低功耗CMOS集成霍尔开关传感器

抽象的

本文介绍了一种基于中芯0.18芯片的集成霍尔开关传感器μ.M CMOS技术。该系统包括前端霍尔元件和后端信号处理电路。通过优化霍尔元件的结构并使用正交耦合和纺丝电流技术，可以有效地抑制偏移电压。仿真结果表明，霍尔开关可以在3.3V电源电压下消除大于1 mV的偏移电压。通过使用时钟逻辑信号来实现霍尔开关电路，唤醒模式和睡眠模式的两种模式，而不会影响霍尔开关的性能，从而降低功耗。测试结果表明，开关的操作点和释放点在3-7毫秒的3.3V电源电压范围内。同时，目前的消费量为7.89 μ.一种。

1.介绍

近几十年来，霍尔传感器与当今的半导体集成电路制造技术兼容。使用CMOS技术生产的集成霍尔开关传感器具有稳定的性能，体积小，寿命长，价格低，导致他们在许多领域的验收。然而，使用CMOS技术生产的霍尔元件具有低灵敏度和弱霍尔电压信号。通常，在1毫秒的弱磁场和1 V偏置电压下，霍尔元件仅产生大约几十微伏的霍尔电压[1那2］．因此，需要使用放大电路对霍尔电压信号进行放大处理。非理想因素如制造技术的不匹配、工作温度的变化和芯片封装引起的应力会导致霍尔元件和处理电路产生远大于霍尔电压的偏置电压，从而消除有效霍尔电压信号，因此应该采取措施抑制这种偏置电压[3.］．同时，霍尔元素在工作条件下的内阻仅为1 k 那并且消耗电流达到毫安水平。要开发低功耗传感器芯片，必须采取措施来降低芯片的能耗。

在这项研究中，我们通过优化其结构改善了敏感性并降低了霍尔元素的偏移。另外，双霍尔元件正交耦合和纺丝电流技术用于有效降低偏移电压。使用自动化技术抑制了电路偏移。时钟控制的微功率技术用于降低低速霍尔开关芯片的功耗而不会影响其性能。在部分1，介绍了霍尔开关传感器的应用背景。在部分2，我们介绍了本文的CMOS部分，介绍了霍尔开关传感器的应用背景。第二部分介绍了CMOS霍尔元件偏移电压，并描述了用于抑制霍尔元件偏移电压的技术。分析了传感器的运行状态3.．在部分4.，我们讨论了对芯片的测试结果的分析。部分5.包含我们的结论。

2.霍尔元素和霍尔偏移电压抑制的设计

2.1。CMOS Hall Element.

霍尔元素的剖视图和顶视图如图所示1．基于平面十字形霍尔元件[4.]，设计了一个90°旋转对称结构的方厅单元。磷被注入到p型衬底中，生成一个n阱，作为霍尔元素的活性区域。方形N阱的四个角被重掺杂形成N+，连接到金属丝上作为霍尔元件的接触电极;在霍尔元件表面用硼形成P+层，以减小霍尔元件的有效厚度，提高霍尔元件的灵敏度，P+层与地电位连接。最后，在霍尔元件的表面覆盖一层连接到地电位的金属，并将霍尔元件周围环绕一圈金属，以减少传感器中其他模块的噪声对霍尔元件的干扰。

2.2。抑制霍尔元件偏移电压的方法

在没有磁场的情况下，由于生产技术的缺陷，机械应力和环境温度，当霍尔元件的控制端存在激励源时，其输出端存在非零差（i.e., the offset voltage大厅元素）[5.-7.］．它的惠斯通桥模型如图所示2．当偏置电流是和 那霍尔元素的输出电压如下：

如果抵抗 ，霍尔元件的输出电压在没有磁场的情况下为零。然而，由于电阻器之间的不匹配，在输出端产生偏移电压，其通常在毫伏水平处。假设  k 那1％不匹配 那和  k 那输出端的偏移电压为8.2 mV，具有3.3 V偏置电压。当霍尔电压灵敏度达到40 mV / v·t时，8.2 mV偏移电压为磁场带来62 mt的误差，远大于磁信号。这会影响霍尔传感器的性能并导致故障。必须采取措施来抑制霍尔元素的偏移电压，以提高霍尔传感器的性能[8.］．

