高性能隧穿磁阻传感器接口电路芯片集成技术研究

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1、博士学位论文高性能隧穿磁阻传感器接口电路芯片集成技术研究RESEARCHONTHECHIPINTEGRATIONTECHNIQUEOFINTERFACECIRCUITFORHIGH-PERFORMANCETUNNELING-MAGNETORESISTANCESENSORS李翔宇哈尔滨工业大学2018年6月国内图书分类号：TN432学校代码：10213国际图书分类号：621.3密级：公开工学博士学位论文高性能隧穿磁阻传感器接口电路芯片集成技术研究博士研究生：李翔宇导师：陈伟平教授申请学位：工学博士学科：微电子学与固体电子学所在单位：航天学

2、院答辩日期：2018年6月授予学位单位：哈尔滨工业大学ClassifiedIndex:TN432U.D.C:621.3DissertationfortheDoctoralDegreeinEngineeringRESEARCHONTHECHIPINTEGRATIONTECHNIQUEOFINTERFACECIRCUITFORHIGH-PERFORMANCETUNNELING-MAGNETORESISTANCESENSORSCandidate：LiXiangyuSupervisor：Prof.ChenWeipingAcademicDegre

3、eAppliedfor：DoctorofEngineeringSpeciality：MicroelectronicsandSolid-StateElectronicsAffiliation：SchoolofAstronauticsDateofDefence：June,2018Degree-Conferring-Institution：HarbinInstituteofTechnology摘要摘要与霍尔器件，各向异性磁阻，巨磁阻等磁强计相比，采用磁性多层膜材料研制的微型隧穿磁阻传感器（TunnelingMagneticResistance

4、）具备灵敏度高、频响大、可靠性好等优点，在军事和民用领域有着广泛的应用。微型隧穿磁阻传感器芯片集成研究成为主要的发展方向之一，因此开展高性能数字化隧穿磁阻传感器接口电路芯片集成化研究具有重要意义。隧穿磁阻传感器在高性能研究中存在如下关键问题：隧穿磁阻传感器本底噪声较大，影响其最小磁场分辨力；隧穿磁阻传感器中大的磁隧穿结面积可以提高其灵敏度，但同时其输出温度漂移严重；隧穿磁阻传感器接口电路仍处于分立器件PCB集成，接口ASIC芯片集成问题尚待解决。为解决相应问题本文研究了隧穿磁阻传感器敏感结构的噪声特性和温度特性，开展了微型隧穿磁阻传感器

5、接口电路芯片集成技术研究。从隧穿磁阻传感器敏感结构隧穿机理分析传感器的噪声特性，建立隧穿磁阻传感器敏感结构的噪声模型。从而得出隧穿磁阻传感器敏感结构噪声频谱，由于在地磁场磁信号测量中，信号为低频弱磁信号，隧穿磁阻传感器在低频处的主要噪声是磁畴壁热激发引起的噪声，采用常规电路高频调制方法不能降低其噪声，从而提出一种磁屏蔽型斩波调制的降噪方法。通过分析斩波电流幅值以及斩波电流频率与灵敏度的关系，确定最佳斩波电流参数，采用磁屏蔽型斩波调制方法使隧穿磁阻传感器敏感结构本底噪声从7.5nT/Hz1/2（@1Hz）降至0.15nT/Hz1/2（@1

6、Hz），验证了方法的有效性。针对隧穿磁阻传感器敏感结构温度漂移问题，本文从磁性隧穿结电子自旋极化温度特性分析，得出隧穿磁阻传感器敏感结构灵敏度、零位与温度关系，从而提出一种基于数字处理芯片最小二乘算法的数字化补偿方法来实现高精度、高可靠性的实时温度补偿，有效地解决了隧穿磁阻传感器温漂问题。在隧穿磁阻传感器敏感结构噪声特性和温度特性理论分析的基础上，设计并实现了一款高性能隧穿磁阻传感器数字化接口ASIC芯片，芯片主要包含前级低噪声微弱信号检测电路和高精度四阶Sigma-DeltaADC。通过对接口电路各关键模块的非理想特性分析，优化设计电

7、路中各参数。借助于Cadence仿真和0.35μm四层金属双多晶BCD工艺库完成版图设计与后仿真工作，采用上海华虹标准0.35μmCMOS工艺完成工程批流片。最后，建立高精度测试系统分别对接口ASIC芯片和隧穿磁阻磁强计整机进行了测试。测试结果表明，在-45~+85℃的温度范围内，温度补偿前后TMR微磁强计的灵敏度温漂系数从-I-哈尔滨工业大学工学博士学位论文-1100ppm/℃降至-117ppm/℃；磁场测量量程为±100μT；功耗120mW（三轴）；数字TMR磁强计系统噪声水平达0.26nT/Hz1/2（@1Hz）；非线性0.11%

8、；设计的TMR微磁强计样机数字输出后端还集成了数字串口芯片，可完成与PC机实时数据通讯，并通过上位机软件实现了非线性、零位、温度补偿与校准功能，实现了高性能微型隧穿磁阻传感器芯片集成。本文开展的隧穿磁阻传感