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集成型巨磁阻磁开关电路研制

作　者: 朱华辰
导　师: 钱正洪
学　校: 杭州电子科技大学
专　业: 微电子学与固体电子学
关键词: 集成磁开关巨磁阻传感器仪表放大器迟滞比较器
分类号: TP212
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
下　载: 95次
引　用: 1次
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内容摘要

集成型磁开关一种以磁敏传感器为核心元件，并结合了集成电路制造技术的而生产的磁控开关。它具有体积小、精度高、功耗低、可靠性高、抗震动等优点，在自动化控制、安保、医疗电子等领域应用非常广泛。目前，常见的集成型磁开关主要基于三种效应：霍尔效应、各项异性磁阻效应（AMR）和巨磁阻效应（GMR）。其中，霍尔效应磁开关的结构和工艺简单、成本较低，在常规领域应用普遍。但是由于其芯片面积较大且存在严重的温度漂移，难以胜任如医疗、国防、航空航天等特殊环境的应用。AMR磁开关虽然可以克服霍尔效应磁开关的缺点，但由于饱和磁场过低而应用受到限制。而基于巨磁阻效应的集成型磁开关，具有更高精度、更低功耗、更小尺寸，同时具有优良的温度特性和较高的饱和场。因此已成为产业界关注的焦点。迄今为止，这一领域内国际上仅美国NVE公司成功实现产业化。目前国内相关研究及产业化工作仅处于起步阶段。集成型巨磁阻磁开关在国内和国际上均具有巨大的市场潜力。本课题的研究基于杭州电子科技大学磁电子中心实验室和东方微磁科技有限公司共同研发的巨磁阻多层膜传感器。该传感器内部采用惠斯通电桥结构，输出差分信号，具有优良的热稳定性和线性度，并且磁滞较小。本课题所设计的集成型巨磁阻磁开关电路包含放大模块和判断模块两个主要部分。根据惠斯通电桥的输出信号特点，放大模块采用了典型的三运放结构的仪表放大器以满足高共模抑制比和高输入阻抗的要求。同时，为了使本课题所设计的磁开关电路具有一定的噪声容限，避免阈值电压附近的噪声使输出信号出现剧烈的跳变，判断模块采用了迟滞比较器的形式。除此之外，为了提升驱动能力，在电路的输出端增加了Buffer电路，并增加了PNP型晶体管以提供电流沉的输出。在进行电路设计之前，本课题先对巨磁阻多层膜传感器芯片的性能进行了测试和分析。根据测试结果可以得知该传感器对磁场的角度变换较为敏感，并且可以用余弦函数进行表征。同时，本课题通过分析影响传感器角度特性的非理想因素，对理论模型进行修正，使之能够更好的与实验数据相符合。电路的设计基于华润上华科技有限公司（CSMC）的0.5μm Mixed Signal工艺进行，并流片试制。试制样片经测试验证，仪表放大器特性可以接受；迟滞比较器的迟滞区间出现了较为明显的偏移，而功能实现较好；较为遗憾的是，由于PNP晶体管部分的版图出现错漏，导致其发射极与地线短路而失去了电流沉输出功能。以上不足之处，将在今后的科研项目中进行改正并完善。综上所述，本课题在对巨磁阻多层膜传感器性能分析的基础之上完成了基于巨磁阻传感器的集成型磁开关电路的研制工作。今后还将进行基于多芯片封装工艺（System-in-Package,SiP）及片上系统（System-on-Chip, SoC）等技术的集成型磁开关制造技术研究。这些研究工作将为后续进行的磁电信号隔离耦合器件及磁随机存储器等高端核心器件电路的研制积累设计经验并奠定技术基础。

全文目录

摘要  5-7
ABSTRACT  7-11
1 绪论  11-25
  1.1 磁开关的研究进展  11-21
    1.1.1 传统（非集成型）磁开关  11-13
    1.1.2 集成型磁开关  13-21
  1.2 集成型磁开关的应用  21-24
  1.3 本文研究的目的和意义  24-25
2 集成型巨磁阻磁开关的工作原理  25-37
  2.1 巨磁阻传感器的工作原理  25-31
    2.1.1 巨磁阻效应及巨磁阻材料  25-29
    2.1.2 巨磁阻传感器结构  29-31
  2.2 判断电路的工作原理  31-36
    2.2.2 仪表放大器  33-34
    2.2.3 迟滞比较器  34-36
  2.3 整体电路结构  36-37
3 巨磁阻多层膜传感器性能分析  37-41
  3.1 静态特性  37
  3.2 角度特性  37-41
    3.2.1 实验方案  37-38
    3.2.2 结果及讨论  38-41
4 电路及版图设计  41-51
  4.1 电路设计  41-48
    4.1.1 放大模块  41-45
    4.1.2 判断模块  45-47
    4.1.3 输出模块  47-48
    4.1.4 整体电路  48
  4.2 版图设计  48-51
    4.2.1 放大模块版图  48-49
    4.2.2 判断模块版图  49
    4.2.3 整体电路版图  49-51
5 测试与验证  51-57
  5.1 测试方案  51-54
    5.1.1 放大模块性能测试  51-53
    5.1.2 判断模块特性测试  53-54
    5.1.3 输出模块测试  54
  5.2 测试结果和讨论  54-57
    5.2.1 放大模块特性测试结果  54-56
    5.2.2 判断模块测试结果  56
    5.2.3 输出模块测试  56-57
6 总结  57-59
致谢  59-61
参考文献  61-64
附录：作者在读期间发表的学术论文及参加的科研项目  64-65
详细摘要  65-69

集成型巨磁阻磁开关电路研制

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