垂直霍爾傳感器能夠測量磁場的表面平行分量。因此，與使用水平霍爾板的解決方案相比，它們使得單芯片多軸磁傳感器的概念相對簡單?；魻杺鞲衅黝I(lǐng)域的現(xiàn)代趨勢是將它們集成到用于信號處理的電子電路中。在本論文之前，還沒有完全兼容電子電路共集成技術(shù)的高靈敏度垂直霍爾傳感器。這就是為什么我們在本文中提出了在CMOS工藝中設(shè)計和制造高靈敏度垂直霍爾傳感器所必需的知識。我們首先提出技術(shù)選擇的原則。目前有很多CMOS工藝可供選擇，但為了獲得最佳靈敏度，我們必須選擇“正確的”工藝。不同技術(shù)的性能很容易相差50%。最佳的選擇是CMOS高壓技術(shù)，因為它們提供了具有相對較低摻雜水平和深結(jié)深度的n擴散層。我們提出了一種新的垂直霍爾傳感器布局，它在有源傳感器區(qū)有六個觸點，是已知布局的發(fā)展，只使用四個觸點。額外的接觸提高了靈敏度，大大減少了系統(tǒng)偏移。如果我們重復(fù)使用對不兼容CMOS的技術(shù)來說是最優(yōu)的布局，我們會發(fā)現(xiàn)結(jié)果并不令人滿意。我們必須制定針對所選技術(shù)的最佳設(shè)計參數(shù)。高靈敏度的關(guān)鍵是器件的小型化，達到設(shè)計規(guī)則所規(guī)定的技術(shù)限制，但有時甚至超過了設(shè)計規(guī)則。一些設(shè)計規(guī)則可以被打破，這對所獲得的傳感器設(shè)備有好處。一般來說，最小接觸尺寸和接觸距離以及最小傳感器厚度是可取的。然而，在設(shè)備退化甚至出現(xiàn)故障之前，很難找到絕對最小值。優(yōu)化后的傳感器的電壓相關(guān)靈敏度約為0.04v/（VT），電流相關(guān)靈敏度高達400v/（AT），與現(xiàn)有的CMOS兼容水平霍爾板相當(dāng)。在沒有任何額外的前或后處理步驟的情況下，標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝從未報告過這種靈敏度。然而，霍爾器件的小型化也有負面的方面，例如傳感器偏移、噪聲和輸出非線性的增加。盡管霍爾傳感器與其他磁性傳感器相比有許多優(yōu)點（結(jié)構(gòu)簡單、制造成本低、線性度好、魯棒性強），但其缺點是偏移電壓大，在許多應(yīng)用中往往過大。這就是為什么過去的研究人員在開發(fā)水平霍爾板的偏移量減小方法方面付出了巨大的努力。我們在本論文中指出，原則上，相同的技術(shù)適用于垂直霍爾傳感器，但為了達到最佳效率，必須遵守某些原則/參數(shù)。我們揭示了重要參數(shù)之間的關(guān)系，如布局類型（傳感器觸點的數(shù)量）、單個或耦合傳感器的使用、旋轉(zhuǎn)電流的類型、偏置水平等。在最佳情況下，對于高達2V的偏置電壓，我們可以獲得低于200μT的剩余偏置值用于補償偏移量，但對傳感器輸出信號也有其他有益的影響。如果在足夠高的時鐘頻率下執(zhí)行旋轉(zhuǎn)，則能夠去除大量閃爍噪聲。研究表明，閃爍噪聲的去除效率取決于傳感器的偏置電流。我們發(fā)現(xiàn)了自旋電流法的另一個積極的副作用：消除了平面霍爾效應(yīng)。當(dāng)我們的傳感器的平面霍爾靈敏度在B=2t時最初約為普通霍爾靈敏度的1%時，我們得到的補償技術(shù)值僅為0.02%。在介紹了獨立傳感器的一般特性之后，我們提出了兩個基于已開發(fā)的垂直霍爾傳感器的微系統(tǒng)。首先，我們提出了一種二維磁微系統(tǒng)，該系統(tǒng)非常適合于測量范圍為360°的非接觸式角編碼器的結(jié)構(gòu)，特別是利用旋轉(zhuǎn)電流法獲得的極低的偏移量（400μT），因為偏移量通常是角誤差的主要來源系統(tǒng)。

　　現(xiàn)有的角度測量系統(tǒng)通常需要對傳感器單元進行特殊（偏移）校準(zhǔn)，以達到2.5‰的滿標(biāo)度精度。在-30-100°C的寬溫度范圍內(nèi)，我們直接用我們的系統(tǒng)獲得這樣的精度。通過一個特定的傳感器校準(zhǔn)來補償兩軸的殘余偏移、靈敏度失配和相位失配，我們在相同的溫度范圍內(nèi)獲得約0.5‰FS的精度，這是前所未有的性能用磁感應(yīng)系統(tǒng)報告。因此，微系統(tǒng)是大多數(shù)低成本角度測量應(yīng)用的最佳候選。作為第二個例子，我們提出了第一個全CMOS集成的三維霍爾探針，由一個霍爾板和四個垂直霍爾器件組成。該微系統(tǒng)允許作為通用磁場探頭在0.1 mT到20 T的寬磁場范圍內(nèi)應(yīng)用。該探頭體積小，并且信號處理電路已經(jīng)直接集成到芯片上，因此可以很容易地用于小體積。三維磁強計的精度受到5%FS靈敏度失配的限制。該探針是低成本、精度有限的teslameter應(yīng)用的理想候選者。