臺灣博碩士論文加值系統

磁場感測器的發展已有一定的歷史，在半導體製程下其結構製造容易、體積小、能夠量產等優點，使其廣泛的應用在磁場感測、偵測角度、觸碰感應、偵測裂縫等應用。
本論文主要研究磁場感測器、讀出電路的設計以及磁場角度感測，晶片的佈局面積為0.949*1.003〖mm〗^2，晶片功率為1.16mW，磁場感測元件感測範圍±50mT，單方向的電流變化百分比為5.95%。
而讀出電路的設計分為兩個部分。第一部分為透過溫度的補償使得感測器的工作範圍能夠攝氏0到85度之間正常工作，當感測器電流變化5%以內時，電流差讀出電路輸出電壓的變化在85ppm/℃以下，經過IA放大後輸出電壓的變化在120ppm/℃。
第二部分為磁場感測器的輸出偏移消除，當磁場感測器產生10%的輸出電流偏移時，只有相關雙重取樣電路的輸出error為±3.18%，而相關雙重取樣電路配合雙相位旋轉電路輸出的error在±0.25%之間。
在應用方面，基於本論文的磁場感測器所提出，關於磁場角度感測的設計，其角度的平均誤差為〖∆α〗_avg=4.03°。

Magnetic field sensors have been assisting human kinds for a long period of time in various issues like nearly unlimited computer memory, flux-gate sensors for military applications, angle and crack detectors.
In this thesis, the main focus is to design a BiNMOS magnetic sensor with low magnetic field but with better sensitivity. A readout circuit design has been designed to use this sensor for detecting angle applications. The fabricated chip area is 0.949*1.003〖mm〗^2 and power consumption is 1.16mW. The sensitivity of the magnetic sensor is 5.95% with the applied magnetic field range of ±50mT.
The sensor readout circuit is divided into temperature compensation and offset cancellation. Temperature compensation circuitry ensures that the magnetic sensor can work between 0 and 85℃. The readout output sensitivity drift is 52ppm/℃ and the IA output is 120ppm/℃.
On the other hand, the magnetic sensor cancels offset by Correlating Double Samples(CDS) and the Spinning Current Technique(SCT). When the sensor produces 10% offset of the output current, the CDS output error is ±3.18% and CDS with SCT output error is ±0.25%. In the application of angle detection, average error 〖∆α〗_avg=4.03.

目錄
指導教授推薦書
口試委員會審定書
誌謝 iii
摘要 iv
Abstract v
目錄 vi
圖目錄 viii
表目錄 xiii
第一章緒論 - 1 -
1.1 研究背景 - 1 -
1.2 研究動機與目的 - 5 -
1.3 設計流程 - 6 -
1.4 論文架構 - 7 -
第二章 先前文獻探討 - 8 -
2.1 霍爾效應的基本原理 - 8 -
2.2 磁場感測元件 - 13 -
2.3 讀出電路 - 38 -
2.4 結論 - 54 -
第三章 讀出電路與磁場感測器設計 - 55 -
3.1 磁場感測元件 - 55 -
3.2 讀出電路的設計 - 75 -
3.3 磁場角度感測器設計 - 116 -
第四章 佈局與量測考量 - 124 -
4.1 佈局考量 - 124 -
4.2 佈局規劃 - 130 -
4.3 佈局後模擬與驗證 - 133 -
第五章 總結與未來研究方向 - 148 -
5.1 總結 - 148 -
5.2 未來研究方向 - 150 -
參考文獻 - 151 -
附錄一 - 155 -

