电子论文-集成三漏CMOS磁敏传感器.pdf

强 式 1 H F 1 第 1 4卷 第 9期 1 9 9 3生 9月 半导体学报 CHI NESE J OURNAL OF SEM I CONDUCTORS Vo1 1 4 N0 9 S e p t 1 g9 3 一 O 集成三漏 c Mo S 磁敏传感器 张 维新 楼利民 毛 赣如 要鬲 电 蠢 3 0 0 0 7 2 1 9 9 2年 1月 2 7日收到 1 9 9 Z年 3月 1 8日收到修 改稿 1 q 本文介 绍 了一种 新颖 的集 成三 漏 C MOS磁敏 传感 器 报道 了该 传感 器 的 电路 原理 版 图 设计及其研制结果 它具有结构简单 磁灵敏度高和使用方便等特点 且制造工艺与标准铝栅 C MOS工 艺完全 兼容 成本 低 易于 批量 生产 具 有高 的性 能 价 格 比 EEAOC 7 2 30 1 电路与版图设计 三漏 MOS F E T是磁敏传感器 的核心元件 它 由一个源 一个栅和 三个 相等 电极宽度 的漏组成 三个漏加 以相等 电压 在无磁场作用时 三个漏 电流相 等 当施加垂直于器件表 面的磁场时 沟道 中的载流子受 洛仑 兹力 的作 用 加 之漏源控制 电极 的短路作用 使用 沟 道 中的载流子发生偏转 因而使三漏 MOS F E T两侧两个 漏 电流 发生变 化 一个漏 电流增加 另一个漏 电流减小 由于其对称性 中间漏极 电流保 持不变 集成三漏 C MOS磁敏传感 器的 电路原理 如 图 1所示 它 由三个部分组成 圉 1集 成 三 瓣 CMOS礴 戢 电 路 1 磁敏部分 由互补三漏 n MOS F E T和三漏 P MOS F ET以及 T 组成 该部分对 磁场敏感 把信号转变成 电信号 并初步加以放 大 2 信号放 大 及阻抗变 换 电路 它 实际上是 一 CMOS运 算放大 器 由两级放 大组 成 T 一T 构成有源负载差分输入级 T T 构成共源输出级 该部分对电信号进一步放 大 它具有很大的开环增益 也可以通过外接反馈电路形成闭环放大 3 偏置 电路 由 T T T 组 成 在实际 电路 中 C MOS磁敏部分 的输 出接运放 的 同相 输入端 运放的反相输入端用 v 表示 供输出调零 磁场失调时用 该集成 电路按单 电源 V D D i 2 V 设 计 其 它主要工 艺参 数 为 n管 的阈值 电压 V 一 1 5 V P管的阈值电压 V r p 一1 5 V 栅氧厚度 l O O O A 电子迁移率 一3 6 0 c m V 维普资讯 9 期 张维 新等 集成 三漏 C MOS磁 敏传 感器 s 空穴迁移率 1 8 0 e ra V s 器 件 的版图按 标准 4 u rn 铝栅 CMOS工 艺设计 此 外 通过 合理布 置 电流接触 孔 采 用 伪收 集极 保护环 等方 法有 效地 抑制 了 L a t c h u p效应 为了防止栅 击穿 设 计 了输入栅 保 护 电路 2 结果 与讨论 集成磁敏传感器 的主要特点是具 有高 磁灵敏度 磁敏特性 如图 2所示 图中 A 表示 C MOS运放的放大倍数 A 5 5 4 0 0 e o 0 T 图 2传 感 器 的 磷 被 持 性 由图分析可知 集成 磁敏 传感 器具有 良好 的线性度 且磁灵敏度具有 可调性 磁 敏部 分 C MOS磁 敏 电路 单端 输 出时 具 有较高 的磁 灵敏度 灵敏 度 可达 3 5 v T 此 值 比文献E 2 报道的双漏磁敏 电路 的 1 2 V T要 高得 多 主要 是 由于三漏 MOS管 比 双漏 MOS管具 有更高 的相对磁灵 敏度 另外 三漏 C MOS磁敏 电路具 有很 宽 的线性 范 围 当工作 电源 为 1 2 V 时 磁感应强度 可达 1 5 T 集成 磁敏 传感 器的磁灵 敏 度与 C MOS运放 的 闭环放 大倍 数 有关 放大 倍 数 Am 越 大 磁灵敏度越大 但线性范围变窄 随着磁场强度的不断增大 磁灵敏度下降 最后 趋 向于 饱和 灵敏 度趋 于饱 和有两方 面 的原 因 一是 当磁场 强度较 大时 三 漏 MOS磁 敏 管开始进入线性 区 输出动态 电阻 减小 二 是因 C MOS OP A 随着磁 场强度的增大引 起差分输入信号增大 导致放 大倍 数减 小 最后 因受 电源 电压的限制而趋 于饱和 另外 加 正 向磁场 时的正向磁灵敏度 与加负向磁场 时的 负向磁灵 敏度不 完全一 样 这 主要是 由三 漏 MO S管侧漏电流在正负磁场作用下 其变化量不完全一样所致 集成磁敏传感器除了具有较高的灵敏度和 良好的线性特性 还有以下特点 1 具有较 宽的工作 电源 范 围 一般 可取 6 一 l 6 V 2 功耗低 当工作 电源 为 1 2 V时 功耗 小于 1 0 roW 3 良好的磁开 关特性 逻辑摆 幅大 状态转换 区较 陡 噪声容限大等特点 4 具 有较 好的温度特性 在 一3 0 6 O 温度 范围 内 磁 灵敏度 变化很小 磁灵敏度 随 温度上升稍有下 降 其温度系数小于 4 1 0 3 c 参 考 文 献 1 A Na t h a n A M J Hu is e r H P B a i t s a n d H G S c h mi d t We i n r Ca n d Ph y 3 6 3 6 9 6 1 9 8 5 2 3 R S P o p o v i c a n d H P B a t e s I EEE J o fS o l l d C i r c u i t s S C 一 1 8 4 4 2 6 1 9 8 3 维普资讯 5 9 O 半 导 体 学 报 1 4卷 I nt e gr a t e d Tr i pl e Dr a i n CM OS M a gn e t i c Fi dd S e n s i t i v e Tr an s du c e r Z h a n g We i x i n Lo u Li mi n a n d M a o Ga n r u T a n fin Un i v e r s 越 y Ti a N n g 3 0 0 0 7 2 Re c e i v e d 2 7 J a o u a r y 1 9 9 8 r e v i s e d man u s c r i p t r e c e i v e d 1 8 Ma r c h 1 9 99 Abs t r a c t A d e s e r i p t i o n o f t h e p r i n c i p l e o f c i r c u i t a n d l a y o u t d e s i g n f o r a n o v e l i n t e g r a t e d t r i p l e d r a i n CM OS r r mg n e t i c fi e l d s e n s i t i v e t r a n s d u c e r is p r e s e n t e d a n d e x p e r i me n t a l r e s u l t s f o r t h e d e v i e e a r e a 1 s v e n I t i s n o t e d f o r i t s s i mp l e c i r c u i t s t r u c t u r e h i g h ma g n e t c f i e l d s e n s i t i v i t v a n d c r we n i e n c e i n u s e Du e t o a d o p t i n g s t a n d a r d CMOS p r o c e s s i t h a s l o w p r i c e a n d i s S u i t a b l e f o r r r 1 a s s p r o d u c t i 0