CMOS工藝中的高靈敏度垂直霍爾傳感器的資料詳細說明

　　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，它在有源傳感器區有六個觸點，是已知布局的發展，只使用四個觸點。額外的接觸提高了靈敏度，大大減少了系統偏移。如果我們重復使用對不兼容CMOS的技術來說是最優的布局，我們會發現結果并不令人滿意。我們必須制定針對所選技術的最佳設計參數。高靈敏度的關鍵是器件的小型化，達到設計規則所規定的技術限制，但有時甚至超過了設計規則。一些設計規則可以被打破，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故障之前，很難找到絕對最小值。優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。我們揭示了重要參數之間的關系，如布局類型（傳感器觸點的數量）、單個或耦合傳感器的使用、旋轉電流的類型、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行旋轉，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。我們發現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的垂直霍爾傳感器的微系統。首先，我們提出了一種二維磁微系統，該系統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。

　　現有的角度測量系統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，我們直接用我們的系統獲得這樣的精度。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獲得約0.5‰FS的精度，這是前所未有的性能用磁感應系統報告。因此，微系統是大多數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。該微系統允許作為通用磁場探頭在0.1 mT到20 T的寬磁場范圍內應用。該探頭體積小，并且信號處理電路已經直接集成到芯片上，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。