《CMOS工藝平台的單晶片三維磁感測器研究》是依託南京大學，由潘紅兵擔任項目負責人的面上項目。
基本介紹
- 中文名：CMOS工藝平台的單晶片三維磁感測器研究
- 項目類別：面上項目
- 項目負責人：潘紅兵
- 依託單位：南京大學
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
動態實時精確測量某點磁通量密度B 矢量的大小和方向在磁測套用領域有著巨大需求。該方向亟待突破的難題是：需要解決將多個維度的磁感測器件幾乎集中於一點，同時還需對各感測器件的混合原始信號量在保持精度的情況下採用特定算法實時計算出精確的目標值。為此本課題將圍繞三個核心科學問題開展：三維磁感測器件架構；器件失調、噪聲、靈敏度及信號混疊；測量值與目標值的映射算法。研究工作上，基於CMOS工藝設計一種微型分布組合式三維磁感測器件，建立器件模型，著重解決三個維度感測器件的結構、集成方法、相互間影響消除，以及感測器件的失調消除、噪聲減小和如何提高靈敏度等問題；同時研究混合信號提取及測量值與目標值之間的高精度映射算法。通過積體電路MPW 流程製作三維感測器件，進行性能表征反饋最佳化，研究和改進與之匹配的信號調理電路，在CMOS 工藝平台上實現測量解析度達0.1 高斯的單晶片三維磁檢測感測器解決方案。
結題摘要
CMOS工藝平台的單晶片三維磁感測器具有靈敏度低、失調高、非正交誤差大、研發周期長等缺點，傳統CMOS三維霍爾磁感測的研究中，器件結構、電路模型以及版圖幾個環節很難融合，帶來的問題是研發流程長，最佳化經驗及數據難以傳遞參與設計疊代環節。本項目從基於CMOS工藝的水平霍爾器件、垂直霍爾器件以及三維霍爾器件的結構建模、仿真、最佳化研究出發，基於Silvaco TCAD、COMSOL仿真軟體建立三維器件仿真/設計平台，通過仿真工具結合流片驗證疊代最佳化電路模型及器件結構，縮短了研發周期。基於器件仿真、流片測試、驗證結果，採用Verilog-a實現器件的高精度電路模型，研究了器件調理電路，有效消除了系統的失調。最後，對三維磁感測器件的映射算法進行了研究，對CORDIC坐標轉換IP進行了最佳化。本項目研究取得的主要成果如下： （1）器件結構方面 對水平霍爾器件結構進行最佳化，將器件靈敏度從81.6V/AT提高到402V/AT。提出一種十字形3D霍爾器件結構，具有以下優點：面積小，為120μm2，有效消除非正交誤差。 （2）高精度電路模型方面 針對於十字形水平霍爾器件、5CVHD以及十字形3D型霍爾器件，設計出對應的高精度電路模型，三種電路模型均具有以下優點：充分考慮了電壓相關的非線性、幾何效應，以及溫度效應等物理效應；將有源區上下的耗盡層厚度都考慮其中，提高了模型的精度；採用JFET來模擬器件的電阻以及電容效應，提高了模型的交流特性。 （3）器件失調方面 通過研究發現：在電流相關靈敏度方面，器件上覆蓋一層P型層比覆蓋金屬層更好，在失調方面，覆蓋金屬層比覆蓋P型層更優。基於2脈衝旋轉電流法設計了十字形水平霍爾器件的調理電路。研究了4脈衝旋轉電流法對5CVHD垂直霍爾器件及十字型3D霍爾器件失調消除的適用性。 （4）映射算法方面 對 CLA（集群超前）技術套用於加速IIR數字濾波器進行了研究，對CORDIC坐標轉換IP進行了最佳化。 在項目實施期間總計發表學術文論11篇，申請發明專利32件，授權發明專利2件，獲得積體電路布圖設計證書4件，獲軟體著作權2件。
