專利名稱：一種十字形cmos集成霍爾磁傳感器的電路仿真模型的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種十字形CMOS集成霍爾磁傳感器的通用電路仿真模型。該模型幾乎考慮了霍爾傳感器的各種物理與幾何效應(yīng)，能模擬霍爾傳感器的各種直流、交流和瞬態(tài)特性，可在通用的Spice仿真器上與其他電子電路一起完成器件和電路的混合仿真。
背景技術(shù)：
霍爾磁場傳感器是一種利用霍爾效應(yīng)原理實(shí)現(xiàn)磁電轉(zhuǎn)換的器件，常用于磁場的檢測。用CMOS工藝制造的霍爾磁場傳感器不僅具有工藝簡單、成本低等優(yōu)點(diǎn)，而且還可以和控制、驅(qū)動電路集成在同一個(gè)芯片內(nèi)部，從而實(shí)現(xiàn)傳感器微系統(tǒng)的低功耗、高可靠性和微型化?，F(xiàn)如今CMOS集成霍爾傳感器已廣泛應(yīng)用在工業(yè)控制、智能儀器儀表和消費(fèi)類電子等領(lǐng)域。除了直接測量磁場，它還可以非直接測量距離、位置、旋轉(zhuǎn)角度、速度和電流等信號。例如霍爾傳感器可作為一個(gè)汽車速度傳感器、一個(gè)代替機(jī)械開關(guān)的電子開關(guān)，或者一個(gè)無刷直流電機(jī)轉(zhuǎn)子位置的檢測器等。CMOS霍爾磁場傳感器分為水平型和垂直型兩種。水平型霍爾器件應(yīng)用廣泛，技術(shù)成熟，能檢測垂直于器件表面的磁場變化。垂直型霍爾器件可檢測平行于器件表面的磁場變化，雖然在20多年前已被提出，但必須在深阱高壓CMOS工藝下制造。所以直到2007年 Joris等人才第一次在標(biāo)準(zhǔn)的0. 35um CMOS工藝下成功研制了一個(gè)垂直型霍爾器件，但相對于水平型霍爾器件，它的磁場靈敏度較低，應(yīng)用方面還有較大的局限性。眾所周知，由于不能通過優(yōu)化工藝條件來提高器件性能，CMOS集成霍爾傳感器的磁場靈敏度相對于分立霍爾器件以及BiCMOS集成器件較低；同時(shí)又易受溫度、結(jié)效應(yīng)和機(jī)械應(yīng)力等非理想因素的影響，產(chǎn)生的失調(diào)電壓和低頻噪聲較大，常常淹沒了微弱的霍爾信號，因此必須依靠集成在同一芯片上的后續(xù)信號調(diào)理電路來完成對微弱霍爾信號的放大、 失調(diào)和噪聲的消除以及溫度和應(yīng)力效應(yīng)的補(bǔ)償?shù)裙δ?。其中，霍爾失調(diào)和噪聲的消除是整個(gè)信號處理技術(shù)的關(guān)鍵。主要的失調(diào)消除技術(shù)有歸零法、雙采樣法和旋轉(zhuǎn)電流法。相比之下，旋轉(zhuǎn)電流法電路簡單、效果好，不僅能消除霍爾器件產(chǎn)生的失調(diào)和低頻噪聲，而且能有效消除掉信號調(diào)理電路自身的失調(diào)，因而得到廣泛的應(yīng)用。為了使用旋轉(zhuǎn)電流法，水平型CMOS集成霍爾傳感器在制造是通常都采用90°旋轉(zhuǎn)對稱的結(jié)構(gòu)。然而為了便于將集成霍爾傳感器和信號處理電路一起混合仿真，提高電路級仿真的精確性，就必須提取一個(gè)精確的霍爾傳感器仿真模型作為電路的信號源輸入。這就要求提取的模型能考慮到霍爾傳感器的各種重要的物理效應(yīng)、幾何效應(yīng)和工藝影響，能準(zhǔn)確的模擬霍爾傳感器的直流、交流、瞬態(tài)行為，另外提取的模型結(jié)構(gòu)要簡單可靠，這樣電路設(shè)計(jì)者才能方便地在通用的Spice仿真器上完成對霍爾器件和電路的混合仿真。早期，水平型霍爾傳感器的仿真模型的推導(dǎo)幾乎都是基于四個(gè)電阻的惠斯通電橋結(jié)構(gòu)，但是這些模型并不能提供足夠高的仿真精度。主要是因?yàn)檫@些模型并沒有完全考慮所有相關(guān)的物理與幾何效應(yīng)(比如非線性電導(dǎo)效應(yīng)、溫度效應(yīng)、PN結(jié)效應(yīng)、幾何形狀對磁場靈敏度的影響、封裝應(yīng)力的影響等等)，不能全面的模擬霍爾傳感器的各種性能和寄生效應(yīng)。同時(shí)，四電阻的惠斯通電橋結(jié)構(gòu)也不能精確地模擬霍爾器件相鄰兩個(gè)接觸端口之間的電阻，所以也不能模擬封裝應(yīng)力引起的壓阻效應(yīng)而帶來的失調(diào)。后來又有學(xué)者在此基礎(chǔ)上提出了基于結(jié)型場效應(yīng)晶體管的模型，用結(jié)型場效應(yīng)晶體管代替惠斯通電橋中的電阻。