一种高灵敏度开关型cmos霍尔磁场传感器

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1、94传感器与微系统(TransducerandMicrosystemTechnologies)2010年第29卷第l1期设(l}～计～与一制{)造一种高灵敏度的开关型CMOS霍尔磁场传感器阮伟华(南京工业职业技术学院电气与电子工程学院，江苏南京210046)摘要：介绍了一种基于CSMC0．5mCMOS工艺设计的高灵敏度集成开关型霍尔传感器。该传感器包括一个十字型霍尔器件和一个采用动态失调相消技术的信号调理电路。通过优化霍尔器件的结构和采用一种新型的信号调理电路，使霍尔传感器得到很高的灵敏度。TCAD器件仿真和Cadence电路仿真表明：在

2、3V的工作电压下，该传感器能检测最小2mT的磁场，输出标准的数字信号，并能消除霍尔器件内部高达6mV以上的失调电压。关键词：霍尔失调；高灵敏度；霍尔传感器；旋转电流法中图分类号：TP212．3文献标识码：A文章编号：1000-9787(2010)1lO94_1D4AhighsensitivityswitchedCMOSmagneticHallsensorRUANWei．hua(DepartmentofElectricalandElectronicsEngineering，NanjingInstituteofIndustryTechnolo

3、gy，Nanjing210046，China)Abstract：AhighsensitivityintegratedswitchedHallsensorbasedonCSMC0．5IxmCMOStechnologyisintroduced．Thesensol"consistsofacross—shapedHalldeviceandasignalconditioningcircuitdynamicoffsetcancellationtechnique．ByoptimizingthestructureofHalldeviceandapplyi

4、nganovelsignalconditioningcircuit，thesensorachievesahighsensitivity．TCADsimulationandCadencecircuitsimulationshowthesensorcandetectminimummagneticfieldof2mTandoutputstandarddigitalsignalunder3Vworkingvoltage．Meanwhile，theofsetvoltageofmorethan6mVinsideHalldevicecanbeeffec

5、tivelycancelled．Keywords：Halloffset；highsensitivity；Hal1sensor；spinningcurrentmethod0引言对霍尔传感器输出的电流进行正交电流旋转，将霍尔QJ器近十年来，CMOS集成霍尔传感器(ICHallsensors)因件输出信号分解为极性发生变化的霍尔信号和极性始终保其体积小、功耗低、响应快、抗干扰能力强等诸多特点，在工持不变的失调信号。再通过采样保持和相加电路将失调信业、通讯、交通及仪器制造等领域获得了广泛的应用。但由号动态的消除。准斩波技术不但能消除霍尔器件产生的

6、失标准CMOS工艺生产的集成霍尔传感器由于受到工艺的限调和低频噪声，而且能有效地消除信号调理电路中放大器制产生的霍尔信号非常微弱。通常在5mT微弱磁场下产自身的失调。生的霍尔电压只有几百微伏到几毫伏左右。此外，霍尔传本文首先设计了一种十字型霍尔器件，使用Silvaeo感器对生产工艺波动、温度变化和封装应力的影响非常敏TCAD软件进行了器件仿真和结构优化。然后，基于CSMC感，这些非理想因素使霍尔器件产生很严重的失调电压和0．5txmCMOS工艺设计了一种新型的信号调理电路去消除低频噪声。对于微弱的霍尔信号来说，这些失调电压失调和低频噪声，

7、并用Cadence软件完成了电路仿真。最和低频噪声甚至大到掩盖了需要检测的霍尔信号。因此，后对所设计的开关型霍尔传感器做了总结。必须采取相关技术来减少霍尔传感器的失调和噪声。1十字型霍尔器件设计通过优化霍尔器件的结构可以提高其灵敏度和减小霍图1为十字型霍尔器件的典型结构。在CMOS工艺尔失调。但更有效的方法是采用相关的电路技术来消除失中，P型衬底上形成N阱作为霍尔器件的有源区。该器件调。本文采用了准斩波技术，即动态失调消除技术。。相比于自动归零(autozero)、相关双采样(correlateddouble是一个有4个接触孔，9O。旋转

8、对称的结构。sampling)和斩波稳定技术(chopperstabilization)，它通过在两对互相正交的接触孔的周围形成高掺杂的N+区，目收稿日期：2010-09—13第11期阮伟华：