三维磁传感器模型构建与集成化研究

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本文基于霍尔效应和立体结构硅磁敏三极管工作原理,构建三维磁传感器单片集成化结构模型。该集成化结构由四个立体结构硅磁敏三极管和一个霍尔磁传感器构成,包括四个发射极、四个基极、四个集电极、两个霍尔电压输出端和两个控制电流极。理论分析表明,沿x轴和y轴相反磁敏感方向放置的四个硅磁敏三极管构成两对差分结构,分别实现二维平面内x轴和y轴方向磁场测量,芯片中心位置霍尔磁传感器实现z轴方向磁场测量,该结构能够检测空间三维磁场。根据单片集成化结构模型,采用ATLAS构建三维磁传感器仿真结构模型,研究结构参数等对磁传感器特性影响。仿真结果给出,该结构可完成空间磁场测量并实现设计优化。在此基础上,通过L-Edit软件设计单片集成化芯片版图,基于MEMS技术在P型<100>晶向高阻单晶硅衬底上制作单片集成化三维磁传感器芯片,芯片尺寸2.3×2.3 mm2,通过集成电路内引线压焊技术实现芯片封装。在室温条件下,采用CH-Hall磁场校准系统对封装后的三维磁传感器进行静态特性测试,分别研究x轴、y轴和z轴方向磁传感器特性。当外加工作电压为6.0V,基极注入电流为8.0 mA时,x方向差分结构硅磁敏三极管磁灵敏度为231 mV/T,y方向差分结构硅磁敏三极管磁灵敏度为223 mV/T;当工作电压为5.0 V时,z方向霍尔磁传感器磁灵敏度为74 mV/T。在此基础上,实验研究单片集成三维磁传感器在恒定磁场中分别沿x轴、y轴和z轴等方向旋转时的磁特性。研究结果表明,单片集成三维磁传感器沿x方向和y方向四个立体结构硅磁敏三极管磁灵敏度较高且具有较好一致性,该集成化芯片实现空间三维磁场测量。
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