寬量程Co基多層膜自旋傳感器件及高精度接口芯片研究.pdf

1、自旋電子學(xué)是研究電子自旋和電子學(xué)相結(jié)合的一門(mén)學(xué)科，由于其豐富的物理內(nèi)涵已成為近年來(lái)凝聚態(tài)物理研究的熱點(diǎn)領(lǐng)域?；谧孕娮硬牧现苽涞淖孕齻鞲衅骶哂袩岱€(wěn)定性高、抗輻射、高精度、低功耗等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于國(guó)民經(jīng)濟(jì)、國(guó)防建設(shè)、科學(xué)技術(shù)、醫(yī)療衛(wèi)生等領(lǐng)域。未來(lái)的自旋傳感器系統(tǒng)正朝著高靈敏度，寬動(dòng)態(tài)范圍，低功耗，集成智能化方向發(fā)展。自旋電子材料與標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝有良好的兼容性，因此，開(kāi)發(fā)高性能寬量程的自旋傳感器，實(shí)現(xiàn)高精度自旋傳感器接口ASIC電路具有

2、重要的研究意義與實(shí)用價(jià)值。
　　Co基多層膜較之其他反?；魻栃?yīng)材料，具有自旋軌道耦合作用巨大以及磁各向異性便于調(diào)控的優(yōu)點(diǎn)，因而成為下一代自旋傳感器的首選材料。本文開(kāi)發(fā)基于反?；魻栃?yīng)的Co基寬量程磁場(chǎng)傳感器與高溫薄膜溫度傳感器。
　　首先通過(guò)磁控濺射制備了Co/Ni、Co/Pt磁性多層膜，其磁性強(qiáng)烈依賴于多層膜中Co層厚度，Ni層厚度、Pt層厚度以及復(fù)合層的周期數(shù)，通過(guò)制備合適厚度、周期數(shù)的薄膜來(lái)增強(qiáng)樣品的反?；魻栃?yīng)，提

3、高霍爾電阻回線的線性度以及擴(kuò)展工作場(chǎng)的動(dòng)態(tài)范圍，最終得到適用于中強(qiáng)磁場(chǎng)的寬量程反?；魻杺鞲衅鳌Ｈ缓笱芯苛薈o/Pt和Co/Ni薄膜的溫度特性，制備的樣品的磁性具有強(qiáng)烈的溫度依賴性，隨著溫度的升高，垂直各向異性減弱，零場(chǎng)下的反?；魻栯娮柚迪陆?，當(dāng)溫度高于薄膜的自旋重取向溫度時(shí)，薄膜的反常霍爾電阻值變?yōu)槌?shù)。根據(jù)這一特性，可以制備合適薄膜制作線性薄膜溫度傳感器與特定溫度的開(kāi)關(guān)傳感器。
　　針對(duì)自旋傳感器接口特定的應(yīng)用以及小尺寸、低功耗

4、的需求，本文提出了定制設(shè)計(jì)的傳感器接口ASIC，將信號(hào)調(diào)理電路與模數(shù)轉(zhuǎn)換電路集成在一塊芯片中。調(diào)理電路采用儀表放大器，其輸入阻抗高、共模抑制比高、噪聲低、失調(diào)漂移低、線性誤差低，是傳感器信號(hào)放大的理想選擇。為了提高儀表放大器的輸入共模范圍，前端放大器采用互補(bǔ)式軌到軌差分運(yùn)算放大器實(shí)現(xiàn)。采用了改進(jìn)的斬波嵌套增益可調(diào)儀表放大器，相比傳統(tǒng)嵌套斬波運(yùn)放，不僅運(yùn)放的增益可調(diào)，該電路結(jié)構(gòu)線性度更高，殘余失調(diào)更小。
　　自旋傳感器的輸出信號(hào)微弱

5、，對(duì)低頻噪聲十分敏感，傳統(tǒng)ΣΔADC存在動(dòng)態(tài)記憶，會(huì)引入較大的失調(diào)電壓，不能滿足高精度傳感器的需要。本論文采用增量ΣΔADC，可以克服ΣΔADC的缺點(diǎn)。首先詳盡闡述了增量ΣΔADC基本轉(zhuǎn)換原理，對(duì)一階、二階以及通用高階增量ΣΔADC進(jìn)行了時(shí)域及頻域分析。其次根據(jù)所需增量ΣΔADC的性能指標(biāo)要求，得到調(diào)制器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、量化器位數(shù)，并確定調(diào)制器的參數(shù)。ΣΔADC中各電路部分的非理想因素會(huì)極大影響調(diào)制器的性能，因此對(duì)積分器的有限增益、有限帶寬

6、和擺率、時(shí)鐘抖動(dòng)、采樣噪聲以及開(kāi)關(guān)非線性等進(jìn)行了量化分析，利用Matlab軟件對(duì)這些非理想因素一一建模，為實(shí)際調(diào)制器的性能提供理論參考。
　　增量ΣΔADC的電路級(jí)設(shè)計(jì)采用3階單環(huán)單比特量化結(jié)構(gòu)。為了抑制第一級(jí)積分器的噪聲，采用增益增強(qiáng)折疊共源共柵跨導(dǎo)運(yùn)算放大器得到很高的直流增益和單位增益帶寬積。為了有效減小積分泄漏，在第一級(jí)運(yùn)放中引入了相關(guān)雙采樣技術(shù)，有效的消除了因有限增益引入的動(dòng)態(tài)失調(diào)電壓、直流失調(diào)電壓以及l(fā)/f噪聲等。量化器

7、中的比較器采用改進(jìn)型甲乙類(lèi)鎖存結(jié)構(gòu)，有效隔離了回踢噪聲，提高了比較器的速度。
　　增量ΣΔADC測(cè)試結(jié)果表明：輸出信噪失真比達(dá)到86.8dB，有效位數(shù)為14位， DNL為0.41，INL為0.53，均小于1LSB。芯片采用CSMC0.18μm CMOS工藝，工作總電流為11.92mA，失調(diào)電壓0.072mV。隨后利用本文制備的反?；魻杺鞲衅髟c傳感器接口芯片搭建完整的反?；魻栃?yīng)傳感器系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)磁場(chǎng)信號(hào)的感測(cè)、調(diào)理與數(shù)模轉(zhuǎn)換