2.3。正交耦合

正交耦合技术应用于霍尔传感器作为静态补偿。如图所示3.，两个霍尔元件并联连接，并且两个霍尔元件在偏置电压方向上具有90°差，因此两个霍尔元件的输出处的偏移电压是相同的而具有相反的极性。在这种情况下，通过在输出电压下添加偏移电压在正交耦合霍尔元素中，抑制偏移量：

然而，不能保证惠斯通桥模型中的其他三个电阻完全相同，这显着降低了正交耦合补偿的效果。为了提高效果，大量的霍尔元素通常用于正交耦合，例如四个霍尔元素，但这将增加芯片面积和成本。

2.4。纺纱电流技术

正交耦合技术比旋压电流技术更能有效地抑制静电偏移。然而，利用正交耦合技术抑制霍尔元件偏移需要建立在霍尔元件具有正交对称结构的前提下，这种方法无法抑制高阶效应引起的偏移。因此，自旋电流技术被应用于霍尔传感器，以消除动态偏置[9.］．如图所示4.，这改变了霍尔电压的极性和偏移电压通过改变控制端的位置和霍尔元素的输出端。通过定期循环，将偏移电压调制为旋转频率霍尔电压保持在原始频率，然后霍尔元件的输出电压是直流厅电压和交流偏移电压的总和。可以通过后续电路抑制偏移电压。

当偏置电流从左到右流动时，霍尔元素的输出电压如下：

当偏置电流旋转90°并从上到下流动时，输出电压如下：

可以通过在这两个阶段中添加输出电压来抑制偏移电压。

结合正交耦合技术和纺纱电流技术，我们可以有效地抑制霍尔元素的偏移，并获得较小的残余偏移[10］．设计了一种双霍尔耦合四相旋转电流电路结构。如图所示5.，CLK0和CLK1是一对具有50 kHz频率的一对非重叠互补时钟。CLK0B和CLK1B的相位分别与CLK0和CLK1的相位相反。时钟信号CLK0，CLK0B，CLK1和CLK1B控制MOS开关M1-M4。当时钟信号CLK0或CLK1低时，这两个霍尔元件形成正交耦合以消除静态偏移。

当CLK0低时，M1和M4接通。H1、H3为控制端，H2、H4为输出端。输出电压如下:

当CLK1低时，将打开M2和M3。H2和H4是控制端，H1和H3是输出端。输出电压如下:

由磁场产生的霍尔电压设定为100 μ.V.根据图6.时，霍尔元件的最大偏置电压大于7 mV。通过正交耦合自旋电流技术，将这两相的输出电压相加，得到的输出电压之和为200μ.V，这里表示为2· ．

结果表明，电路与正交耦合和纺纱电流技术相结合，可以有效地抑制霍尔元素的静态和动态偏移。

3.霍尔信号处理电路设计

霍尔开关传感器的电路结构如图所示7.．传感器分为两部分：前端霍尔元件和后端霍尔电压信号处理电路。信号处理电路由偏置电路，旋转电流电​​路，时钟逻辑控制电路，振荡器，放大器，样品和保持电路，比较器和输出级电路组成。磁场信号由霍尔元件转换为电压信号;然后比较电压信号并在放大和采样后输出[11那12］．

3.1。信号放大模块

如图所示8.，放大电路模块由输入级放大电路IA1和第二级放大电路IA2组成。随着霍尔元件仅生产大约几十微伏的霍尔电压，偏移电压和噪声可以消灭有效的霍尔电压信号。考虑最重要的问题是IA1的噪音和偏移量。IA1用作二极管连接形式的负载，并以开环放大模式工作，开环增益为18dB，3dB带宽为5.89MHz。IA1具有良好的信噪比，低输入偏移电压，以及良好的增益线性。在不同的电源电压，温度和工艺参数下，增益变化范围小于8％。使用全差分仪表放大器实现了IA2，并具有强大的抗干扰能力和稳定的输出增益。IA2电路由两个基本CMOS运算放大器组成，该放大器形成双端输入和双端输出放大器。通过调整阻力和 那根据需要获得稳定的增益。本文的增益为26.5 dB，3 dB带宽为128 kHz。IA1收益被设定为 那并且IA2收益被设定为 ．根据图8.，放大模块的总增益如下：

