（微电子学与固体电子学专业论文）光敏象限阵列与磁敏线阵列兼容cmos数模混合传感器集成电路的设计与研究.pdf

摘要 摘要 基于硅光电传感的象限传感器广泛应用于激光的跟踪制导、位移监控、精密 机床等控制等领域。基于硅的半导体磁敏传感器广泛应用于测量磁场强度的各种 磁场计、读出磁介质上信息的各类磁头以及非磁信号的探测器等。传统的分立象 限传感器和磁敏传感器与c m o s 工艺不兼容，不能实现传感器与信号处理电路的 单芯片集成，难以实现传感器的s o c 和智能化。 本论文研究的主要对象是光敏象限阵列与磁敏线阵列及其兼容的c m o s 数 模混合信号集成电路，它主要由双重结光电管有源象限阵列和扇形分裂漏磁敏 m o s 管( m a g f e t ) 有源线阵列、相关二次采样电路、差分放大接口电路和数 字控制电路组成。在阵列传感器的设计中，本论文设计了p + n w e l l p s u b 双重 结光电管和双向扇形分裂漏磁敏m o s 管为基本传感单元的阵列传感器。这两种 传感器件可以采用相关二次采样电路进行信号采样和噪声抑制。在相关二次采样 电路优化设计的基础上，设计了光敏磁敏兼容的c m o s 数模混合信号处理电路。 在光敏传感器的设计中，将传统的象限传感器与c m o s 图像传感器相结合，在 每个象限中设计了基于p + n w e l l p s u b 双重结光电管的三管有源像素传感器阵 列，象限传感器应用传感阵列来采集信号，可以直接确定目标光源的坐标位置并 实现一步到位的快速调整。n w e l l p s u b 双重结光电管比传统的光电二极管具有 较高的光谱响应范围和感光灵敏度。在磁敏传感器的设计中，为了在芯片内部实 现屏蔽磁场的功能，设计了一对共源极的双向扇形m a g f e t ，在开关电路的控 制下工作在两个工作模式：在测量磁场的工作模式下实现磁敏传感器的功能；在 屏蔽磁场的工作模式下实现检测磁敏传感器噪声的功能。针对双向扇形 m a g f e t 的两种工作模式，在其信号处理电路的设计中，提出了两种工作模式 的异步取样信号处理电路和同步取样信号处理电路两种模式。 本论文设计的光敏象限阵列和磁敏线阵列分别由4 x 4 的有源双重结光电管 阵列和4 l 有源双向扇形m a g f e t 阵列组成，双重结光电管的面积为1 0 0 9 m x1 0 0 p m ，共源极双向扇形m a g f e t 的沟道半径为4 8 u m ，源极半径为1 0 1 a m ， 源极展角为9 0 0 。该集成电路芯片采用o 6 1 a m 标准c m o s 集成电路工艺制造。 浙江大学博士学位论文 芯片的测试结果表明，p + n w e l l p s u b 双重结光电管比传统的光电二极管具 有较小的暗电流、较大的感光灵敏度( 2 5v i x s ) 、感光动态范围( 变频扫描下 达到1 3 9 d b ) 和敏感照度范围( o 0 1 1 x 9 8 ，0 0 0 1 x ) 。与矩形m a g f e t 3 o 的灵敏 度相比，扇形m a g f e t 具有更大的灵敏度，达到3 6 3 。磁敏传感器信号处理 电路的测试结果表明，异步取样信号处理电路采用一个双向扇形m a g f e t 作为 传感单元，两种工作模式匹配度较好，传感器电路结构简单，但是两种工作模式 的时序不同步容易造成传感信号在保持过程中发生畸变。同步取样信号处理电路 不存在时序不同步而导致的噪声，但是由于采用两个双向扇形m a g f e t 作为传 感器件，电路结构复杂，两种工作模式的匹配度不高。磁敏传感器同步取样的信 号处理电路，在2 0 k h z 的工作频率下，磁场的测量范围为o 0 1 t 0 5 t ，磁敏传 感器的灵敏度达到2 6 2 v t 。 光敏象限阵列与磁敏线阵兼容c m o s 数模混合信号传感器集成电路实现了 在一个芯片上同时传感光信号和磁信号的功能，在多参量传感器兼容集成和传感 器阵列集成研究领域中有一定的创新。该两种物理量的传感系统可以用于近程 ( 磁敏) 和远程( 光敏) 位移传感器和智能识别系统。 关键字：c m o s 数模混合电路；光敏象限阵列传感器；磁敏线阵列传感器 a b s t r a e t a b s t r a e t q u a d r a n ts e n s o r sb a s e do ns i l i c o na l en o ww i d e l yu s e di nm a n yf i e l d s ，i n c l u d i n gt h e l a s e rt r a c k i n g , h o m i n ga n dc o l l i m a t i o n ，t h ep r e c i s i o nm a c h i n ee ta 1 m a g n e t i c s e n s o r sb a s e do ns e m i c o n d u c t o ra r ea l s ow i d e l yu s e di nm a n ya r e a s ，s u c ha st h e m e a s u r e m e n to ft h em a g n e t