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  • 由华灿电子承担的省科技计划项目于本月完成验收

    作者: 华灿电子
    发布于: 2021-06-19 17:14

     

    描述:由四川华灿电子作为项目承担单位,由中国科学院微电子研究所作为合作单位的四川省2019年重点科技计划项目:新型双磁极霍尔集成电路关键设计技术研究于本月参加结题答辩,完成项目验收。

    项目名称:新型双磁极霍尔集成电路关键设计技术研究

    立项经费:40

    财政局拨款:20

    完成情况:取得专利3项,发表国际学术论文2篇。通过了专家组的结题答辩,完成验收。

    本项目研究基于双磁级响应霍尔器件产品开发需求,研究分析双磁级霍尔器件结构、工作机理,内部响应的物理特性变化,解决分析霍尔传感器产品设计开发的共性问题,进而揭示器件结构设计差异,理解研究磁响应效应、电路拓扑运算特性带来的功能差异,为产品设计给出指导性的设计原则。研究基于电磁物理场基础理论和机理分析,采用三维模拟和仿真技术、数模混合电路仿真技术,分别对霍尔片结构进行建模、实现器件结构的精准设计仿真拟合,掌握高精度霍尔片电压响应设计关键技术,高性能霍尔传感器电路关键技术难点,包括研究双稳态触发电路,稳压源,内部结电容,器件结构特性等多个方面。

    通过本项目研究工作的技术积累,有助于促进国产高端霍尔传感器集成电路的自主开发及创新能力,打破集成电路领域传感器电路核心关键技术长期国外技术垄断,依赖进口的不利局面,为实现国产化产品的技术突破,逐步替代国外同系列产品,奠定坚实的技术基础积累,并带来良好经济回报和社会效益。

    1)主要研究内容

    项目开展过程中,围绕产品开发所需开展研究内容包括:

    a.霍尔传感器内置霍尔片结构三维仿真建模及内部载流子分布提取研究。

    基于磁场响应触发的霍尔传感器电路,内部集成匹配工艺规范及芯片尺寸结构的霍尔片(盘),由于的磁特性响应是设计关键,设计要求能够实现稳定且响应幅度高的霍尔电压,同时尽可能缩小芯片尺寸,因此必须折中设计,选择考虑实际工艺匹配的霍尔片厚度及掺杂浓度,保证足够响应特性。

    研究结合实际工艺参数条件,参考实际器件尺寸,完成了3D 模拟仿真,分别对霍尔盘结构尺寸、厚度及掺杂浓度进行模拟优化,研究设计了AB两种霍尔片设计方案,并与样品掺杂浓度提取参数进行拟合,并通过比对分析,理解响应机理,理论上掌握了响应载流子调控机制,实现霍尔电压响应特性的调制与优化设计目标,从而掌握多工艺平台霍尔盘结构设计关键技术方法。

    b.霍尔电路稳压源关键电路结构化技术

    完成了对稳压源电路的分析优化,理论研究表明,实际的霍尔器件制造过程中,由于工艺线制造杂质引入的粒子电荷感应效应、器件封装压电效应及环境温度变化影响,会导致内核稳压源失调,导致器件无法正常工作。因此,研究开展必要的霍尔失调稳压源优化技术,避免稳压失调电压带来的影响。细致研究分析失调机理,采用有效的电路结构变换实现稳压源随温度较小的温漂, 最大程度抑制产生的失调电压,实现正常工作响应。掌握抑制失调电压的电路优化关键设计技术,实现器件性能的优化。

    c.新型双磁极响应电路设计技术

    基于双磁极感应型霍尔传感器芯片设计需求,通过电路拓扑构建调整,设计双稳态补偿电路,实现双磁极响应设计结构,掌握了性能参数调制和应用灵活性的双磁极感应霍尔集成电路传感器响应技术。研究能够实现基于应用需要不同的南北磁极响应功能的产品设计。为后续研究提供技术积累。

