磁微系统芯片：性能改进与仿真模型验证

© 2014 Janez Trontelj.出版社：Elsevier B.V.由美国应用科学研究所负责选择和/或同行评审可在www.sciencedirect.com在线获取ScienceDirectAASRI Procedia 8（2014）93 - 992014年AASRI体育工程和计算机科学会议（SECS 2014）磁微系统芯片Janez Trontelj*卢布尔雅那大学电气工程学院，Tržaška 25，1000 Ljubljana，斯洛文尼亚摘要一个磁微系统已被设计在一个芯片上，以证明集成霍尔元件的性能改善。集成霍尔元件的性能相对较差的主要缺陷已经通过使用高效率的集成微线圈进行了升级，该集成微线圈已经使用多物理场有限元工具进行了优化。集成霍尔元件的广泛表征允许创建最完整的仿真模型，该模型可用于高级系统仿真器以及详细的电路仿真。所有结果都通过测量所制造的ASIC进行了验证。© 2014作者。出版社：Elsevier B. V.这是CC BY-NC-ND许可下的开放获取文章（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/）。美国应用科学研究所科学委员会负责同行评议关键词：磁微系统;磁微系统自校准;集成微线圈1. 介绍磁性微系统用于各种应用中，其中磁场携带有关电流，磁力或位置的信息。在所有情况下，所需的测量都需要非常准确，并且不受任何环境条件的影响。对于电流测量，典型的要求是线性范围超过50或60倍。磁力测量所需的线性化和绝对精度在0.1%/1/的范围内，对于位置或旋转角度，12位分辨率是典型的规格/2/。有两三* 通讯作者。联系电话：+386-1-4768-335;传真：+386-1-4264-644。电子邮件地址：janez. trontelj1@guest.arnes.si。2212-6716 © 2014作者出版社：Elsevier B. V.这是CC BY-NC-ND许可下的开放获取文章（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/）。美国应用科学研究所科学委员会负责的同行评审doi：10.1016/j.aasri.2014.08.01694Janez Trontelj/AASRI Procedia 8（2014）93可用于集成在芯片上的磁场的可能传感器类型。有：霍尔效应传感器，霍尔元件近场微线圈，以及用于交流场产生的大型集成线圈/3/。本文对霍尔元件和近场微线圈进行了研究。2. 集成霍尔元件集成霍尔元件的关键参数如下： 灵敏度众所周知，与MR或GMR传感器相比，霍尔元件的灵敏度较差，这使得许多设计人员无法在其磁路中使用霍尔元件。然而，我们将证明，在大多数情况下，可以有效地弥补这一不足。在标准CMOS工艺中，集成霍尔元件的典型灵敏度约为100μV/1 mAmT（100 V/AT），而其噪声约为10 nV/μHz。这意味着在1mA霍尔元件偏置电流下，等效噪声为？0nT？Hz。在1Hz的频率带宽内，可实现的动态范围超过100dB。 一个重要的参数也是霍尔元件灵敏度的温度系数，它是高度非线性的，并且非常依赖于工艺。不幸的是，灵敏度还取决于塑料封装引起的机械应力。将这种不精确的传感器元件转换成高精度传感器系统的可能性很小。最有前途的方法是使用近场微线圈的活体传感器灵敏度校准。 最后但并非最不重要的是，霍尔元件的残余偏移是需要考虑的问题。其根本原因是四端器件的不对称性，可以将其建模为电阻桥。众所周知的旋转技术/4/是最小化偏移的方法。不太为人所知的是，旋转需要围绕中心传感器点的固定电压电位旋转，如图1所示。VDD霍尔元件V厅R+VcenterRVbVSS图1.在各种霍尔元件偏置电流Janez Trontelj/AASRI Procedia 8（2014）9395VM碘化6斌RM钾6碘2k1Bintk2BextRRk2B extk 1B intRURk5V关闭VCRk5V关闭VCRRDRVCRVCRVCRVCRru路VCRVCRVCRVCRVCRVCRVCRVCRVCRVCRk6I2k 6I2rulK Vk6I2k6I25关K V5关RDLk1Bintk2Bextk2B extk 1B intRLvoff钾6碘2vs关闭hInRoff螺旋钾6碘2hOutL最后，剩余的失调电压用DC值及其温度系数进行调整。通过这种布置，可实现的偏移可以达到±10μT的范围。设计霍尔元件传感器的一个重要问题是要有一个广泛的和良好的特性的仿真模型。