i cf i e l d ，t h er e a dh e a do fm a g n e t i ch a r dd i s k ，t h e d e t e c t i o no fn o n m a g n e t i cs i g n a l t h ea u t o m o t i v e c o n t a c tl e s sc o n t r o la n dm a n y a m m e t e r s t r a d i t i o n a lq u a d r a n ta n dm a g n e t i cs e f l s o r sa r en o ti n t e g r a t e dw i t l lt h e c m o ss i g n a lp r o c e s s i n gc i r c u i t sa n di ti si m p o s s i b l et or e a l i z et h es e n s o r s y s t e m - o n - c h i pa n d t h es m a r ts e n s o rs y s t e m i nt h i sp a p e r ，t h ec m o sm i x e d - s i g n a ls e n s o ri ci sr e s e a r c h e d ，w h i c hi sc o m b i n e d w i t l lt h ep h o t oq u a d r a n ta r r a 3 ，e ds e n s o ra n dm a g n e t i cl i n e a ra r r a y e ds e u s o r i ti s c o n s i s t e do fa c t i v ep i x e iq u a d r a n ta r r a yo fp + n w e l i p s u b s t r a t ep h o t o d i o d e s s e c t o r s p l i t - d r a i nm a g n e t i cm o s f e tl i n e a ra r r a y , c o r r e l a t e dd o u b l es a m p l i n ge i r c u i t s d i f f e r e n t i a la m p l i f i e ri n t e r f a c ec i r c u i t sa n dd i g i t a lc o n t r o l l i n gc i r c n i t s i nt h eq u a d r a n t a r r a y , t h ep + n w e l i p s u b s t m t ep h o t o d i o d e sa r eu s e da st h eo p t i c a ls e n s o rc e l l i nt h e m a g n e t i cl i n e a ra r r a y , t h es e c t o rm a g n e t i cs p l i t - d r a i nm o s f e t s ( m a g f e t ) a l eu s e d a st h em a g n e t i cs e n s o rc e l l t h ec d sc a nb ea p p l i e di nt h es e n s o rs i g n a ls a m p l i n ga n d n o i s e - e l i m i u a t i o nf o rb o t hp + n w e l i p s u b s t r a t ep h o t o d i o d e sa n dt h es e c t o r m a g f e t s s ot h ec o m p a t i b l es i g r l a ip r o c e s s i n gc i r c u i t sb a s e do nt h ec d sa r e d e s i g n e df o rb o t l lt h eq u a d r a n ts e n s o ri ca n dt h em a g n e t i cs e n s o ri c i nt h ed e s i g no f p h o t oq u a d r a n ts e n s o r , t h er e c o m b i n a t i o no fq u a d r a n ts e n s o r sa n dt h ec m o si m a g e s e n s o r ss h o w sg r e a ta d v a n t a g e s b e c a u s et h ea c t i v ep i x e la r r a yc a nb eu s e dt oo b t a i n t h ec 0 0 r d i n a t ea n dt h es h a p ei