    d.霍尔传感器电路电容结构及电压抖动优化技术。

    芯片在较高的温度环境下工作,由于半导体材料本身的迁移率随温度的变化,会进一步影响导致霍尔电压漂移,器件模拟组件的工作点改变,造成输出信号的漂移及误判,影响电子系统正常工作。研究通过对电路结构做全面评估分析,对影响电压抖动的关键结电容及工作点进行调制优化,抑制工作点随温度变化的失调,模拟仿真及测试分析结果验证了对电压抖动的优化技术,实现了器件的稳压源优化调整。

    e.霍尔传感器磁场分析测试技术。

    研制开发过程为了有效分析产品功能特性,需要对变换磁场信号开展分析测试,才能准确掌握器件特性。项目过程中研制搭建了磁场分析测试平台。通过理论调研、确定磁材料选型、结合实际验证实验,设计适于项目研究的霍尔传感器测试分析系统,实现对项目典型产品及系列型号产品的验证分析要求。

     

    2)技术关键

    本项目研究霍尔传感器电路研究基于应用需求开发,研究解决双磁级感应霍尔传感器的核心芯片设计关键技术问题。主要完成了霍尔片三维仿真建模分析,电路关键拓扑结构分析设计,包括稳压源、电容稳定器件、双稳态触发器电路等多个核心技术关键问题,研究积累的相关技术基础,能够为霍尔传感器电路器件关键问题技术解决提供实用策略。

     

    3)技术路线

    本项目研究借鉴中国科学院微电子所多年来的霍尔传感器开发经验及技术,针对目标产品电路功能结构要求,对器件整体参数进行调控设计,依循的技术路线成熟可控,微电子研究所前期研究相关产品技术经验已经成功应用多款霍尔传感器的设计开发、并由四川华灿电子公司协助完成分析测试及封装生产,装机实验,相关技术路线积累能够有助于霍尔传感器芯片设计核心技术突破,并完成产品研制预期目标,主要遵循技术路线有:

    a.霍尔盘结构的模拟仿真设计及分析技术。

    基于前期对多款产品的研究,掌握了模拟仿真方式实现霍尔盘结构构建及参数调整方法,能够结合不同工艺平台制造要求,开展霍尔盘结构的载流子响应调控技术,准确细致评估磁场偏置对移动载流子影响机理及过程,利用模拟仿真输出与测试分析结果拟合,对霍尔盘结构参数的进行综合调整,研究通过与实测结果载流子参数提取对比,实现了预期设计目标。

    b.基于双极工艺的霍尔传感器电路开发技术。

    借鉴基于双极工艺霍尔传感器开发经验,研究完成了包括对稳压源模块,触发器响应模块,电容稳定模块等模拟电路工作点设置的理论基础研究,使用模拟分析软件,对开发典型产品的电路结构开展细致分析,实现合适的电路匹配工作点设置,从而实现预期的电路功能。

    c.霍尔传感器静态磁场测试分析技术。

    借鉴已开发系列产品的测试分析技术,完成圆片、晶圆级、封装成品的测试分析验证,基于目前具备的丰富测试分析能力,开发配套测试装置,实现对项目产品双磁极磁场的测试应用需求。

    4)创新性

    本项目围绕新型高性能霍尔传感器关键设计技术开展研究。产品研制基于理论机理分析,采用三维仿真手段研究霍尔盘参数调制关键技术,实现了高精度霍尔盘电压信号响应的设计技术创新;同时产品基于应用需求,解决产品设计共性关键技术问题,包括霍尔片载流子调控设计技术,稳压源信号温漂调制技术,结电容电压稳定控制,双稳态触发器设计等多个核心技术,开发新型南北双磁极双响应霍尔传感器,这种新型产品打破了传统的传感器单极磁场(S 极)响应限制,是基于市场应用需求的创新研究。该方面的必要研究工作积累是实现国产霍尔传感器产品技术自主创新的迫切需要。

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