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(cè)量磁場(chǎng)強(qiáng)度的各種磁場(chǎng)計(jì)、讀出磁介質(zhì)上信息的各類磁頭以及非磁信號(hào)的探測(cè)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(hào)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(duì)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?hào)集成電路，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(hào)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(hào)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(gè)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(lái)采集信號(hào)，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(chǎng)的功能，設(shè)計(jì)了一對(duì)共源極的雙向扇形MAGFET，在開(kāi)關(guān)電路的控制下工作在兩個(gè)工作模式：在測(cè)量磁場(chǎng)

4、的工作模式下實(shí)現(xiàn)磁敏傳感器的功能；在屏蔽磁場(chǎng)的工作模式下實(shí)現(xiàn)檢測(cè)磁敏傳感器噪聲的功能。針對(duì)雙向扇形MAGFET的兩種工作模式，在其信號(hào)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(hào)處理電路和同步取樣信號(hào)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(cè)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(dòng)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(hào)處理電

6、路的測(cè)試結(jié)果表明，異步取樣信號(hào)處理電路采用一個(gè)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(jiǎn)單，但是兩種工作模式的時(shí)序不同步容易造成傳感信號(hào)在保持過(guò)程中發(fā)生畸變。同步取樣信號(hào)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(gè)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(hào)處理電路，在20KHz的工作頻率下，磁場(chǎng)的測(cè)量范圍為0.01T～0.5T，磁敏傳感器的