n f o r m a t i o no ft a r g e t s c o n t r a s t i n gw i t i lt h et r a d i t i o n a l p h o t o d i o d e t h ep 卜n w e l i p s u b s t r a t ep h o t o d i o d e ss h o w sg r e a ta d v a n t a g e si nt h el o w d a r kc u r r e n t t h ei l l u m i n a n c ei n t e n s i t ys e n s i n gr a n g ea n dt h ep h o t o e l e c t r i cs e n s i t i v i t y i nt h ed e s i g no fm a g n e t i cs e n s o ri c ，t h et w of u n c t i o n i n gm o d e so ft h es e c t o r m a g f e i sa r ed e s i g n e dt or e a l i z et h em e a s u r e m e n t so fp e r p e n d i c u l a rm a g n e t i cf i e l d a sw e l la s t h en o i s es h a p i n g ：i nt h em e a s u r e m e n tf u n c t i o n i n gm o d e t h es e c t o r m a g f e ta r es e n s i t i v et 0t h em a g n e t i cf i e l 正a n di nt h e m a g n e t i c s h i e l d i n g f u n c t i o n i n gm o d e t h es e c t o rm a g f e tw o r k sa st h ec o m m o nm o s f e ta n di sn o t s e n s i t i v et ot h em a g n e t i cf i e l d i nt h ed e s i g no fm a g n e t i cs i g n a lp r o c e s s i n gc i r c u i t s ， t h ec r o s ss a m p l i n ga n dt h es y n c h r o n i z e ds a m p l i n gi ca r ed e s i g n e d df o rt h et w o f u n c t i o n i n gm o d e so f t h es e c f o rm a g f e t s t h ec m o sm i x e ds i g n a ls e n s o ri co fc o m p a t i b l ep h o t oq u a d r a n t sa r r a ya n dm a g n e t i c l i n e a ra r r a ya r ed e s i g n e da n df a b r i c a t e di n0 6 p md o u b l em e t a ld o u b l ep o l ys t a n d a r d c m o sp r o c e s s a4x4a f t a yo fp + n w e l i p s u b s t r a t ep h o t o d i o d ea n dt h e4x1 l i n e a r a r r a y o f s e c t o r m a g f e t s a r ed e s i g n e d t h e p i x e ls i z e o f p + n w e l l p s u b s t r a t e p h o t o d i o d ei s1 0 0u m x1 0 0 1 a m t h ec h a r m e l 】即g t ho f t h es e c t o rm a g f e ti s4 8 p m ， w i t ht h es o u r c es e m i d i a m e t e ro f1 0 l x ma n dt h es o u r c ea n g l eo f 9 0 0 - t h em e a s u r e m e n tr e s u l t so f t h ec h i pa r ea sf o l l o w s 浙江大学博士学位论文 t h ep + n - w e l l p s u b s t r a t ep h o t o d i o d eg a l lo b t a i nt a r g e ti n f o r m a t i o nw i t hi l l u m i n a n c e i n t e n s i t yi nt h er a n