CMOS工艺中的高灵敏度垂直霍尔传感器的资料详细说明

　　垂直霍尔传感器能够测量磁场的表面平行分量。因此，与使用水平霍尔板的解决方案相比，它们使得单芯片多轴磁传感器的概念相对简单。霍尔传感器领域的现代趋势是将它们集成到用于信号处理的电子电路中。在本论文之前，还没有完全兼容电子电路共集成技术的高灵敏度垂直霍尔传感器。这就是为什么我们在本文中提出了在CMOS工艺中设计和制造高灵敏度垂直霍尔传感器所必需的知识。我们首先提出技术选择的原则。目前有很多CMOS工艺可供选择，但为了获得最佳灵敏度，我们必须选择“正确的”工艺。不同技术的性能很容易相差50%。最佳的选择是CMOS高压技术，因为它们提供了具有相对较低掺杂水平和深结深度的n扩散层。我们提出了一种新的垂直霍尔传感器布局，它在有源传感器区有六个触点，是已知布局的发展，只使用四个触点。额外的接触提高了灵敏度，大大减少了系统偏移。如果我们重复使用对不兼容CMOS的技术来说是最优的布局，我们会发现结果并不令人满意。我们必须制定针对所选技术的最佳设计参数。高灵敏度的关键是器件的小型化，达到设计规则所规定的技术限制，但有时甚至超过了设计规则。一些设计规则可以被打破，这对所获得的传感器设备有好处。一般来说，最小接触尺寸和接触距离以及最小传感器厚度是可取的。然而，在设备退化甚至出现故障之前，很难找到绝对最小值。优化后的传感器的电压相关灵敏度约为0.04v/（VT），电流相关灵敏度高达400v/（AT），与现有的CMOS兼容水平霍尔板相当。在没有任何额外的前或后处理步骤的情况下，标准CMOS工艺从未报告过这种灵敏度。然而，霍尔器件的小型化也有负面的方面，例如传感器偏移、噪声和输出非线性的增加。尽管霍尔传感器与其他磁性传感器相比有许多优点（结构简单、制造成本低、线性度好、鲁棒性强），但其缺点是偏移电压大，在许多应用中往往过大。这就是为什么过去的研究人员在开发水平霍尔板的偏移量减小方法方面付出了巨大的努力。我们在本论文中指出，原则上，相同的技术适用于垂直霍尔传感器，但为了达到最佳效率，必须遵守某些原则/参数。我们揭示了重要参数之间的关系，如布局类型（传感器触点的数量）、单个或耦合传感器的使用、旋转电流的类型、偏置水平等。在最佳情况下，对于高达2V的偏置电压，我们可以获得低于200μT的剩余偏置值用于补偿偏移量，但对传感器输出信号也有其他有益的影响。如果在足够高的时钟频率下执行旋转，则能够去除大量闪烁噪声。研究表明，闪烁噪声的去除效率取决于传感器的偏置电流。我们发现了自旋电流法的另一个积极的副作用：消除了平面霍尔效应。当我们的传感器的平面霍尔灵敏度在B=2t时最初约为普通霍尔灵敏度的1%时，我们得到的补偿技术值仅为0.02%。在介绍了独立传感器的一般特性之后，我们提出了两个基于已开发的垂直霍尔传感器的微系统。首先，我们提出了一种二维磁微系统，该系统非常适合于测量范围为360°的非接触式角编码器的结构，特别是利用旋转电流法获得的极低的偏移量（400μT），因为偏移量通常是角误差的主要来源系统。

　　现有的角度测量系统通常需要对传感器单元进行特殊（偏移）校准，以达到2.5‰的满标度精度。在-30-100°C的宽温度范围内，我们直接用我们的系统获得这样的精度。通过一个特定的传感器校准来补偿两轴的残余偏移、灵敏度失配和相位失配，我们在相同的温度范围内获得约0.5‰FS的精度，这是前所未有的性能用磁感应系统报告。因此，微系统是大多数低成本角度测量应用的最佳候选。作为第二个例子，我们提出了第一个全CMOS集成的三维霍尔探针，由一个霍尔板和四个垂直霍尔器件组成。该微系统允许作为通用磁场探头在0.1 mT到20 T的宽磁场范围内应用。该探头体积小，并且信号处理电路已经直接集成到芯片上，因此可以很容易地用于小体积。三维磁强计的精度受到5%FS灵敏度失配的限制。该探针是低成本、精度有限的teslameter应用的理想候选者。