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磁敏线阵列CMOS传感器集成电路的研究

作　者: 姚韵若
导　师: 朱大中
学　校: 浙江大学
专　业: 微电子学与固体电子学
关键词: 分裂漏磁敏晶体管电流灵敏度磁信号预处理电路相关二次采样 MosFET MAGFET
分类号: TP212
类　型: 硕士论文
年　份: 2005年
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内容摘要

基于硅的半导体磁敏传感器可以直接应用于测量磁场强度的各种磁场计，和读出磁介质上信息的各类磁头；也可以间接应用于把磁场作为媒介用来探测非磁信号的测量器件，如无接触开关、无触点电位器、电流计、功率计等。传统的磁敏传感器多为分立器件，采用焊接的方式将磁敏传感器和系统电路结合在一起。这种方式不能实现传感器与信号处理电路的单芯片集成，难以实现器件的微型化、系统化和智能化。本论文主要的研究内容为磁敏线阵列传感器集成电路芯片。该芯片采用标准CMOS集成电路工艺制造，将磁敏传感器阵列与信号处理电路系统集成在同一芯片上，可以实现传感器的SOC(Systemon Chip)和智能化(Smart Sensor)设计。在芯片中的磁敏传感器单元采用扇形分裂漏MOSFET磁敏晶体管(扇形MAGFET)，直接将磁信号转化为电流信号输出。扇形结构的MAGFET器件是首次被提出，新结构提高了MAGFET器件的灵敏度。通过建立扇形MAGFET器件的灵敏度模型，优化了器件设计。信号处理电路系统中的磁信号预处理电路模块将MAGFET输出的电流信号放大，并转换成电压信号输出；同时数字控制电路切换磁信号预处理电路模块，实现磁信号感应和磁信号屏蔽。信号处理电路系统中的相关二次采样(Correlated Double Sampling，CDS)电路模块，可以有效降低传感信号的固定模式噪声(Fixed Pattern Noise，FPN)。信号处理电路系统中的动态范围自动调整电路模块，可以有效扩大传感器的测试范围。整个系统在数字控制电路的控制下工作，实现了磁敏传感器与信号处理、控制电路的兼容集成。本论文研制的扇形MAGFET器件的电流灵敏度高达3.77％／T，高于已报道的传统矩形器件研究水平。芯片电路系统的磁场灵敏度为98.5mV／(us·T)，被测磁场动态范围：0.01T～2T。芯片中的一些电路功能模块都是首次被应用于磁敏传感器集成电路芯片，芯片具有一定的设计创新性。

全文目录

第一章绪论  9-16
  1．1 概述  9-10
  1．2 磁敏传感器的种类  10-13
  1．3 半导体磁敏传感器的发展方向  13-15
  1．4 研究工作和论文结构安排  15-16
第二章集成半导体霍尔器件  16-31
  2．1 霍尔器件(Hall Devices)  16-22
    2．1．1 设计集成霍尔器件需要考虑的问题  17-19
    2．1．2 半导体集成霍尔器件的性能  19-22
  2．2 几何修正因子(Geometric Correction Factor)  22-25
    2．2．1 霍尔板G表达式的推导  23-24
    2．2．2 霍尔板G值的实验结果  24-25
  2．3 MOSFET磁敏传感器  25-29
    2．3．1 MOSFET型霍尔传感器(MOSFET Hall Sensor)  25-28
    2．3．2 分裂漏MOSFET磁敏传感器(MAGFET)  28-29
  2．4 本章小结  29-31
第三章扇形分裂漏MOSFET磁敏传感器  31-47
  3．1 矩形分裂漏MOSFET磁敏传感器  31-38
    3．1．1 矩形MAGFET内部电流分析  31-33
    3．1．2 矩形MAGFET的灵敏度  33-34
    3．1．3 矩形MAGFET的几何修正因子  34-36
    3．1．4 矩形MAGFET的几何参数对灵敏度的影响  36-38
  3．2 扇形分裂漏MOSFET磁敏传感器  38-42
    3．2．1 扇形MAGFET结构  38-39
    3．2．2 扇形MAGFET内部电流分析  39
    3．2．3 扇形MAGFET灵敏度模型  39-42
  3．3 噪声对MAGFET的影响  42-45
    3．3．1 MAGFET设计中低噪声的考虑  43-44
    3．3．2 MAGFET设计中信噪比的考虑  44-45
  3．4 多晶硅覆盖和分裂漏宽度对MAGFET灵敏度的影响  45-46
  3．5 本章小结  46-47
第四章扇形MAGFET磁敏传感器的测试分析  47-56
  4．1 分裂漏MOSFET磁敏传感器的研制  47-49
  4．2 芯片的测试及分析  49-54
    4．2．1 扇形MAGFET的开启电压  49-50
    4．2．2 扇形MAGFET的输出特性曲线  50-51
    4．2．3 扇形MAGFET的灵敏度  51-52
    4．2．4 扇形MAGFET栅压对灵敏度的影响  52
    4．2．5 扇形MAGFET电流灵敏度模型验证与分析  52-54
  4．3 扇形MAGFET与矩形MAGFET的灵敏度比较  54-55
  4．4 本章小结  55-56
第五章磁敏线阵列传感器集成电路芯片的设计  56-84
  5．1 磁敏线阵列传感器集成电路芯片的系统结构  56-57
  5．2 芯片子电路结构和工作原理  57-66
    5．2．1 磁信号预处理电路  57-59
    5．2．2 相关二次采样电路  59-63
    5．2．3 数字信号产生电路  63-64
    5．2．4 动态范围自动调整电路的设计和实现  64-66
  5．3 CMOS工艺中的MOSFET开关  66-71
    5．3．1 沟道电荷注入效应(Channel Charge Injection)  67-68
    5．3．2 时钟馈通效应(Clock Feedthrough)  68
    5．3．3 减小电荷注入与时钟馈通效应的措施  68-69
    5．3．4 电路设计中的MOSFET开关模拟仿真  69-71
  5．4 信号处理电路系统器件参数确定和功能模拟  71-73
  5．5 磁敏线阵列传感器集成电路芯片的版图设计  73-82
    5．5．1 芯片整体布局设计  73-75
    5．5．2 芯片中的串扰问题  75-76
    5．5．3 版图设计消除芯片中噪声的方法  76-78
    5．5．4 预处理电路和采样电路版图设计的考虑  78-80
    5．5．5 数字信号产生电路版图设计的考虑  80-81
    5．5．6 模拟电源线和地线、输入输出PAD版图设计的考虑  81-82
  5．6 本章小结  82-84
第六章磁敏线阵列传感器集成电路芯片的封装测试  84-95
  6．1 芯片的封装  84-86
  6．2 芯片的测试分析  86-94
    6．2．1 数字电路模块的测试分析  87-88
    6．2．2 模拟电路模块的输入信号测试分析  88-90
    6．2．3 两种工作模式的测试分析  90-92
    6．2．4 动态范围调整的测试分析  92-93
    6．2．5 电路灵敏度的测试分析  93-94
  6．3 本章小结  94-95
第七章论文总结与展望  95-98
  7．1 论文总结  95-96
    7．1．1 扇形分裂漏MOSFET磁敏传感器的研究总结  95-96
    7．1．2 磁敏线阵列传感器集成电路的研究总结  96
  7．2 对今后研究工作的展望  96-98
参考文献  98-102
论文发表情况  102-103
致谢  103

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