g eo fo o l l x - 9 8 ，0 0 0 l x ，们t l lt h es e n s o rp h o t o e l e c t r i cs e n s i t i v i t yi s 2 5v i x s w h e nt h em e t h o do fd o u b l es c a n n i n gi su s e d , t h ep h o t o e l e c t r i cd y n a m i c r a n g ei s1 3 9 8 d b t h es e n s o rs e n s i t i v i t yo f3 6 3 o ft 1 1 es e c t o rm a g f e ti so b t a i n e d w h i c hi sh i g h e r t h a nt h a tr e c t a n g u l a rm a g f e t r e p o r t e d ( 3 o ) t h ec r o s ss a m p l i n gc i r c u i t sa n dt h e s y n c l l r o m z e ds a m p l i n gc i r c u i t sr e a l i z et h em e a s l l r e m e mo ft h em a g n e t i cf i e l d ，a sw e l l a st h en o i s e s h a p i n go ft h em a g n e t i cs e n s o rs i g n a l s 1 1 1 ec r o s ss a m p l i n gc i r c u i tt a k e t h ea d v a n t a g ei nt h em a t c h i n go ft h et w of u n c t i o n i n gm o d e sa n dt l l es i m p l ec i r c u i t s t r u c t u r e a n dt h ed i s a d v a n t a g ei st h a tt h en o i s ei nt h eh o l d i n gt i m eo fs e n s o rs i g n , a l ， w h i c hc a l l tb ee l i m i n a t e d t h es y n c h r o n i z e ds a m p l i n gc i r c u i t sc a l le l i m i n a t et h en o i s e i nt h eh o l d i n gt i m ew i t hr e l a t i v ec o m p l e xc i r c u i t sa n dt h el o wm m c m n go ft h et w o f u n c t i o n i n gm o d e so fs e c t o rm a g f e t a tt h ef r e q u e n c yo f2 0k h 乙t h es e n s i t i v i t yo f t h es e c t o rm a g f e ti cr e a c h e s2 6 2 v t , a n dt h em a g n e t i cf i e l dr a n g i n gf r o m0 o i t t oo 5 tc a nb ed e t e c t e d t h ed o u b l ef u n c t i o n a ls e n s o rs y s t e mc a nb eu s e d 够as h o r td i s t a n c e ( m a g n e t i cs e n s i n 9 1 a n dal o n gd i s t a n c e ( p h o t os e n s i n g ) d i s p l a c e m e n ts e n s o ra n da l s ob eu s e di ni n t e l l i g e n t k e ) rw o r d s ：c m o sm i x e d s i g n a l ；p h o t oq u a d r a n ta r r a y e ds e n s o r ；m a g n e t i cl i n e a r a r r a y e d s e n s o r 第一章绪论 第一章绪论 一前言 2 0 0 0 年世纪之交，是集成电路技术取得巨大科学成就的时刻。2 0 0 0 年诺贝 尔物理学奖授予集成电路发明人j a c kk i l b y 。展望二十一世纪，集成电路技术 将进一步向纵深发展，并将进一步推动信息科学的发展。信息技术( i t ) 是建 立在信息获取、信息传输、信息处理三大基础之上的技术，与之相对应的就是 传感技术、通信技术和计算机技术，它们分别构成了信息技术系统的感官、神 经和大脑，其中首当其冲的当推传感技术。