3.2。唤醒控制模块

时钟控制的微功率技术用于开发低功耗霍尔开关传感器[13］．传感器内的时钟逻辑电路允许其每45-60 ms上的外部磁场中的样品。循环中有两个工作模式：唤醒模式和睡眠模式。在唤醒模式中，采样由诱导磁场产生的霍尔电压，并在占空比的1/1000的时钟脉冲上工作。它在所有其他时候都处于睡眠模式。在睡眠模式期间，芯片的功耗几乎可以忽略不计，如图所示9.．平均电流消耗从4-6 mA降至7.89 mAμ.3.3 V电源电压下的A不影响霍尔开关传感器的正常工作。

3.3。信号采样 - 保持比较模块

设计的霍尔开关传感器是全极性磁场开关。换句话说，它应该正常工作在N极磁场和S极磁场中。如图所示10，在特定的磁场（ 要么 ），比较器的输出始终保持低电平，以使随后的NMOS开关管保持断开状态，以便整体输出不会受到影响。另一个比较器反映了霍尔电压和参考电压的比较结果。当霍尔电压大于参考电压时，比较器输出高。导通NMOS开关管，并将整个输出的电位拉到接地。当霍尔电压低于参考电压时，比较器输出低。NMOS开关管断开，整体输出的电位是V.DD [14那15］．

假设磁场 分析采样保持比较电路的工作状态。在阶段φ1期间，霍尔元件的输出电压设定为 ，Inp和Inn的输入电压是V.₊₁和V._-1,分别。放大器的共模电压为V._C．此时，比较器处于autozeroed状态。放大电压被电容器采样 那和参考电压被电容器采样 ．在Φ2阶段，输出电压被设置为 ，Inp和Inn的输入电压是V._-2和V.₊₂,分别。放大电压被电容器采样 那和参考电压被电容器采样 ．静脉φ2中的采样电压的极性与阶段φ1中的相反。比较器正常在阶段φ2上运行。在阶段φ2的末尾，和如下面所述： 和 因此，阶段φ2末端的比较器的输入如下：

什么时候 时，比较器的输出较高，当 ，输出低。

3.4。整个电路的工作过程

如图所示11，磁场的变化导致霍尔电压的变化，并将放大后的霍尔电压与设定的参考电压进行比较 and then outputted the switch signal. The operate point和释放点可以通过改变电压而改变吗 ．传感器芯片的总输出由比较电路和计数器电路的输出确定。如果比较器电路产生两个连续的高输出，则大厅开关输出将低;如果电路产生两个连续的低输出，则开关输出将很高。

电路的总体时间序列如图所示12．该芯片被设置为唤醒模式和睡眠模式，以降低功耗，而不会影响芯片的测试磁场的能力。同时，芯片的工作状态和振荡器的振荡频率由信号ZH控制。当EN高时，芯片检测磁场，时钟振荡频率为100 kHz。当EN低时，芯片进入睡眠模式，电路停止检测磁场。时钟振荡频率变为8 kHz。唤醒模式由复位阶段，φ0和两个连续的测量相，φ1和φ2组成。φ0电路重置为启动。然后，霍尔元件电路断开连接，信号处理电路未检测到任何输出。在相位φ1和φ2中，互补的非传递时钟CLK0和CLK1，其用作切换信号，控制了霍尔元件实现纺丝电流。

4.芯片测试和分析

SMIC 0.18 μ.M CMOS技术用于设计。芯片和包装图的图像如图所示13．芯片的设计面积为720 μ.m×550 μ.m.使用双直列28针陶瓷封装(CDIP28L)。

4.1。测试点和释放点的测试

数字14显示测试系统的物理图。在一维亥姆霍兹线圈上使用高精度电流源产生高精度磁场，以测试霍尔开关传感器的操作点和释放点。将线圈设置为产生具有全循环变化的三角波磁场。峰值为±10 mt。桌子1显示10个芯片样品的测试结果。根据试验数据，确定了磁场的工作点设计的集成霍尔开关传感器约为±6.16 mT。释放点约为±3.84 mt，滞后区间约2.32吨。

4．2.功耗测试

在设计的霍尔开关传感器芯片上使用了数字逻辑模块，以实现两种模式，即唤醒模式和睡眠模式，从而降低了功耗。交换机唤醒用于手动控制芯片的工作状态，以便测试其功耗。数字15在室温下显示电源电压的功耗。