圖目錄
圖1.1 助聽器 - 3 -
圖1.2 轉動式電位計 - 3 -
圖1.3 磁場角度感測器 - 3 -
圖 1.4 設計流程 - 6 -
圖 2.2 霍爾相角 - 12 -
圖 2.3 十字型霍爾感測器 - 14 -
圖 2.4 垂直型霍爾感測器 - 15 -
圖 2.5 二維垂直式霍爾感測器 - 16 -
圖 2.6 2維磁場垂直霍爾感測器排列圖 - 17 -
圖 2.7 切換不同偵測方向 - 18 -
圖 2.8 量測外加磁場與輸出電壓關係圖 - 18 -
圖 2.9 X與Y方向的電壓關係圖 - 19 -
圖 2.10 量測磁場與角度偏移 - 19 -
圖 2.11 四種連接sensor的相位 - 21 -
圖 2.12 不同的相位作SCT偏壓電流與輸出電壓偏移關係 - 22 -
圖 2.13 雜訊頻譜密度圖 - 23 -
圖 2.14 磁電晶體結構俯視圖 - 25 -
圖 2.15 磁電晶體結構(B=0) - 25 -
圖 2.16 電晶體結構(B=-z) - 26 -
圖 2.17 電晶體結構(B=x) - 26 -
圖 2.18 載子再結合效應 - 26 -
圖 2.19 二維摺疊垂直霍爾感測元件 - 28 -
圖 2.20 磁場感測架構 - 32 -
圖 2.21 數位輸出角度轉換器 - 33 -
圖 2.22 電流角度換算區間 - 34 -
圖 2.23 處理過的區間電流 - 34 -
圖 2.24 完整讀出電路-電壓輸出 - 39 -
圖 2.25 完整讀出電路-PWM or PCM輸出 - 39 -
圖 2.26 文獻[7]系統架構 - 41 -
圖 2.27 文獻[8]系統架構 - 44 -
圖 2.28 文獻[9]系統架構 - 47 -
圖 2.29 霍爾感測器與讀出電路 - 50 -
圖 2.30 spinning current電路 - 51 -
圖 3.1 Bipolar NMOS對俯視圖 - 56 -
圖 3.2 BiNMOS對截面圖 - 56 -
圖 3.3 BiNMOS磁場感測載子路徑截面圖 - 59 -
圖 3.4 載子偏移造成電流變化 - 60 -
圖 3.5 BiNMOS 電流受磁場變化截面圖 - 62 -
圖 3.6 二維Bipolar NMOS俯視圖 - 63 -
圖 3.7 CMOS製程標準BJT俯視圖 - 64 -
圖 3.8 Bipolar NMOS等效電路 - 65 -
圖 3.9 Bipolar NMOS磁場等效模型 - 66 -
圖 3.10 Bipolar NMOS磁場模型輸出模擬 - 68 -
圖 3.11 感測器佈局圖 - 69 -
圖 3.12 BiNMOS偏壓節點圖 - 69 -
圖 3.13 磁場強度與感測器Ic1小電流 - 72 -
圖 3.14 磁場強度與感測器Ic2小電流 - 73 -
圖 3.15 磁場強度與感測器Ic1大電流 - 74 -
圖 3.16 磁場強度與感測器Ic2大電流 - 74 -
圖 3.17 整體架構圖 - 77 -
圖 3.18 Sensor 電路圖 - 77 -
圖 3.19 電流式儀表放大器電路 - 78 -
圖 3.20 Sensor mismatching - 79 -
圖 3.21 Sensor切換開關 - 81 -
圖 3.22 CDS電路 - 82 -
圖 3.23 CDS與SCT時序 - 83 -
圖 3.24 電流式運算放大器電路 - 84 -
圖 3.25 CDS單邊offset電流變化百分比 - 86 -
圖 3.26 CDS兩邊offset電流變化百分比 - 86 -
圖 3.27 IA電流變化隨電壓輸出 - 87 -
圖 3.28 spinning current phase1與phase2電流流向 - 91 -
圖 3.29 spinning current 開關電路圖 - 92 -
圖 3.30 CDS加SCT隨電流變化單邊 offset百分比 - 93 -
圖 3.31 CDS加SCT隨電流變化兩邊 offset百分比 - 93 -
圖 3.32 一階溫度補償參考電流電路 - 94 -
圖 3.33 TT下讀出電路與Sensor溫度補償參考電流源變化 - 98 -
圖 3.34 FF下讀出電路與Sensor溫度補償參考電流源變化 - 98 -
圖 3.35 SS下讀出電路與Sensor溫度補償參考電流源變化 - 99 -
圖 3.36 電流差讀出電路 - 103 -
圖 3.37 電流差讀出電路模擬結果 - 105 -
圖 3.38 溫度補償電路設計一 - 107 -
圖 3.39 Sensor溫度補償 - 108 -
圖 3.40 設計一讀出電路補償 - 109 -
圖 3.41 設計一取樣電流改變與溫度係數關係 - 111 -
圖 3.42 溫度補償電路設計二 - 112 -
圖 3.43 設計二取樣模式電流改變與溫度係數 - 113 -
圖 3.44 設計二參考模式電流改變與溫度係數 - 114 -
圖 3.45 IA輸出隨溫度變化 - 115 -
圖 3.46 半環式排列 - 117 -
圖 3.47 輸出電壓與磁場角度關係 - 118 -
圖 3.48 角度象限 - 119 -
圖 3.49 實際角度與感測角度比較 - 121 -
圖 3.50 全環狀式排列 - 122 -
圖 3.51 二維單一磁場感測二維單一磁場感測 - 123 -
圖 4.1 共質心對稱 - 125 -
圖 4.2 電阻佈局 - 126 -
圖 4.3電容佈局 - 127 -
圖 4.5 Deep N-well NMOS截面圖 - 129 -
圖 4.6 晶片佈局 - 130 -
圖 4.7 佈局平面圖 - 132 -
圖 4.8 電流差讀出電路輸出post-sim結果 - 134 -
圖 4.9 IA對電流變化輸出post-sim結果 - 134 -
圖 4.10 CDS隨電流變化單邊 offset百分比post-sim - 137 -
圖 4.11 CDS隨電流變化兩邊 offset百分比post-sim - 138 -
圖 4.12 CDS加SCT隨電流變化單邊 offset百分比post-sim - 138 -
圖 4.13 CDS加SCT隨電流變化兩邊 offset百分比post-sim - 139 -
圖 4.14 取樣模式電流改變與溫度係數post-sim結果 - 139 -
圖 4.15 參考模式電流改變與溫度係數post-sim結果 - 140 -
圖 4.16 IA輸出隨溫度變化post-sim結果 - 140 -
圖 4.17 post-sim角度感測輸出比較 - 141 -
圖 4.18 CDS打線圖 - 143 -
圖 5.1 感測磁場裂縫 - 150 -
圖 5.2 感測器與激發線圈 - 150 -