传感技术的水平直接影响检测控制 系统和信息系统的技术水平，起到促进传统产业和行业的技术跳跃式进步的作 用，同时也起到拓展和涉足新的非传统领域应用的作用。目前传感器已经广泛 应用于航空航天、军事工程、工业自动化、汽车工业、机器人技术、海洋探测、 环境检测、安全保障、医疗诊断等众多领域，已经渗透到人类生活的各个方面。 可以说：“征服了传感器，就几乎等于征服了科学技术”，而传感器技术引领信 息技术为实现“感触世界，预见未来”而不断进步。 目前集成电路技术的发展主流方向以片上系统集成s o c ( s y s t e mo nc h i p ) 为代表，并且特征尺寸也从0 1 8 岬，0 1 3 岬，9 0 n m 发展到4 5 n m ，不论从代表 前沿科学基础理论研究的国家自然科学基金的立项项目，还是代表集成电路产 业发展方向的各个主要的集成电路设计、制造公司的研发目标，都可以反映出 集成电路向s o c 单片化发展的趋势。s o c 是一种将各种不同功能的模块集成 在同一芯片上的集成电路实现的概念。集成电路技术除了向s o c 和超深亚微米 和纳米量级发展外，又迅速向数模混合集成技术、多功能参量集成技术和集成 智能传感器片上系统等纵深领域发展。从美国国家自然科学基金会( n s f ) 2 0 0 0 年以来公布的重大研究计划项目指南中也可以看出这个发展趋势。2 0 0 0 年 n s f 0 0 - 1 5 提出了多功能参量芯片集成“x y zo nac h i p ”【l 】，美国国家自然科学 基金会于2 0 0 1 年提出了混合信号电子学技术“m i x e ds i g n a le l e c t r o n i c t e c h n o l o g y ”【2 】，2 0 0 2 年提出了集成传感、计算、网络系统“i n t e g r a t e ds e n s i n g ， c o m p u t a t i o na n d n e t w o r ks y s t e m f o r d e c i s i o n a n d a c t i o n ” 3 1 。其中与微电子学科 直接相关的研究内容重点突出了以下几个方面：( 1 ) 多功能参量集成原理和技 浙江大学博士学位论文 术，重点研究非电学量：生物量、基因量、化学量、光学量和机械量等的传感 器和执行器的集成技术与集成电路的兼容研究。( 2 ) 数字集成电路和模拟集成 电路兼容的混合信号系统集成，包括系统结构、线路设计、c a d 工具、新结构 器件和新技术。( 3 ) 芯片级智能传感系统。它包括多功能传感量( 机械量、化 学量，生物量和光学量等) 的传感器及传感阵列，并具有信息处理和存储功能， 同时还具有通信接口式网络界面的功能。 二本论文的研究意义 由于数码相机，监视摄像头，可视电话，手机即时图像，网络视频会议等 需求的推动，在最近几年，固态图像传感器得到巨大的发展。随着深亚微米 c m o s 工艺时代的到来和微透镜技术的进步，c m o s 有源像素图像传感器已经 逐渐开始替代c c d 图像传感器。c m o s 图像芯片系统集成重点在摄像芯片和 照相机芯片研究上，其像素阵列包含的单元数很大，已经有1 3 0 0 万以上像素的 产品报道，像素尺寸最小为3 2 l t m x 3 2 肛m ，采用o 2 5 0 mc m o s 工艺为主流， 主要功能是图像获取，不应用于目标识别【4 】。基于硅光电传感的象限传感器广 泛应用于激光的瞄准、制导、跟踪，搜索装置，精密测量，如激光微定位、位 移监控、精密机床光电控制等领域【5 1 1 ，象限传感器多为四象限和八象限，分 立的光电管与c m o s 电路不兼容集成，像素面积在l m m 2 1 0 m m 2 ，主要用于 模拟信号的位置识别。光敏象限传感器结合图像传感器和象限传感器各自的优 点，利用c m o s 图像传感器微像素技术的先进技术，在象限传感器中采用像素 传感阵列来采集目标光信号，可以直接确定远程目标光源的坐标位置，并实现 一步到位的快速调整功能。采用c m o s 集成工艺，将光敏象限传感阵列与信号 处理电路集成在同一芯片上，可以实现传感器的s o c 集成和智能化。 基于硅材料的半导体磁敏传感器广泛应用于磁场强度的测量、磁介质上信 息的读取和以磁场作为媒介来探测非磁信号的测量，应用领域包括无接触开关、 无触点电位器、电流计、+ 功率计，在测量技术、无线电技术、计算技术和自动 化技术等等。将磁敏传感器的制作工艺和半导体微电子电路工艺结合起来，可 以设计磁敏c m o s 集成电路传感器【1 2 】。同时，目前磁敏传感器的几何尺寸还 较大，传感信号的处理电路还处于以单一功能( 如放大) 信号处理为主，比如 磁敏运算放大器( m o p ) 以及基于磁敏运算放大器的磁信号一频率信号转换器等 第一章绪论 等 1 3 ，1 4 1 。研究具有较小尺寸的与c m o s 工艺兼容的磁场灵敏器件，实现磁敏 传感器件与信号处理电路的单芯片集成，具有重要的应用价值。 随着半导体科学技术的发展，传感器不再是一种单一的物理器件，人们希 望传感器越来越“聪明”，传感器的市场提出了降低成本和增强功能的要求，为 此就需要对固体传感器进行更高水平的集成，不仅把传感器做得越来越小，而 且还要达到更高水平的处理能力和智能化，正是微传感器的研究方向。