集成霍爾傳感器的研究與應用

集成霍爾傳感器的研究與應用

1從過程到發(fā)展階段在過去100年中，霍爾效應的應用經(jīng)歷了三個階段。第一階段是從霍爾效應的發(fā)現(xiàn)到20世紀40年代前期。最初,由于金屬材料中的電子濃度很大,而霍爾效應十分微弱,所以沒有引起人們的重視。這段時期也有人利用霍爾效應制成磁場傳感器,但實用價值不大,到了1910年有人用金屬鉍制成霍爾元件,作為磁場傳感器。但是,由于當時未找到更合適的材料,研究處于停頓狀態(tài)。第二階段是從20世紀40年代中期半導體技術出現(xiàn)之后,隨著半導體材料、制造工藝和技術的應用,出現(xiàn)了各種半導體霍爾元件,特別是鍺的采用推動了霍爾元件的發(fā)展,相繼出現(xiàn)了采用分立霍爾元件制造的各種磁場傳感器、磁羅盤、磁頭、電流傳感器、非接觸開關、接近開關、位置、角度、速度、加速度傳感器、壓力變送器、無刷直流電機以及各種函數(shù)發(fā)生器、運算器等,應用十分廣泛。第三階段是自20世紀60年代開始,隨著集成電路技術的發(fā)展,出現(xiàn)了將霍爾半導體元件和相關的信號調(diào)節(jié)電路集成在一起的霍爾傳感器。進入20世紀80年代,隨著大規(guī)模超大規(guī)模集成電路和微機械加工技術的進展,霍爾元件從平面向三維方向發(fā)展,出現(xiàn)了三端口或四端口固態(tài)霍爾傳感器,實現(xiàn)了產(chǎn)品的系列化、加工的批量化、體積的微型化。此外,20世紀70年代末,美國科學家發(fā)現(xiàn)了量子霍爾效應并因此獲得了1985年的諾貝爾物理學獎。最近,韓國科學家報告了等離子霍爾傳感器。2各種集成霍爾的組件2.1磁場不太強的情況如圖1所示,如果將一塊載流導電板放入垂直于它的磁場中,當有電流通過導電板時,將在它的上、下兩側(cè)產(chǎn)生一個電位差。實驗發(fā)現(xiàn),在磁場不太強的情況下,該電位差VH與電流強渡I和磁感應B成正比,與導電板的厚度d成反比,即VH=k(I?B/d)VΗ=k(Ι?B/d)式中:VH為霍爾電勢或電壓;k為霍爾(靈敏度)系數(shù),V/AT?；魻栯妱菪纬傻臋C理是,帶電粒子在磁場中運動時,將受到洛倫茲力的作用,使帶電粒子發(fā)生偏轉(zhuǎn),產(chǎn)生一個垂直于其運動方向的電動勢,即霍爾電勢。2.2雙極體制板vh圖2是采用標準雙極(bipolar)工藝制成的霍爾元件,由于電流在外延層內(nèi)平行于芯片表面流動,因此又稱為平行霍爾元件。它在p型硅芯片上分別外延生長出平行于芯片表面的2個n型電流電極和霍爾電極,芯片垂直于磁場B。當外延層內(nèi)的主電流通過芯片表面時,它的靈敏度與垂直于它的磁場相關。同時,外延層的雜質(zhì)濃度與厚度相關。這種霍爾元件的特點是靈敏度較高,一般為300V/AT且與雙極集成電路兼容,因此廣泛用于霍爾集成電路中。采用雙極工藝還可以制成垂直霍爾(VH)元件,但其產(chǎn)生霍爾電壓的電流路徑長度受到約10μm厚外延層的限制,服從“短”霍爾元件規(guī)律,即幾何效應不能忽略,因此該霍爾元件的靈敏度較低,它與元件的長度l(外延層厚度)成正比,與電流路徑b成反比。為了提高靈敏度而減少電流路徑,又研制了擴散型(DVH)和溝道型(TVH)兩種垂直霍爾元件。