以此模型為基礎(chǔ)，P. D. Dimitropoulos等人于2007年成功的提出了一種基本單元數(shù)量可縮比的集總模型，可以全面模擬除應(yīng)力以外的其它各種非理想因素帶來的影響。該模型的基本單元由結(jié)型場效應(yīng)晶體管和電流控制電流源構(gòu)成，以犧牲仿真速度換取增加基本單元的數(shù)量來提高仿真精度。然而該仿真模型的應(yīng)用卻存在很大的局限性，主要是因?yàn)榻^大多數(shù)標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝線并不提供結(jié)型場效應(yīng)晶體管的仿真模型， 電路設(shè)計(jì)者自然也無法使用該模型進(jìn)行CMOS電路的仿真。綜上所述，提取一個(gè)結(jié)構(gòu)簡單、精確度高、能夠直接在仿真器上使用的CMOS霍爾元件的通用仿真模型是成功設(shè)計(jì)出CMOS霍爾傳感器的一個(gè)非常關(guān)鍵的因素。對于該模型的要求是能準(zhǔn)確模擬出霍爾器件的各種行為，特別是模擬出偏置電壓或電流、溫度、封裝應(yīng)力對磁場靈敏度的影響，封裝應(yīng)力、工藝波動對失調(diào)的影響。

發(fā)明內(nèi)容
技術(shù)問題本發(fā)明針對十字形CMOS霍爾傳感器提出一種通用的電路仿真模型。該模型只包含一個(gè)由非線性電阻、寄生電容以及受電流控制的電壓源構(gòu)成的無源網(wǎng)絡(luò)，完全考慮了霍爾傳感器的非線性電導(dǎo)效應(yīng)、溫度效應(yīng)、幾何效應(yīng)、封裝應(yīng)力等，用模擬硬件描述語言Verilog_A或VHDL_A進(jìn)行描述，可在通用的電路仿真器如Cadence的Spectre上進(jìn)行仿真。技術(shù)方案本發(fā)明是一種十字形CMOS集成霍爾磁傳感器的電路仿真模型，由12個(gè)非線性N阱電阻、8個(gè)PN結(jié)結(jié)電容和4個(gè)受電流控制的電壓源構(gòu)成中心對稱的結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)； 將十字形器件分為一個(gè)中心區(qū)域和四個(gè)叉指區(qū)域，中心區(qū)域的有源區(qū)用&--Rd--Cb--Vh/2網(wǎng)絡(luò)表示，叉指區(qū)域的有源區(qū)用I--Cf網(wǎng)絡(luò)表示；中心區(qū)域共包括4個(gè)內(nèi)層十字電阻(I D1 RD4)，4個(gè)外層橋臂電阻α Η1 Th4)；其中4個(gè)內(nèi)層十字電阻(I D1 Rd4)的一端連接在一起構(gòu)成十字中心端，相鄰兩個(gè)內(nèi)層十字電阻的另一端之間連接一個(gè)外層橋臂電阻，構(gòu)成呈十字對稱的I^h-Rd網(wǎng)絡(luò)；其各端口與該模型外端的接觸端口之間分別連接一個(gè)叉指電阻(7 ^ );4個(gè)中心電容(Cb)分別位于Rh-Rd網(wǎng)絡(luò)的端口與地之間；4個(gè)叉指處各用一個(gè)叉指電阻(Rf)與一個(gè)受電流信號控制的電壓源(VH/2)相串聯(lián)，串聯(lián)后的兩端分別接Rh-Rd網(wǎng)絡(luò)的一端口和該模型電路外端的接觸端口 ；4個(gè)叉指電容 (Vf)分別位于該模型外端的接觸端口與地之間；4個(gè)受電流控制的霍爾電壓源(VH/2)位于中心Rh-Rd-Cb網(wǎng)絡(luò)與叉指I^f-Cf網(wǎng)絡(luò)之間。所述的外層橋臂電阻( )與內(nèi)層十字電阻(Rd)，其計(jì)算方法為
IKs (LΛ Rh ^ % In 2Rh =———π:-21η2 ^ = 2---
π KfT)，Rd π LIW其中L是十字形CMOS霍爾器件的叉指長度，W是十字形CMOS霍爾器件的叉指寬度，Rs是霍爾器件材料的方塊電阻。
所述的中心電容(Cb)與叉指電容(Cf)，其計(jì)算方法為Cf = WL - Cpn, Cb = W2 - Cpn其中W為十字形霍爾傳感器的叉指寬度，L是叉指長度，Cpn為每個(gè)區(qū)域的單位面積寄生電容，計(jì)算方法為
權(quán)利要求
