自旋电子学是研究电子自旋和电子学相结合的一门学科,由于其丰富的物理内涵已成为近年来凝聚态物理研究的热点领域。基于自旋电子材料制备的自旋传感器具有热稳定性高、抗辐射、高精度、低功耗等优点,广泛应用于国民经济、国防建设、科学技术、医疗卫生等领域。未来的自旋传感器系统正朝着高灵敏度,宽动态范围,低功耗,集成智能化方向发展。自旋电子材料与标准CMOS工艺有良好的兼容性,因此,开发高性能宽量程的自旋传感器,实现高精度自旋传感器接口ASIC电路具有重要的研究意义与实用价值。Co基多层膜较之其他反常霍尔效应材料,具有自旋轨道耦合作用巨大以及磁各向异性便于调控的优点,因而成为下一代自旋传感器的首选材料。本文开发基于反常霍尔效应的Co基宽量程磁场传感器与高温薄膜温度传感器。首先通过磁控溅射制备了Co/Ni、Co/Pt磁性多层膜,其磁性强烈依赖于多层膜中Co层厚度,Ni层厚度、Pt层厚度以及复合层的周期数,通过制备合适厚度、周期数的薄膜来增强样品的反常霍尔效应,提高霍尔电阻回线的线性度以及扩展工作场的动态范围,最终得到适用于中强磁场的宽量程反常霍尔传感器。然后研究了Co/Pt和Co/Ni薄膜的温度特性,制备的样品的磁性具有强烈的温度依赖性,随着温度的升高,垂直各向异性减弱,零场下的反常霍尔电阻值下降,当温度高于薄膜的自旋重取向温度时,薄膜的反常霍尔电阻值变为常数。根据这一特性,可以制备合适薄膜制作线性薄膜温度传感器与特定温度的开关传感器。针对自旋传感器接口特定的应用以及小尺寸、低功耗的需求,本文提出了定制设计的传感器接口ASIC,将信号调理电路与模数转换电路集成在一块芯片中。调理电路采用仪表放大器,其输入阻抗高、共模抑制比高、噪声低、失调漂移低、线性误差低,是传感器信号放大的理想选择。为了提高仪表放大器的输入共模范围,前端放大器采用互补式轨到轨差分运算放大器实现。采用了改进的斩波嵌套增益可调仪表放大器,相比传统嵌套斩波运放,不仅运放的增益可调,该电路结构线性度更高,残余失调更小。自旋传感器的输出信号微弱,对低频噪声十分敏感,传统ΣΔADC存在动态记忆,会引入较大的失调电压,不能满足高精度传感器的需要。本论文采用增量ΣΔADC,可以克服ΣΔADC的缺点。首先详尽阐述了增量ΣΔADC基本转换原理,对一阶、二阶以及通用高阶增量ΣΔADC进行了时域及频域分析。其次根据所需增量ΣΔADC的性能指标要求,得到调制器的拓扑结构、量化器位数,并确定调制器的参数。ΣΔADC中各电路部分的非理想因素会极大影响调制器的性能,因此对积分器的有限增益、有限带宽和摆率、时钟抖动、采样噪声以及开关非线性等进行了量化分析,利用Matlab软件对这些非理想因素一一建模,为实际调制器的性能提供理论参考。增量ΣΔADC的电路级设计采用3阶单环单比特量化结构。为了抑制第一级积分器的噪声,采用增益增强折叠共源共栅跨导运算放大器得到很高的直流增益和单位增益带宽积。为了有效减小积分泄漏,在第一级运放中引入了相关双采样技术,有效的消除了因有限增益引入的动态失调电压、直流失调电压以及l/f噪声等。量化器中的比较器采用改进型甲乙类锁存结构,有效隔离了回踢噪声,提高了比较器的速度。增量ΣΔADC测试结果表明:输出信噪失真比达到86.8dB,有效位数为14位,DNL为0.41,INL为0.53,均小于1LSB。芯片采用CSMC 0.18μm CMOS工艺,工作总电流为11.92mA,失调电压0.072mV。随后利用本文制备的反常霍尔传感器元件与传感器接口芯片搭建完整的反常霍尔效应传感器系统,可以实现磁场信号的感测、调理与数模转换。