圖3的DVH元件具有扁電流路徑,受n型硅外延膜中p+擴散層的限制,靈敏度為47V/AT,與CMOS元件比較,VH較低。圖4的TVH元件靈敏度較高,為縮短電流路徑它的溝道圍繞著電流路徑定位。2.3薄mos溝道圖5是采用MOS工藝制成的另一種垂直霍爾元件,它的薄MOS溝道作為霍爾元件的激勵區(qū),雖然該溝道內(nèi)的霍爾遷移率比體型霍爾元件低,但因元件厚度在0.1nm以內(nèi),因此可獲得1000V/AT的靈敏度。2.4融mertd到n型硅芯片的表面修飾圖6是采用CMOS工藝制成的體型(bulk)垂直霍爾元件,它將霍爾元件熔融(merged)到n型硅芯片表面,包括在p型隔離環(huán)、2個n型電流電極和2個n型霍爾電壓電極,磁場B垂直于芯片表面。這種傳感器服從“長”霍爾元件規(guī)律,幾何效應可忽略,電流從芯片表面流入芯片內(nèi)部,靈敏度可達450V/AT。2.5不穩(wěn)定區(qū)域的特征提取在上述TVH元件的基礎上,增加離子反應刻蝕(RIE)工藝,制成了結(jié)型場效應管垂直霍爾元件,它的結(jié)構(gòu)如圖7所示。該霍爾元件的靈敏度與溝道電流相關,取決于溝道的寬度。實驗發(fā)現(xiàn),該霍爾元件的絕對靈敏度(V/T)在閾值電流下保持恒定,當電流達到閾值時,切斷p+擴散與-n+阻擋層結(jié),超過閾值的剩余電流通過p+擴散區(qū),流出n溝道,這種霍爾元件靈敏度可達1243V/AT。2.6雙板式小n+電極傳感傳感元件圖8a是Z.RandjeLovic等人研制的一種非平板型霍爾元件的結(jié)構(gòu),它的n型激勵區(qū),仍然被p型環(huán)圍繞著,但它的底邊與平板型結(jié)構(gòu)不同是打開的,工作電流加在2塊大n+型電極之間,霍爾電壓產(chǎn)生于2塊小n+電極之間。該元件的主要特點是:霍爾板的偏置激勵電流進入芯片體內(nèi)使激勵區(qū)受p型環(huán)橫向而不是垂直方向限制。因此,激勵區(qū)的厚度與電流的深度(即激勵區(qū)的有效厚度deff相關,所以它的靈敏度優(yōu)于330V/AT。該霍爾元件與VH元件兼容,因此可將兩個元件集成在一起制成三維傳感器。圖8b是非平板霍爾傳感器的示意圖,p型環(huán)電極的長度與deff及傳感器的尺寸有關。3電流恒壓時磁場方向?qū)﹄妱莸挠绊懜鶕?jù)霍爾效應的基本公式,霍爾電勢正比于電流和磁感應強度。當電流恒定時,霍爾電勢正比于磁感應強度;如果改變磁場方向,霍爾電勢的符號也隨之改變。利用這些特性可以制成多種測量磁場大小或方向的傳感器,以及由此派生的角度、位置、位移等傳感器。3.1維磁場傳感器VH傳感器是最常見的磁場傳感器,它的特點是將電極形成在芯片表面,對平行于芯片表面的磁場敏感,從不同的方向測量該磁場就形成了不同坐標的傳感器。圖9是一維傳感器,中心為輸入電流電極I,兩側(cè)為2個I/2的輸出電流電極,其余2個為電勢電極。將2個一維傳感器放在一起就構(gòu)成了圖10所示的二維傳感器,通過芯片中心的輸入電流電極為2I,4個輸出電流電極I/2連接在一起。芯片的每一個分支上的敏感接點之間的電位差正比于x,y方向上的磁場分量。采用這種傳感器可以測量x-y平面上磁場的大小與方向。圖11的三維磁場傳感器實際上是由1個二維傳感器和4塊放在它的四角的霍爾板組成,以測量磁場的3個分量。