一种新型的磁敏传感器和发光限制传感器的设计

一种新型的磁敏传感器和发光限制传感器的设计

远程目标的传感和识别磁敏传感器可以检测外部干扰引起的磁极变化，并对近距离无接触近程目标进行传感器和识别。光敏象限传感器通过对各个象限感光单元中产生的光电信号进行比较,得到目标光源的位置信息,可以实现对远程目标的传感和识别。为此,文中提出了一种新型的兼容磁敏传感器和光敏传感器的CMOS传感器集成电路,该传感器采用了0.6μmCMOS工艺制造,完成了同一芯片上检测磁和光两种物理量的功能,实现了近程磁敏和远程光敏两种功能的位移传感和智能识别原理性研究,可以作为嵌入模块用于集成化芯片系统设计中。1信号和信号采集磁敏/光敏兼容传感器集成电路的主要目标是在同一传感芯片中实现两种不同的物理信号(磁信号和光信号)的传感,这两种传感器具有兼容的信号处理电路。1.1磁敏传感器的传感及噪声校正传感器单元预处理电路的设计中,由于光电信号的转换与磁电信号的转换是采用完全不同的传感单元结构,所以必须设计各自的预处理电路,使之满足信号兼容处理的要求。为了降低磁敏/光敏传感器的噪声影响,在传感器信号电路中设计了专门提取传感器件噪声和电路噪声的工作模式,包括磁敏传感器的噪声校正和磁敏传感工作模式以及光敏传感器的复位和放电工作模式,在传感磁/光信号的同时完成噪声校正功能。磁敏传感器的传感单元为双向扇形MAGFET,包括电流源的开关阵列预处理电路,如图1所示。开关阵列控制磁敏传感器工作在两种工作模式:测量工作模式时只有开关k1和k4闭合,参考工作模式中只有开关k2和k3闭合。磁敏传感器的两种工作模式实现了电路结构上屏蔽外加磁场的同时检测外部磁场信号的功能。两种工作模式的电流信号经过电流源后输出单路磁敏电流Imag。光敏传感器以P+/N-well/P-sub双重结光敏管作为传感单元,采用三管有源预处理电路,如图2所示。三管单元包括复位晶体管reset、源跟随晶体管sf和行选通管rs组成的复位电路和源跟随放大器。RESET信号控制光敏管工作在复位工作模式和放电工作模式,输出的光敏电流信号为Ipixel。这两种信号预处理电路分别实现了磁信号-电流信号的转换和光信号-电流信号的转换,为实现后续的信号兼容处理扫除了障碍。1.2基于二次采样的磁敏/光栅传感单元采样技术相关二次采样电路广泛应用于传感信号的采样保持和噪声校正。实现光敏象限阵列传感器与磁敏扇形MAGFET线阵列传感器集成电路的单芯片兼容设计和制造,在后续的信号处理电路中采用相关二次采样电路和差分放大读出电路的设计。针对磁敏/光敏传感器分别工作在两种工作模式下,设计了能工作在两种工作模式的相关二次采样电路,即采用对称的两路基本的相关二次采样电路对传感信号进行信号采样和噪声校正,如图3所示。磁/光信号经过传感后,分别进行两路CDS采样。光敏/磁敏传感单元的导通与关闭由复位管reset控制。ss和sr分别为两路CDS电路的开关,采用减小泄漏电流的改进型PMOS开关。为了保证两路CDS电路一致性,sr和ss完全一样。开关ss和sr在reset信号为高电平时导通,让采样电容对被复位了的传感单元的等效电容电平进行采样。reset信号结束时,开关ss关断,使采样保持电容上的电位保持,sr继续保持导通,实现光/磁信号的传感。1.3双重功能传感器及控制器为了实现在同一芯片上兼容传感磁信号和光信号的功能,设计了磁敏线阵列和光敏象限阵列兼容的CMOS数模混合传感器集成电路。该双重功能传感器由四部分组成:光敏象限传感器阵列、双向扇形MAGFET磁敏敏传感器线阵列、兼容的相关二次采样电路和输出缓冲放大电路模块以及数字控制模块。