4.3。测试结果

表中的测试结果2表明，通过使用数字逻辑时钟技术引入芯片的睡眠模式，霍尔开关传感器的功耗从毫瓦水平成功降低到微型水平;操作点和开关的释放点在3-7毫秒的范围内，适用于电路和距离检测，通常需要磁场强度为3-50毫秒。

5.结论

SMIC 0.18 μ.M技术用于设计无奈低功率霍尔开关传感器。使用数字逻辑时钟使芯片的睡眠模式使其能够降低其功耗。设计传感器的工作频率大于20Hz，呈现适用于低速开关。此外，通过使用偏移电压抑制技术有效地抑制了霍尔元件和信号处理电路的偏移电压，从而提高了霍尔开关传感器的性能。

利益冲突

作者声明他们没有利益冲突。

致谢

这项工作得到了中国国家自然科学基金的支持，授予否定。61404030。

参考

1. G. C. M. Meijer，智能传感器系统，代尔夫特大学，德尔福特，荷兰，2008年。
2. E. H. Hall，“关于电流上磁铁的新动作，”美国数学杂志，卷。2，不。3，pp。287-292,1879。查看在：出版商的网站|谷歌学术|MathSciNet
3. R. S. Popovic，霍尔效应设备，EPFL P-RESS，Lausanne，瑞士，2003年第二版。
4. J. Haeusler，“Die Geometrifunktion Vierelektrodiger Hallgeneratoren”ArchivFürelektrotechnik.，卷。52，没有。1，pp。11-19,1968。查看在：出版商的网站|谷歌学术
5. R. S. Popovic，C. Schott，I. Shibasaki，J. R.Biard和R. B.培养，“霍尔效应磁传感器”磁传感器和磁力计，第5章，Artech House，波士顿，马萨诸塞州，美国。查看在：谷歌学术
6. D. R. Popovic，F. Fahrni和A.困住，“最大限度地减少了传感器微系统的生产投资”第八届微型和纳米系统商业化国际会议的诉讼程序， MANCEF，荷兰阿姆斯特丹，2003年9月。查看在：谷歌学术
7. H. P. Baltes和R. S. Popovic，“集成半导体磁场传感器”，IEEE的诉讼程序第74卷第1期8，页1107-1132,1986。查看在：出版商的网站|谷歌学术
8. H. Blanchard，F. Montmollin D，J. Hubin等，“CMOS技术的高度敏感的霍尔传感器”，传感器和执行器是一个物理，第82卷，第2期1-3，页144-148,2000。查看在：谷歌学术
9. P. J.A. Munter，“硅琴偏移量的旋转电流方法”，IEEE的诉讼程序，卷。32，不。7，pp。943-952，1992。查看在：谷歌学术
10. A. Bilotti, G. Monreal，和R. Vig，“使用动态正交偏移抵消的单片磁霍尔传感器”，IEEE固态电路杂志，卷。32，不。6，PP。829-836,1997。查看在：出版商的网站|谷歌学术
11. P. D. Dimitropoulos，P.M. Drljaca和R. S. Popovic，“一个0.35um-CMOS，宽带，低噪声霍尔磁仪，用于电流传感应用”第六届IEEE传感器会议论文集，亚特兰大，格鲁吉亚，第884-887页，IEEE，2007年10月。查看在：出版商的网站|谷歌学术
12. H. Blanchard，L. Chiesi，R. Racz和R. S. Popovic，“Cylindrical Hall设备”国际电子器件会议论文集，pp.541-544，IEDM，旧金山，加利福尼亚州，1996年12月。查看在：谷歌学术
13. R. S. Popović和P. Kejik，“综合霍尔磁传感器”，智能传感器系统，页249-277,2008。查看在：出版商的网站|谷歌学术
14. W. J. Tenten和P. R. R. Shepherd，“新CMOS高速，高精度，基于对称交叉耦合概念的高精度，”国际电子学报，卷。68，没有。3，PP。405-412,1990。查看在：出版商的网站|谷歌学术
15. Z. B. Randjelovic, M. Kayal, R. Popovic，和H. Blanchard，“CMOS技术中的高灵敏度霍尔磁传感器微系统”，IEEE固态电路杂志，卷。37，不。2，pp。151-159,2002。查看在：出版商的网站|谷歌学术

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