這4塊霍爾板對稱放置、敏感接點并連,以此保證在元件的幾何中心測量該磁場的x,y及z三個分量。3.2維矢量傳感器圖12是采用TLC(tranlinearcircuit)工藝制成的模擬集成霍爾指南針,它由2個VH元件和信號轉(zhuǎn)換處理電路組成。為使TLC輸出的電流電平與霍爾元件相連,采用了簡單的電流鏡像差動放大器。整個傳感器包括2個霍爾元件、190個晶體管和40個電阻。它們起調(diào)整TLC的工作點、V/I的增益、霍爾元件的失調(diào)電壓和靈敏度等作用。傳感器的體積為20mm×118mm×10mm,在B=0.1T,θ=0°~360°,電壓為7~15V的條件下,磁場的方向誤差僅為±2%。圖13a是最近由Ch.Roumenin等人研制的一種三維矢量傳感器的俯視圖,它的加工完全采用IC工藝。這種傳感器包括C1,C2和C3三個電流歐姆接點?；魻柖俗親1,H6和H2,H5分別正交耦合,隨著信號Bz增加,將抵消輸出通道內(nèi)Bx與By的影響。該傳感器的工作原理如圖13b所示,大小相等與的電流Ic1,2和Ic1,3從接點C2和C3流入C1,它們始、終于芯片的上表面。因此,產(chǎn)生的霍爾效應與Bx,By和Bz方向上的洛侖茲偏轉(zhuǎn)相關;由Vx,Vz產(chǎn)生一個載流子速度v。測量H1和H6以及H2和H5之間的電流,便可獲得Bz;測量H3和H4之間的電流,便可獲得Bx。測量C1-C2-C3之間的線性電流ΔIc1,3,可獲得By。該傳感器的體積為250μm×220μm×100μm,在T=300K時,功耗P≤30mW。3.3旋轉(zhuǎn)角度傳感器采用圖11的VH傳感器可以測量360°旋轉(zhuǎn)軸的角度位置。它的測量原理如圖14所示,霍爾傳感器芯片平行放在橢圓型永磁鐵下面,旋轉(zhuǎn)軸固定在磁鐵的中心。當轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)時霍爾傳感器將產(chǎn)生正比于轉(zhuǎn)軸角位移的正弦和余弦兩個信號,經(jīng)簡單的信號處理即可直接獲得得位置信號。圖15是該傳感器的電路框圖,它包括溫度、結(jié)場效應管和失調(diào)電壓等3個補償單元電路。這種全集成角度-位置傳感器繞z軸旋轉(zhuǎn)一周,示值誤差為±0.3°,x與y軸的傾斜測量示值誤差為±1.2°。M.Paranjape等人曾采用CMOS工藝制成三維VH傳感器。3.4密度矢量的測量C.Schott等人采用標準2μm工藝,將8個子傳感器集成在圖16所示的一塊單晶硅芯片上。該芯片可分為三部分,分別用來測量磁通密度矢量的三個方向Bx,By及Bz。平行于傳感器表面的x與y方向,分別由一對相對放置的霍爾元件測量;z方向分量由位于該芯心片四角上的霍爾元件測量。每一組傳感器相互并連,產(chǎn)生一個綜合的輸出信號,它代表該傳感器中心的一個線性內(nèi)插值。該傳感器的尺寸為2mm×2mm×0.2mm,測量誤差優(yōu)于0.1%。將它嵌入磁強計中,其誤差優(yōu)于0.05%,磁場可測量至2T。3.5圓形磁場傳感器圖17是H.Blanchard等報告的一種高靈敏度霍爾傳感器,為了增加傳感器的靈敏度,在霍爾板上集成了一對磁通計。這種霍爾傳感器的激勵區(qū)呈圓柱形,適于測量2個磁通計之間的圓形磁場。它采用光刻和化學蝕刻工藝將鐵磁金屬形成在基片上作為磁通計。