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、自旋電子學是研究電子自旋和電子學相結合的一門學科，由于其豐富的物理內涵已成為近年來凝聚態(tài)物理研究的熱點領域。基于自旋電子材料制備的自旋傳感器具有熱穩(wěn)定性高、抗輻射、高精度、低功耗等優(yōu)點，廣泛應用于國民經(jīng)濟、國防建設、科學技術、醫(yī)療衛(wèi)生等領域。未來的自旋傳感器系統(tǒng)正朝著高靈敏度，寬動態(tài)范圍，低功耗，集成智能化方向發(fā)展。自旋電子材料與標準CMOS工藝有良好的兼容性，因此，開發(fā)高性能寬量程的自旋傳感器，實現(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用價值。
　　Co基多層膜較之其他反?；魻栃牧希哂凶孕壍礼詈献饔镁薮笠约按鸥飨虍愋员阌谡{控的優(yōu)點，因而成為下一代自旋傳感器的首選材料。本文開發(fā)基于反?；魻栃腃o基寬量程磁場傳感器與高溫薄膜溫度傳感器。
　　首先通過磁控濺射制備了Co/Ni、Co/Pt磁性多層膜，其磁性強烈依賴于多層膜中Co層厚度，Ni層厚度、Pt層厚度以及復合層的周期數(shù)，通過制備合適厚度、周期數(shù)的薄膜來增強樣品的反?；魻栃?，提

3、高霍爾電阻回線的線性度以及擴展工作場的動態(tài)范圍，最終得到適用于中強磁場的寬量程反常霍爾傳感器。然后研究了Co/Pt和Co/Ni薄膜的溫度特性，制備的樣品的磁性具有強烈的溫度依賴性，隨著溫度的升高，垂直各向異性減弱，零場下的反?；魻栯娮柚迪陆?，當溫度高于薄膜的自旋重取向溫度時，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關傳感器。
　　針對自旋傳感器接口特定的應用以及小尺寸、低功耗

4、的需求，本文提出了定制設計的傳感器接口ASIC，將信號調理電路與模數(shù)轉換電路集成在一塊芯片中。調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、失調漂移低、線性誤差低，是傳感器信號放大的理想選擇。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式軌到軌差分運算放大器實現(xiàn)。采用了改進的斬波嵌套增益可調儀表放大器，相比傳統(tǒng)嵌套斬波運放，不僅運放的增益可調，該電路結構線性度更高，殘余失調更小。
　　自旋傳感器的輸出信號微弱

5、，對低頻噪聲十分敏感，傳統(tǒng)ΣΔADC存在動態(tài)記憶，會引入較大的失調電壓，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。首先詳盡闡述了增量ΣΔADC基本轉換原理，對一階、二階以及通用高階增量ΣΔADC進行了時域及頻域分析。其次根據(jù)所需增量ΣΔADC的性能指標要求，得到調制器的拓撲結構、量化器位數(shù)，并確定調制器的參數(shù)。ΣΔADC中各電路部分的非理想因素會極大影響調制器的性能，因此對積分器的有限增益、有限帶寬

6、和擺率、時鐘抖動、采樣噪聲以及開關非線性等進行了量化分析，利用Matlab軟件對這些非理想因素一一建模，為實際調制器的性能提供理論參考。
　　增量ΣΔADC的電路級設計采用3階單環(huán)單比特量化結構。為了抑制第一級積分器的噪聲，采用增益增強折疊共源共柵跨導運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，在第一級運放中引入了相關雙采樣技術，有效的消除了因有限增益引入的動態(tài)失調電壓、直流失調電壓以及l(fā)/f噪聲等。量化器

7、中的比較器采用改進型甲乙類鎖存結構，有效隔離了回踢噪聲，提高了比較器的速度。
　　增量ΣΔADC測試結果表明：輸出信噪失真比達到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常霍爾效應傳感器系統(tǒng)，可以實現(xiàn)磁場信號的感測、調理與數(shù)模轉換