（3）器件失调方面.通过研究发现：在电流相关灵敏度方面，器件上覆盖一层P型层比覆盖金属层更好，在失调方面，覆盖金属层比覆盖P型层更优。基于2脉冲旋转电流法设计了十字形水平霍尔器件的调理电路。研究了4脉冲旋转电流法对5CVHD垂直霍尔器件及十字型3D霍尔器件失调消除的适用性。.（4）映射算法方面. 对 CLA（集群超前）技术应用于加速IIR数字滤波器进行了研究，对CORDIC坐标转换IP进行了优化。.在项目实施期间共计发表学术文论11篇，申请发明专利32件，授权发明专利2件，获得集成电路布图设计证书4件，获软件著作权2件。