表目錄
表 1.1 磁場感測器的應用 - 4 -
表 2.1 完整比較表 - 23 -
表 2.2 四種機制的元件偏壓 - 29 -
表 2.3 四種不同情況下的量測結果 - 29 -
表 2.4 文獻[1]到[5]比較表 - 37 -
表 2.5 文獻[6]到[10]比較表 - 53 -
表 3.1 小電流偏壓訊號 - 72 -
表 3.2 大電流偏壓訊號 - 73 -
表 3.3 CDS與IA電路不同corner模擬 - 87 -
表 3.4 CDS與IA電路元件尺寸 - 88 -
表 3.5 Sensor電流源不同corner比較 - 100 -
表 3.6 讀出電路電流源不同corner比較 - 100 -
表 3.7 Sensor 溫度補償元件尺寸 - 101 -
表 3.8 讀出電路溫度補償元件尺寸 - 101 -
表 3.9 電流差讀出電路不同corner模擬 - 105 -
表 3.10 電流差讀出電路尺寸 - 106 -
表 3.11 象限判斷 - 118 -
表 3.12 實際角度θ計算 - 120 -
表 4.1 電流差讀出電路佈局比較表 - 135 -
表 4.2 CDS與IA輸出比較表 - 136 -
表 4.3 電流差讀出電路 post-sim corner比較 - 136 -
表 4.4 CDS與IA電路 post-sim corner比較 - 137 -
表 4.5 佈局前後整體功能比較 - 141 -
表 4.6 感測元件與讀出電路文獻比較表 - 142 -
表 4.7 CDS訊號偏壓表 - 144 -
表 4.8 CDS電路量測儀器 - 146 -

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