CMOS集成的霍尔传感器具有低成本、低功耗、高集成度、高可靠性等特点,目前已广泛应用于汽车电子、消费电子、医疗电子以及工业控制等领域。由于在深亚微米标准CMOS工艺下制作的CMOS霍尔器件存在N阱有源区杂质浓度升高的现象,使得霍尔器件的磁场灵敏度急剧下降。同时CMOS工艺中掩膜版对准误差、有源区杂质分布不均匀以及封装应力等不利因素导致了CMOS霍尔器件具有较为严重的失调。在0.18μm标准CMOS工艺下,霍尔器件极低的磁场灵敏度和严重的失调使得霍尔传感器无法实现对磁场的精准探测。因此,本文基于0.18μm标准CMOS工艺,在霍尔器件的结构参数优化以及失调消除处理方面进行了深入的研究,主要的研究内容及成果如下:(1)对电流模式下CMOS霍尔器件的结构参数进行优化,得到了具有最优性能的十字形霍尔器件结构参数。本文基于0.18μm标准CMOS工艺建立了一种工作在电流模式下的十字形霍尔器件的解析几何模型,借助该模型分析了不同L/W的值对十字形霍尔器件电流灵敏度及SNR的影响。并使用Silivaco TCAD器件仿真软件对不同L/W的十字形霍尔器件进行三维建模仿真。最后,基于SMIC 0.18μm标准CMOS工艺对不同L/W的十字形霍尔器件进行了流片验证。器件的仿真结果和测试结果验证了以上解析几何模型的准确性和可靠性并表明,十字形霍尔器件L/W的值在0.4-0.5之间时可同时获得最佳电流模式灵敏度和SNR。以上解析几何模型的建立为电流模式的十字形霍尔器件提供了理论基础,为进一步优化其结构提供了指导。(2)研究了一种新型四相旋转电流动态失调消除技术,在放大霍尔信号的同时有效地消除了霍尔器件的失调和1/f噪声。本文基于十字形霍尔器件四相失调的特性,提出了一种新型四相旋转电流动态失调消除技术。该技术包含旋转电流电路和电流积分电路两部分,其中旋转电流电路将霍尔器件的工作频率调制到高频并控制了霍尔器件输出霍尔信号和失调信号的极性,而电流积分电路则对旋转电流电路输出的信号进行电流-电压的转换。采用Cadence仿真软件对0.18μm标准CMOS工艺下的四相旋转电流动态失调消除电路进行了仿真,仿真结果表明该失调消除技术有效地消除了霍尔器件的1/f噪声和失调信号,并将霍尔信号放大至38 m V。这一研究结果避免了因器件失调而导致的霍尔器件失效的问题,并在一定程度上降低了霍尔器件的失调对其探测磁场精度的影响。(3)设计并实现了具有极低残余失调和高线性度的全集成CMOS霍尔传感器。为消除霍尔器件以及四相旋转电流动态失调消除电路的残余失调,本文提出了一种电流模式的霍尔信号调理电路。该电路在四相旋转电流动态失调消除电路的基础上,对霍尔器件进行了二次失调消除处理,极大程度上降低了霍尔器件及霍尔信号放大电路的残余失调,提高了霍尔传感器对磁场的探测精度。最后,采用SMIC 0.18μm标准CMOS工艺对所设计的霍尔传感器进行了流片验证。测试结果表明在3.3 V的电源电压下,霍尔传感器的静态功耗为15.4 m W,在-200 m T-200 m T的磁场范围线性度达99.9%以上,磁场分辨率低至2m T,残余失调小于72μT。