模型的复杂性如图2所示。RU D图2.用于0.35μm混合信号CMOS工艺可以看出，该模型非常复杂，具有20个电压控制电阻器、8个电压控制电流源、8个电流控制电流源、7个测量电阻器、3个用于电流测量的电压源和4个非线性和电压相关阱电阻器。3. 近场微线圈近场微线圈的关键作用是在板上产生一个相对较强的参考磁场，用于在线或离线霍尔元件灵敏度调整。离线调整可以在晶片分选或器件的最终测试时通过向线圈施加参考电流并测量霍尔元件响应并将其修整为期望值来执行。该方法应用简单，但没有考虑温度对灵敏度的影响，也没有考虑封装压力对灵敏度的影响。建议使用双极线圈电流进行磁场激励，并观察两个线圈电流方向的响应差异，如下所示：Vout+ V off-（- V out+ V off）= 2 V out96Janez Trontelj/AASRI Procedia 8（2014）93这消除了偏移电压和任何与线圈电流交变不同相的外部磁场。图3显示了这一原则的应用。外部电阻Rext用作精确的电压到电流转换。电压可根据评估电路进行调整，如图3已经进行了参考微线圈的效率的研究，以最大化产生的磁场与线圈电流。图3.双极参考线圈电流生成Janez Trontelj/AASRI Procedia 8（2014）9397影响效率参数的最重要的参数是：每个金属层的线圈匝数，金属层的数量，线圈面积及其在霍尔元件上的位置。如图4所示，霍尔元件的面积已缩小至14 μ m × 14μ m，并针对0.35 CMOS混合信号技术进行了优化/5/。图4. 0.35um CMOS工艺在图5a中呈现了3D 12匝微线圈布局，并且在图5b中示出了元件的显微照片。四端子霍尔元件升级为六端子，在10mA线圈电流下提供5mT的板载参考磁场生成。这对于参考场来说是一个合适的水平，即使施加非常短的参考脉冲，也不会受到噪声的影响。当使用双极性基准脉冲时，失调电压的问题被消除。此外，参考磁场不应干扰正常测量，因此有必要在系统工作带宽之外的较高频率下执行校准。一个很好的候选是自旋频率，它通常比磁系统的工作角频率高出二十倍。如果参考电流脉冲在第一旋转周期中开始，则其将向输出贡献正参考电压，因此输出电压将是信号电压Vsig和参考电压Vref之和。由此产生的输出电压Vref为：= Vsig +98Janez Trontelj/AASRI Procedia 8（2014）93在第二旋转周期中，参考电流被反转，并且还将PWM反转并采样到加法器的负输入，因此剩余输出电压Vres为：Vres = Vsig + Vsig-因此，Vres不受参考信号的干扰：Vres = Vsig + Vsig。相反，在两个旋转周期中的参考电压的信号被采样为和，因此参考电压的剩余电压和为：Vrefres = Vsig + Vsig+（-Vsig + Vsig）= Vsig + Vsig。Fig.5a.微弹簧圈Fig.5b.制造的微弹簧圈Janez Trontelj/AASRI Procedia 8（2014）9399这是一种优雅的带外基准电压生成，不会干扰正常工作。通过将残余参考电压与所需电压进行比较并通过改变霍尔元件偏置电流将系统的灵敏度简单地调节到精确水平来产生误差信号。设计了一个高级模型，模拟结果如图6所示。实测结果与仿真结果吻合较好，证明该方法是一种有效的在线标定方法，且不影响传感器的正常工作。红线是由微型线圈产生的在参考场达到的预设参考电压。蓝线是自调节完成后达到要求值的实际信号值。步骤显示数字或离散增益设置。因此，输出在最终值周围交替。该交变频率在系统带宽之外，并且很容易被滤除。图6.使用在线校准算法的4. 结论一个精确的磁系统芯片上的设计，模拟，制造，并使用所谓的六端霍尔传感器与一个合并的近场微线圈的特点。测量结果证实了这一概念。引用[1] Trontelj，J.;什米德湾“具有改进线性度的绝对力测量磁性系统”专利号P-201000306。发布5. 11.2010.斯洛文尼亚卢布尔雅那[2] Trontelj，J.;特龙泰利湖“磁性微传感器ASIC的位置编码器。第23届国际微电子会议- MIEL95 [和]第31届器件和材料研讨会（斯洛文尼亚罗格拉）。诉讼Ljubljana，MIDEM，1995，137[3] Trontelj，J.SI 20294A：日期：2000年12月31日。卢布尔雅那：斯洛文尼亚知识产权局，2000年[4] 蒙特，P.“减少硅霍尔板偏移的自旋电流法”，代尔夫特大学出版社，1992年[5] 什米德，布拉什。“先进的磁性微传感器系统设计”，博士学位：论文卢布尔雅那：[B.Šmid]，2013年