實際加工時是將數(shù)千個霍爾傳感器集成在一塊芯片上,然后切割成單獨的霍爾探頭。最近,V.Schlageter等人報告了一種帶有5個自由度的磁場探測系統(tǒng),該系統(tǒng)由4×4陣列16個圓柱型霍爾傳感器、永磁鐵、傳感器前置放大器、信號采集處理電路和計算機等部分組成,可以實時監(jiān)測目標的位置和方向,并顯示在屏幕上,采樣頻率為50Hz。3.6鐵芯輸出電壓隨失調(diào)電壓和噪聲圖18a、圖18b是R.S.Popovic等報告的一種斬波器型傳感器,激勵線圈纏繞在環(huán)型永磁鐵芯上。它的工作原理是,當鐵芯處于非磁飽和狀態(tài)時屏蔽作用產(chǎn)生的磁場使霍爾傳感器旁路(Hint=0),其輸出電壓僅取決于失調(diào)電壓和噪聲。當鐵芯處于磁飽和狀態(tài)時,因?qū)Т怕氏陆刀テ帘文芰?霍爾傳感器將采集到一個磁場(Hint=Hext),它的輸出電壓取決于失調(diào)電壓、噪聲和對Hext的響應。在頻率為f0的激勵電流I的一個周期內(nèi),鐵芯將飽和兩次,因此霍爾傳感器輸出電壓的頻率為2f0。顯然,它的誤差降低了。環(huán)形非晶鐵芯型霍爾傳感器將信噪比和檢測率提高了40倍。3.7傳感器的基本原理最近,F.LeBihan等人研制了一種可測量大位移量的多晶硅薄膜場效應(TFT)霍爾傳感器,其結(jié)構(gòu)見圖19a和圖19b,它包括2個對稱放置的TFT霍爾探頭和2個源極、漏極。該傳感器系采用LPCVD工藝,形成非摻雜和輕摻雜兩種多晶硅薄膜作為激勵區(qū);采用重摻雜多晶硅工藝,形成源極和漏極;采用APCVD工藝形成隔離門。為了減少電極間的相互干擾,它的激勵區(qū)較大為200μm×200μm?；魻栯姌O放在寬15μm的溝道中間。該傳感器的主要特點是,它的靈敏度和功耗與薄膜場效應管的門和漏極電壓相關,靈敏度為200mV/T,功耗小于2mW。將霍爾發(fā)生器形成在大面積玻璃芯片上,可用于大量程位置傳感器。圖20是一種大位移傳感器的實例。它的檢測原理是,當霍爾元件隨被測物體運動時,依次通過每個小磁鋼,產(chǎn)生相應的電壓脈沖信號,利用記錄儀可將脈沖數(shù)轉(zhuǎn)換為被測位移。也可將霍爾傳感器固定,磁鋼隨被測對象移動;如果將多個磁鋼等間距沿圓周排列,還可以測量轉(zhuǎn)速或角位移。FlorinRusu等人在研究Ni—SiO2納米晶薄膜的特性時,發(fā)現(xiàn)該薄膜的電阻率和霍爾效應隨Ni的濃度變化,在其接近滲透閾值時,變化顯著,因此特別適用于磁電原理的薄膜傳感器。3.8傳感器的失調(diào)電壓為了減少霍爾元件的失調(diào)電壓,1990年有人提出采用自旋電流(spinning-current)方法。圖21是S.Bellekom報告的一種自旋電流霍爾傳感器的原理圖,芯片上對稱放置8個相差45°的偏置電流電極,由一個開關控制,電流電極每變化45°就輸出一個與該電流方向垂直的電壓。霍爾效應本身與偏置電流的方向無關,因此采用平均被測電壓的方法可將霍爾電壓與呈正弦曲線的周期性失調(diào)分量分開,失調(diào)電壓減至幾微特斯拉。圖22是S.Bellekom分別用雙極和CMOS工藝制成的2種霍爾板。CMOS霍爾板由環(huán)型的p-n結(jié)圍繞著,采用注入和擴散工藝形成n型阱;雙極霍爾板的摻雜輪廓在p型芯片與n型外延層之間是一個陡變的臺階,生長在芯片的頂部。