该传感器芯片设计实现了磁敏传感线阵列与光敏象限传感阵列的模拟信号预处理电路的融合设计,在同一数字时钟的选通控制下完成磁敏线阵列传感和光敏象限传感两种功能。2基于magfige-d的可扩张性传感器设计CMOS磁敏/光敏兼容传感器采用无锡上华的0.6μm双层金属双层多晶硅N阱CMOS工艺制造,芯片尺寸为2mm×2mm,芯片如图4所示。传感器由四部分组成:A部分是扇形分裂漏磁敏传感器及其信号处理电路,B是数字控制电路,C是测试电路,D是光敏象限传感器及其信号处理电路。扇形分裂漏MAGFET的几何参数为L=48μm,R=10μm,α=90°,d=3μm,μ=1μm,其灵敏度达到0.0361T-1,优于传统的矩形分裂漏MAGFET。在4×4单元的光电象限传感器的设计中,采用了双层阳极光敏微像素单元(P型衬底/N阱/P+掺杂区)的结构,像素单元大小为100μm×100μm,其感光面积百分比(FillFactor)为77.6%。通过测试可以得到,双层阳极光电管P+/N-well/P-sub结构的暗电流很小,达到0.04pA/μm2,具有较高的感光灵敏度,其感光灵敏度为2V/lx·s,其变频二次扫描工作方式下的感光动态范围可以达到139.8dB,满足大动态范围传感的要求。3测试结果和分析3.1传感器的工作特性测试磁敏/光敏传感器采用兼容的双路相关二次采样电路进行传感信号的采样和保持。通过对测试模块C的测试,可以检验双向二次采样保持电路的功能,测试结果如图5所示,测试的工作频率为20kHz。光敏传感器复位电平5V,光照度为1450lux;磁敏传感器复位电平4V,外加磁场为0.33T。由图可以得到,在光敏传感器的复位和放电工作状态下,分别对暗电流和光电流进行传感;在磁敏传感器的测量和参考工作模式下,分别对磁场信号和噪声信号进行采样保持。磁敏/光敏兼容双路CDS电路的功能得到验证。3.2采样电容冲放电曲线设计中的4×1扇形磁敏线阵列传感器集成电路的输出采用并行输出的工作方式,其测试的示意图如图6所示,每一路磁敏传感器工作在两种工作模式下。两种工作模式的输出信号经过差分运算放大器的并行输出信号如图7所示。由图7可以得到在施加不同的测试垂直磁场时,采样电容的冲放电曲线。以采样电容的电平变化率ΔV/μs表征磁敏传感器的另面读,可以得到,在系统工作频率50kHz下,磁敏传感器的相对灵敏度达到87.3mV/T·μs。3.3光栅限制阵列传感器的测试与分析由于光敏象限传感器阵列的面积较小,只有0.4mm×0.4mm,并且没有微透镜阵列进行聚焦,所以获得能投影在这么小的面积阵列上的点光源是非常困难的。为了在0.4×0.4mm的传感阵列面积上产生照度差,分别在亮光和弱光条件下进行测试。光敏象限阵列传感器集成电路测试示意图如图8所示。4×4阵列光敏象限传感器以P+/N-well/P-sub双重结光电管作为光电转换器件,三管有源结构的信号预处理电路输出的光电流信号,经过两路相关二次采样电路采样保持,最后通过运算放大器消除光敏象限阵列传感器的噪声。光敏象限阵列传感器亮光测试如图9所示,光电管采样频率是2kHz,入射光照度为1500lx。由图可得,当入射光的照度较高(1500lx)时,光敏象限阵列中所有P+/N-well/P-sub双重结光电管处于饱和区。图10所示光敏象限阵列传感器的弱光测试图。单个光电管的采样频率是2kHz,入射光的照度为200lx。由图可得,此时阵列中所有P+/N-well/P-sub双重结光电管都处于线性工作区。4