于是“智 能传感器”和“传感器系统”成了当今传感器研究的热点。 光信号与磁信号可以采用相同结构的相关二次采样电路( c d s ) 进行信号 的采样保持和噪声抑制，为实现多传感器的兼容设计奠定了基础。目前，光敏 磁敏阵列兼容的单片c m o s 数模混合集成电路系统尚未见报道。本论文的研究 意义突出了两种不同物理量( 光学量和磁学量) 传感融合集成并和c m o s 数模 混合集成电路的兼容集成研究，在多参量传感器兼容集成和传感器阵列集成研 究领域中有一定的创新，并且在传感器阵列和c m o s 数模混合集成电路兼容技 术研究和智能化传感s o c 系统集成几个重大研究方向上进行了异步结合研究， 有源头创新的可行性。 三本论文的研究内容和目标 本论文研究的主要内容包括光敏象限传感器与扇形分裂漏磁敏传感器及其 传感阵列的设计，及其兼容的传感器集成电路的设计。上述两种传感器阵列不 仅与n 阱c m o s 集成电路实现了兼容集成，还具有兼容的阵列单元信号处理 电路，有利于实现多传感器数据融合处理。在传感器信号处理电路设计中采用 相关二次采样电路，可以有效降低传感阵列单元的固定模式噪声。该双重功能 传感系统可以用于近程( 磁敏) 和远程( 光敏) 位移传感器和智能识别系统。 本论文的研究内容如下： 1 研究与c m o s0 6 i n nn 阱两层多晶硅两层金属标准工艺兼容的4 x 4 单 元阵列光敏象限传感器的器件结构及其参数优化设计，并研究光敏传感单元的 信号预处理有源电路的优化设计。 2 研究与c m o so 6 9 mn 阱两层多晶硅两层金属标准工艺兼容的4 1 单元 阵列分裂漏磁敏m o s 管线阵列传感器的器件结构及其参数优化设计，研究磁 敏传感单元中信号预处理电路的优化设计，并研究光敏磁敏阵列单元兼容的预 浙江大学博上学位论文 处理电路，以实现光敏磁敏两种传感器的兼容集成。 3 研究与阵列单元预处理电路输出模拟传感信号匹配的数模混合信号处 理电路模块，包含数模混合信号处理的相关二次采样电路、差分放大接口电路 和数字控制系统电路。 光敏象限阵列和磁敏线阵列兼容c m o s 数模混合传感器集成电路的研究 目标如下表所示： c m o s 集成电路的工作电压 5 v 特征尺寸 0 6 a m 传感系统的工作频率1 l 州z 光敏象限传感阵列 4 4 磁敏线阵列 4 l 光敏传感器测龄范围 0 1l u x 5 0 0 0l u x 磁敏传感器测龉范围0 0 5 t 0 5 t ( 垂直磁场) n 沟道m o s 管闽值电压 0 8 v p 沟道m o s 管阈值电压 - o 8 v 四本论文的创新点 1 本论文研究了光敏象限阵列和磁敏线阵列兼容c m o s 数模混合信号传 感器集成电路的设计，设计了以p + n w e l l p s u b 双重结光电管和双向扇形分裂 漏磁敏m o s 管为基本传感单元的阵列传感器，并设计了其兼容的c m o s 数模 混合信号处理电路，实现了在同一芯片上传感光信号和磁信号两种物理量的功 能。这种多参量的阵列传感器集成电路未见报导。该两种物理量的传感器集成 电路可以用于近程( 磁敏) 和远程( 光敏) 位移传感器和智能识别系统。 2 在磁敏线阵列传感器集成电路中，设计了双向扇形分裂漏磁敏m o s 管 ( m a g f e t ) 。相对于传统的矩形m a g f e t ，这种新结构扇形m a g f e t 具有 更高的相对灵敏度( 矩形m a g f e t 的灵敏度为3 0 ，扇形m a g f e t 的灵敏 度为3 6 3 ) 。在开关电路的控制下，扇形m a g f e t 在两种工作模式下工作： 在测量磁场的工作模式下实现磁敏传感器的功能，在屏蔽磁场的工作模式下实 现检测磁敏传感器噪声的功能。这种在芯片内实现屏蔽磁场的工作模式用于对 第一章绪论 磁敏传感器进行噪声校正。这种两种工作模式的双向扇形分裂漏磁敏m o s 管 未见报导。 3 在磁敏线阵列传感器集成电路的设计中，研究了磁敏传感器信号处理技 术，设计了磁敏传感器的异步取样信号处理电路和同步取样信号处理电路。异 步取样信号处理电路通过在一个工作周期内双向扇形m a g f e t 的两种工作模 式的交替切换，实现磁敏传感和噪声校正，即在前半个周期，扇形m a g f e t 工作在测量磁场的工作模式下，在后半个周期，扇形m a g f e t 工作在屏蔽磁 场的工作模式。同步取样信号处理电路通过两个双向扇形m a g f e t 同时工作 在两种工作模式下，在同一个工作周期内同步完成磁场信号的传感和噪声校正。 异步取样信号处理电路采用一个双向扇形m a g f e t 作为传感单元，两种工作 模式匹配度较好，传感器电路结构简单，但是两种工作模式的时序不同步容易 造成传感信号在保持过程中发生畸变。同步取样信号处理电路不存在时序不同 步而导致的噪声，但是由于采用两个双向扇形m a g f e t 作为传感器件，电路 结构复杂，两种工作模式的匹配度不高。该信号处理技术的研究在国r q 岁l - 未见 报导。 五本论文的内容安排 本论文的第二章介绍了光敏传感器与磁敏传感器的历史、发展与现状，包 括光敏与磁敏传感器的物理机理、传感器件、传感器阵列以及传感器集成电路。 