1.一種十字形CMOS集成霍爾磁傳感器的電路仿真模型，其特征是由12個(gè)非線性N阱電阻、8個(gè)PN結(jié)結(jié)電容和4個(gè)受電流控制的電壓源構(gòu)成中心對稱的結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)；將十字形器件分為一個(gè)中心區(qū)域和四個(gè)叉指區(qū)域，中心區(qū)域的有源區(qū)用&--Rd--Cb--Vh/2網(wǎng)絡(luò)表示，叉指區(qū)域的有源區(qū)用I--Cf網(wǎng)絡(luò)表示；中心區(qū)域共包括4個(gè)內(nèi)層十字電阻(I D1 RD4)，4個(gè)外層橋臂電阻(I H1 Rh4)；其中4 個(gè)內(nèi)層十字電阻( Rd4)的一端連接在一起構(gòu)成十字中心端，相鄰兩個(gè)內(nèi)層十字電阻的另一端之間連接一個(gè)外層橋臂電阻，構(gòu)成呈十字對稱的Rh-Rd網(wǎng)絡(luò)；其各端口與該模型外端的接觸端口之間分別連接一個(gè)叉指電阻(^ ^ );4個(gè)中心電容(Cb)分別位于Rh-I^d網(wǎng)絡(luò)的端口與地之間；4個(gè)叉指處各用一個(gè)叉指電阻(Rf)與一個(gè)受電流信號控制的電壓源(VH/2)相串聯(lián)，串聯(lián)后的兩端分別接I^h-Rd網(wǎng)絡(luò)的一端口和該模型電路外端的接觸端口 ；4個(gè)叉指電容(Cf) 分別位于該模型外端的接觸端口與地之間；4個(gè)受電流控制的霍爾電壓源(VH/2)位于中心Rh-Rd-Cb網(wǎng)絡(luò)與叉指I^f--Cf網(wǎng)絡(luò)之間。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的十字形CMOS集成霍爾磁傳感器的電路仿真模型，其特征是所述的外層橋臂電阻(Rh)與內(nèi)層十字電阻(Rd)，其計(jì)算方法為πJ tRp π HiV其中L是十字形CMOS霍爾器件的叉指長度，W是十字形CMOS霍爾器件的叉指寬度，& 是霍爾器件材料的方塊電阻。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的十字形CMOS集成霍爾磁傳感器的電路仿真模型，其特征是所述的中心電容(Cb)與叉指電容(Cf)，其計(jì)算方法為 CF — WL Cpn, CB — W Cpn其中w為十字形霍爾傳感器的叉指寬度，L是叉指長度，Cpn為每個(gè)區(qū)域的單位面積寄生電容，計(jì)算方法為=[Nd^nw +NA^P+) \qss、ND 譯—N,I 哄 D,NW\ 2H+ \A,PSUB J2JV -Nv D,NW 1 v A,PSUBνq J式中ε s為Si的介電常數(shù)，K是波爾茲曼常數(shù)，T是開爾文溫度，q為電子電量，Upn是 Pn結(jié)上所加電壓，ND,ffl、NA,P+和Na,psub分別為N阱摻雜濃度、頂部P+層摻雜濃度和P型襯底的摻雜濃度，m為一常數(shù)，其值為1/3 1/2。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的十字形CMOS集成霍爾磁傳感器的電路仿真模型，其特征是所述的受電流控制的霍爾電壓源(VH/2)，其計(jì)算方法為/2 2其中=I(I^n2)是模型中流過Ii1和 節(jié)點(diǎn)間的電流是電流相關(guān)靈敏度，B為垂直于器件表面的磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度，計(jì)算方法分別為qπ IV+LS1 = GuhRs, <7= 1-5.0267~, θ n = tarT1 ( μ ΗΒ)tan(D式中μ H為霍爾遷移率，G為器件的幾何形狀因子，&為器件的N阱方塊電阻，ΘΗ為霍爾角，W為十字形霍爾傳感器的叉指寬度，L是叉指長度。
全文摘要
本發(fā)明的目的是提供一種結(jié)構(gòu)簡單、精度高、能在通用的電子電路仿真器上進(jìn)行模擬的十字形CMOS集成霍爾磁傳感器的電路仿真模型。由12個(gè)非線性N阱電阻、8個(gè)PN結(jié)結(jié)電容和4個(gè)受電流控制的電壓源構(gòu)成中心對稱的結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)；將十字形器件分為一個(gè)中心區(qū)域和四個(gè)叉指區(qū)域，中心區(qū)域的有源區(qū)用RH-RD-CB網(wǎng)絡(luò)表示，叉指區(qū)域的有源區(qū)用RF-CF網(wǎng)絡(luò)表示；該模型幾乎考慮了霍爾傳感器的所有物理與幾何效應(yīng)，能模擬霍爾傳感器的各種直流、交流和瞬態(tài)特性，適合在實(shí)際含有霍爾器件的工程電路中應(yīng)用，進(jìn)行大批量生產(chǎn)。
文檔編號G06F17/50GK102236736SQ201110191728
公開日2011年11月9日 申請日期2011年7月8日 優(yōu)先權(quán)日2011年7月8日
發(fā)明者何遲, 吳佩莉, 吳金山, 徐躍, 王凱玄, 趙菲菲 申請人:南京郵電大學(xué)