标准CMOS工艺下单片三轴向地磁传感集成电路设计技术研究

The itegrated sensing technology for orientation within the earth magnetic field has been wildly used in IOT (Internet of Things) terminals and portable electronic devices. In this technology, the triple-axis sensing integrated circuit is composed of Hall devices, micro signal readout circuit, mixed-signal processing circuit, and Integrated Magnetic Concentrator (IMC). Traditional methods of implementation require specific design and producing processes which are not compatible with standard CMOS technology. The target of this proposal is to find a method of implementing the whole integrated circuit in standard CMOS technology. By the modeling analysis, a model which benefits solving the compatibility between producing IMC and CMOS processing would be obtained. At the same time, an optimized micro signal readout and processing circuit will be designed dedicatedly, which would get rid of processing error, perming effect, circuit noise, mechanical stress and temperature variation by calibration. It will result in high accuracy sensitivity according to a perfect system integration of all parts including sensor, circuits and IMC. Thus, through the research in this proposal, the method for integrated CMOS earth magnetic field sensor design and implementation would be concluded to reduce cost and increase efficiency in producing. With this new technology, the development of smart sensor network will be improved magnificently.

集成地磁定位传感技术可广泛应用于物联网终端和便携式移动电子产品，利用这一技术制造的三轴向地磁传感集成电路主要包含霍尔传感器，信号检测与处理电路，和集成磁场集中器（Integrated Magnetic Concentrator, IMC）。现有技术无法将IMC与传感器、电路一起完全通过标准CMOS工艺实现，需借助特殊制造工艺。本项目以探索一套在标准CMOS工艺下完全实现三轴向地磁传感集成电路的设计方法为目标，围绕IMC的标准化工艺移植，通过建模分析，设计带有自校正的高动态、高精度磁电转换电路和微纳信号检测与处理电路，实现新制造方法下传感器、IMC器件和电路部分的单芯片系统集成，从而消除工艺误差、磁化效应、电路噪声、应力变化以及工作温度等非理想因素的干扰，达到定位精度的提升，从而降低生产成本、提高生产效率，使地磁定位技术具有更好的实用价值和推广潜力，促进智能传感网的发展。

集成地磁定位传感技术可广泛应用于物联网终端和便携式移动电子产品，利用这一技术制造的三轴向地磁传感集成电路主要包含霍尔传感器，信号检测与处理电路，和集成磁场集中器。现有技术无法将IMC 与传感器、电路一起完全通过标准CMOS 工艺实现，需借助特殊制造工艺。本项目基于CSMC 0.5um 标准CMOS工艺，通过建模分析、电路设计和校正方法及制造方法的研究手段，进行了CMOS工艺下的霍尔器件的模型分析、实现了关键电路的流片和测试，并对制造方法进行了探索。具体的研究成果包含如下几个方面：（1）建立了具有CMOS工艺参数接口的霍尔器件模型，并进行了对比验证；（2）探索出IMC器件物理外形、材料特性、放置位置等参数对磁场放大效果影响的分析方法，并量化分析各参数的影响效果；（3）实现了标准CMOS工艺下HHD器件的设计；（4）完成了采用旋转电流法进行模拟校正的自校正磁信号检测与读出电路，并设计了相应的高精度低功耗模数转换电路及电源管理、振荡器等多种片上集成的高性能低成本周边辅助电路；（5）在系统控制算法层面实现了芯片系统的自校正过程，减少了工艺误差、磁化效应、电路噪声、应力变化以及工作温度等非理想因素的影响，提高了工作精度；（6）对芯片的制造和封装工艺进行了有益探索。可以说，本项目的开展为单片地磁传感器的集成化发展进行了有效地探索，为提高集成地磁芯片的定位精度、降低成本、促进智能传感网的发展打下了坚实的基础。在项目进行期间，共发表学术论文5篇，其中EI期刊论文1篇、EI会议论文3篇、中文核心论文1篇，申请中国发明专利1项，培养硕士研究生6名，博士研究生2名。总体来说，项目达到了预期的研究目标。