第三章主要讨论光敏象限传感器与扇形分裂漏磁敏传感器的设计，设计了 p + n w e u p s u b 双重结光电管和扇形分裂漏扇形磁敏m o s 管( m a g f e t ) 做为 光敏磁敏兼容传感器集成电路的基本传感单元。第四章介绍光敏象限阵列与磁 敏线阵列兼容传感器集成电路的设计。在集成电路的设计中，采用模块化的方 法，设计了磁敏传感器异步取样信号处理电路和同步取样信号处理电路模块、 相关二次采样电路模块、扩大动态范围电路模块、差分运算放大模块和数字控 制电路模块。第五章对光敏象限阵列与磁敏线阵列兼容传感器集成电路芯片进 行测试和分析。第六章对本论文进行总结，并提出进一步的研究方向。 第二章光敏传感器与磁敏传感器的历史、发展与现状 第二章光敏传感器与磁敏传感器的历史、发展与现状 本章内容提要：本章主要讲述c m o s 光敏和磁敏传感器的物理基础、发展历史、性能 特点以及研究现状。第2 1 节首先简要介绍光敏传感器发展历程：第2 2 节介绍光敏象限 图像传感器的历史、发展和现状。综合象限传感器与图象传感器的优点，以设计优化的光 敏象限阵列传感器。第2 3 节介绍磁敏传感器的历史、发展和现状，从霍尔器件开始，介 绍磁敏分立器件，集成磁敏器件和磁敏阵列以及磁敏传感器集成电路。 2 1 光敏传感器的发展历程 由于数码相机、监视摄像头、可视电话、手机即时图像、和网络视频会议 等需求的推动，在最近几年，固态图像传感器得到巨大的发展。固态图像传感 器的发展推动光敏传感器而成为信息产业的重要内容，可以说，固态图像传感 器是光敏传感器最重要的研究方向和主要技术推动力。 最早的固态图像传感器是1 9 世纪6 0 年代由i b m 、w e s t i n g h o i k $ e 、p l e s s y 和f a i r c h i l d 等公司开发的是双极型和m o s 光电传感阵列。1 9 6 4 年，i b m 开发 了采用n p n 晶体管阵列光探测器；1 9 6 6 年，w e s t i n g h o u s e 开发出5 0 x 5 0 的单 片光电管阵列【1 5 1 。1 9 6 7 年，仙童公司的w e c l d e r 提出了p n 结工作的光电流积 分理论模型【1 6 1 ，并于1 9 6 8 年报道了1 0 0 x 1 0 0 的光电二极管阵列。1 9 6 8 年， n o b e l 报导了第一个m o s 有源像素图像传感器，提出在像素中增加m o s 源跟 随器作为读出缓冲 1 7 】。1 9 7 0 年，贝尔实验室首次研制出电荷耦合器件【1 8 】， 从而迅速成为固态图像传感器的主流。1 9 世纪8 0 年代初期，虽然有若干关于 m o s 图像传感器的报导，但是广泛应用的c m o s 图像传感器技术是1 9 世纪8 0 年代中期的v l s iv i s i o n 公司和j e tp r o p u l s i o nl a b 开发的无源像素技术 1 9 1 。 直到1 9 世纪九十年代初，c m o s 图像传感器技术取得了突破性的进展美 国航空航天局( n a s a ) 旗下的喷气式试验室( j p l ) 研制出有源像素传感器。 但是，当时的c m o s 工艺线条仍然无法满足有源像素传感器的商业化应用。随 着9 0 年代在世界范围内广泛兴起的c m o s 代工厂，使c m o s 有源像素传感器 图像芯片的制造成本大幅下降，极大的刺激了c m o s 光敏传感器的发展。 2 2 象限传感器的历史、发展与现状 光敏象限传感器的工作原理是在每个传感象限上放置光电管，光电效应产生 浙江大学博士学位论文 光电流，通过对光电流信号的积分得到每个象限上的传感信息。常用的象限传感 器有四象限和八象限传感器。象限传感器的应用和研究开展的比较广泛 2 0 - 2 7 。 四象限或八象限的光电探测器广泛应用于激光的瞄准、制导、跟踪、定位、位移 监控和精密机床的光电控制等领域 2 8 ，2 9 。特别是在空间光通信中，捕获、跟踪、 对准是实现空间光通信的关键技术，在实现捕获、跟踪、对准中，象限探测器最 简单有效也是最常用的方法。 2 2 1 半导体光电效应与光电管 1 8 3 9 年a e 贝可勒尔发现当光线落在浸没于电介液中的两个金属电极上， 它们之间就产生电势，称为光生伏打效应。1 8 7 3 年w 史密斯和c h 梅伊发现硒 的光电导效应。1 8 8 7 年h r 赫兹发现外光电效应。基于外光电效应的光电管和 光电倍增管属真空电子管或离子管器件，曾在5 0 6 0 年代广泛应用，直到目前 仍在某些场合继续使用。虽然早在1 9 1 9 年t w 凯斯就己取得硫化铊光导探测 器的专利权，但半导体光敏元件却是在6 0 年代以后随着半导体技术的发展而速 发展的。通过对光电效应和器件原理的研究，已发展了多种光电器件，如光敏 电阻、光电二极管、光电三极管、场效应光电管、雪崩光电二极管、电荷耦合 器件等。 半导体光电效应是半导体材料与光的相互作用1 3 0 。在光照下，半导体原 子的外层电子会因吸收了光子能量而激发。当光线以强度i o 照射半导体时，光 子能量h v _ e g 时，光子可以在半导体中激发出电子空穴对。