光敏象限陣列與磁敏線陣列兼容CMOS數(shù)?；旌蟼鞲衅骷呻娐返脑O(shè)計(jì)與研究.pdf

1、基于硅光電傳感的象限傳感器廣泛應(yīng)用于激光的跟蹤制導(dǎo)、位移監(jiān)控、精密機(jī)床等控制等領(lǐng)域?；诠璧陌雽?dǎo)體磁敏傳感器廣泛應(yīng)用于測量磁場強(qiáng)度的各種磁場計(jì)、讀出磁介質(zhì)上信息的各類磁頭以及非磁信號的探測器等。傳統(tǒng)的分立象限傳感器和磁敏傳感器與CMOS工藝不兼容，不能實(shí)現(xiàn)傳感器與信號處理電路的單芯片集成，難以實(shí)現(xiàn)傳感器的SOC和智能化。 本論文研究的主要對象是光敏象限陣列與磁敏線陣列及其兼容的CMOS數(shù)?；旌闲盘柤呻娐?，它主要由雙重結(jié)光電管有

2、源象限陣列和扇形分裂漏磁敏MOS管(MAGFET)有源線陣列、相關(guān)二次采樣電路、差分放大接口電路和數(shù)字控制電路組成。在陣列傳感器的設(shè)計(jì)中，本論文設(shè)計(jì)了P+/N-well/P-sub雙重結(jié)光電管和雙向扇形分裂漏磁敏MOS管為基本傳感單元的陣列傳感器。這兩種傳感器件可以采用相關(guān)二次采樣電路進(jìn)行信號采樣和噪聲抑制。在相關(guān)二次采樣電路優(yōu)化設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了光敏/磁敏兼容的CMOS數(shù)模混合信號處理電路。在光敏傳感器的設(shè)計(jì)中，將傳統(tǒng)的象限傳感器與

3、CMOS圖像傳感器相結(jié)合，在每個象限中設(shè)計(jì)了基于P+/N-well/P-sub雙重結(jié)光電管的三管有源像素傳感器陣列，象限傳感器應(yīng)用傳感陣列來采集信號，可以直接確定目標(biāo)光源的坐標(biāo)位置并實(shí)現(xiàn)一步到位的快速調(diào)整。N-well/P-sub雙重結(jié)光電管比傳統(tǒng)的光電二極管具有較高的光譜響應(yīng)范圍和感光靈敏度。在磁敏傳感器的設(shè)計(jì)中，為了在芯片內(nèi)部實(shí)現(xiàn)屏蔽磁場的功能，設(shè)計(jì)了一對共源極的雙向扇形MAGFET，在開關(guān)電路的控制下工作在兩個工作模式：在測量磁場

4、的工作模式下實(shí)現(xiàn)磁敏傳感器的功能；在屏蔽磁場的工作模式下實(shí)現(xiàn)檢測磁敏傳感器噪聲的功能。針對雙向扇形MAGFET的兩種工作模式，在其信號處理電路的設(shè)計(jì)中，提出了兩種工作模式的異步取樣信號處理電路和同步取樣信號處理電路兩種模式。 本論文設(shè)計(jì)的光敏象限陣列和磁敏線陣列分別由4×4的有源雙重結(jié)光電管陣列和4×1有源雙向扇形MAGFET陣列組成，雙重結(jié)光電管的面積為100μm×100μm，共源極雙向扇形MAGFET的溝道半徑為48μm，源

5、極半徑為10μm，源極展角為90°。該集成電路芯片采用0.6μm標(biāo)準(zhǔn)CMOS集成電路工藝制造。 芯片的測試結(jié)果表明，P+/N-well/P-sub雙重結(jié)光電管比傳統(tǒng)的光電二極管具有較小的暗電流、較大的感光靈敏度(25V/lx·s)、感光動態(tài)范圍(變頻掃描下達(dá)到139dB)和敏感照度范圍(0.011x～98,0001x)。與矩形MAGFET3.0％的靈敏度相比，扇形MAGFET具有更大的靈敏度，達(dá)到3.63％。磁敏傳感器信號處理電

6、路的測試結(jié)果表明，異步取樣信號處理電路采用一個雙向扇形MAGFET作為傳感單元，兩種工作模式匹配度較好，傳感器電路結(jié)構(gòu)簡單，但是兩種工作模式的時(shí)序不同步容易造成傳感信號在保持過程中發(fā)生畸變。同步取樣信號處理電路不存在時(shí)序不同步而導(dǎo)致的噪聲，但是由于采用兩個雙向扇形MAGFET作為傳感器件，電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，兩種工作模式的匹配度不高。磁敏傳感器同步取樣的信號處理電路，在20KHz的工作頻率下，磁場的測量范圍為0.01T～0.5T，磁敏傳感器的