入射光子在硅片中 的吸收可以由下式表示： i ( 址) = i o q ) e 叫m ( 2 1 ) 其中h 为普朗克常数，v 为入射光的频率，e g 为硅的禁带宽度，i q ，x ) 是 波长为九的入射光在半导体中深度x 处的光强度：a ( 九) 为波长九的光在半导 体中的吸收系数；a 表示光在半导体中传播l 血距离时，能量减弱到原来能量 的1 ，c ，即1 c t 为该波长的光在材料中的透射深度，其中a = 4 n k x ，k 为媒质 的消光系数。 光在媒质中的吸收系数随着入射光波长的增加而减小，而透射深度随着入 射光波长的增加而增加，也就是说，与长波长的光相比较，短波长的入射光在 第二章光敏传感器与磁敏传感器的历史、发展与现状 硅片中激发的电子空穴对更接近硅片的表面。红光和蓝光的波长7 5 0 n m 和 4 0 0 n m ，在半导体硅材料中的透射深度分别为1 0 r n 、和0 2 1 u n ，绿光的波长为 5 5 0 n m ，透射深度介于红光与蓝光之间【3 1 】。 平行光源；， 迈二口 结电场作用下 形成的光电流 图2 2 一l 光电二极管原理图图2 2 - 2 光电三极管原理图 如图2 2 1 所示是光电二极管的原理图。处于反向偏置的p n 结，在无光 照时具有高阻特性，反向暗电流很小。当光照时，p n 结空间电荷区产生电子 一空穴对，在结电场作用下，电子向n 区运动，空穴向p 区运动，形成光电流。 光敏三极管可以看成是一个b c 结为光敏二极管的三极管。其原理和等效电路如 图2 - 2 2 。在光照作用下，光敏二极管将光信号转换成电流信号，该电流信号被 晶体三极管放大。在光电三极管增益为b 时，光敏三极管的光电流要比相应的 光敏二极管大b 倍。 光电二极管的外部量子效率表征了特定波长的光通量转化为光电流的能 力。外部量子效率是内部量子效率与光子收集效率的乘积。内部量子效率是表 征照射到半导体的光电转换效率，主要与半导体材料的能带、缺陷、掺杂浓度 以及半导体的晶体结构有关。光子收集效率是指半导体内部产生的光子，经过 半导体内部的吸收、折射和反射后实际上能在半导体外部测量到的光子数目。 光子收集效率与半导体材料的吸收特性、几何结构和散射特性有关。 光电二极管的第二个参数是暗电流。在无光照的情况下，光电二极管p n 结的体区、耗尽区、s i s i 0 2 表面态或者缺陷导致的热激发而产生漏电流。在 暗光传感中，暗电流将决定了光电传感器的性能，而且暗电流引起的散粒噪声 使光电传感器阵列产生无序性，从而导致暗电流无法被校正。 2 2 2 分立的象限传感器 四象限探测器是把四个性能完全相同的光电二极管按照四个象限排列，称 为四象限光电传感器【3 2 】。分立的象限传感器主要使用面积积分型的感光结构， 每 浙江大学博士学位论文 有四象限，八象限，阵列( 8 x 8 阵列) 等方式。感光材料以硅材料为主，也有 以i n g a a s 等复合材料【3 3 】。在制造工艺上，分立的象限传感器传感器大多采用 硅的平面工艺，与当前主流的c m o s 集成电路工艺不兼容。如图2 2 3 所示， 依次为分立的四象限光电二极管探测器、四象限雪崩光电探测器和双四象限光 电探测器。分立的象限传感器器件采用焊接的方式将单独制造的感光象限单元 和电路结合在一起，这样很难实现极小的面积和体积，也极大的限制了设计的 自由度，限制了其应用。 2 2 3 四象限光电二极管探测器、四象限雪崩光电探测器和双四象限光电探测器 四象限探测器的应用如图2 2 4 所示。象限传感器捕获到目标光信号后，通过 四个象限的光强度的比较，信号处理运算模块计算四个象限上光强度不平衡的情 况，并得出相应的x 、y 方向误差信号的大小，并由此驱动电动机进行转动和调 整，使四个象限上的光强度达到所要求的基本平衡状态。 编 照9 99 审 申 图2 2 4 四象限探测器图 2 2 5 用于s t e m 上的四象限传感器 象限传感器的应用领域非常广泛，在不同领域开发出很多有特色的象限传 感器。 b o u l mc 和e p s t e i na 提出将四象限传感器用于扫描传输电子显微镜 ( s t e m ) 上的分离器件实现方式【3 4 】，如图2 2 - 5 所示。四象限传感部分由3 2 个同心圆环组成，每一个象限中均包含有3 2 个1 4 环状传感器，整个传感器包 含有1 2 8 个传感单元。 第二章光敏传感器与磁敏传感器的历史、发展与现状 2 2 3 集成象限传感器 采用c m o s 工艺制造光电二极管阵列，可以实现集成象限传感器。集成象 限传感器可以采用c m o s 数字和模拟电路进行信号处理，大大扩展了其应用的 范围和功能，在不同的应用领域开发出了很多有价值的应用。 j m q u e r o 等人提出了使用2 x 2 光电管阵列对光源定位的传感器结构【3 5 】。 该传感器在2 x 2 的光电管阵列上覆盖有一层金属膜，如图2 2 - 6 所示。光照射 在传感器上时，金属遮挡膜在光电管阵列上产生阴影。光电管产生的电流由光 照的面积决定( 照射光的能量在照射面上均匀分布) ，并成比例。当光垂直入射 时，四个光电管产生的电流相同；当光斜射时，光电管阵列上的阴影