H.Blanchard等采用另一種方法補償傳感器的失調(diào)電壓。圖23是S.R.in’tHout等人利用“泡利排他定律”制成的耐高溫磁場傳感器,它的主要特點是,大規(guī)模減少傳感器激勵區(qū)內(nèi)的熱致載流子的濃度;采用無外延層的體型硅結(jié)構(gòu),由于沒有p-n結(jié),因此消除了結(jié)泄漏電流;它采用n+-n結(jié)或p+-p結(jié)的結(jié)構(gòu),將傳感器的溫度范圍提高至400℃,霍爾靈敏度提高了5倍,在室溫下可達到60V/AT。3.9剪切應力傳感器圖24是一種霍爾法向應力傳感器,它由外殼、雙頭螺栓、傳感器、2個磁鐵、中心膜片和剛性環(huán)等部分組成。為了減少非線性和遲滯,該膜片和環(huán)加工成一個整體。圖25是一種霍爾效應邊界剪切應力傳感器,它由支撐塊及其兩對磁鐵,磁鐵上的傳感器,上、下支持塊和兩側(cè)的蓋等部分組成。被測剪切應力沿上支撐塊方向。它的測量原理是檢測受力的兩個懸臂梁的彎曲和位移程度。該線性輸出式霍爾傳感器被粘到一個小鋼條上,然后再粘到一塊支撐板上。另一對磁鐵連接到極性相反的支承板上。圖26是一種由2個霍爾元件和4塊磁鐵構(gòu)成的1個壓力或測力傳感器。在這種結(jié)構(gòu)中,每個霍爾元件均在一對磁鐵間從一極運動到另一極。每個霍爾元件產(chǎn)生的位移S與輸出電壓呈線性關系。將磁鐵與霍爾元件之間的距離減至0.1mm,傳感器的靈敏度達15mV/μm。3.10磁氣平衡式傳感器典型的霍爾電流傳感器有磁氣比例式和磁氣平衡式兩種,圖27是磁氣比例式傳感器的原理圖。當被測電流通過置于傳感器開口處的導體時,導體的周圍會產(chǎn)生與電流成比例的磁場。當磁場聚集成磁芯通過置于磁路開口處的霍爾元件時,霍爾元件的輸出電壓與磁場成正比。圖28是磁氣平衡式傳感器,它的特點是在磁性鐵芯上繞了一個反饋線圈,以抵消被測電流所引起的磁場變化?；魻栐敵鲭妷篤H經(jīng)放大器轉(zhuǎn)換為霍爾電流IH,IH與被測電流If和導體的安匝數(shù)成正比,與反饋線圈的安匝數(shù)成反比。NANA電子公司生產(chǎn)上述兩種傳感器。3.11磁場元件設計圖29是AndreBossche等報告的一種用于測量金屬變形的磁場元件,它的原理是由通過芯片中心導體的電流產(chǎn)生一個局部磁場,沿著該導體對稱的兩個霍爾元件,用來測量該磁場。這兩個霍爾元件的輸出電壓之差是被測金屬的變形距離。該傳感器用于測量位移,線性誤差小于5μm。3.12傳感器產(chǎn)品的示例集成霍爾傳感器商品實例如表1所示。4方程、離子霍爾效應和傳感器4.1改造線管質(zhì)質(zhì),提高改造效果根據(jù)薛定諤能量本征方程,電子在二維空間(x-y平面)中運動,沒有z方向的自由度,在磁場將電子完全極化的情況下,其能量的本征值呈分立的、量子化的狀態(tài)。K.VonKlitzing等人采用圖30所示的硅MOSFET管或GaAs-AlxGa-xAs異質(zhì)結(jié)構(gòu),在低溫(K量級)、強磁場(10T)條件下進行,此時電子完全極化,忽略自旋能量,嚴格控制樣品的成分,從而獲得了量子霍爾效應:RH=VH/I=ρH式中:RH為霍爾電阻;VH為霍爾電壓;ρH為霍爾電阻率。實驗發(fā)現(xiàn),量子霍爾效應與經(jīng)典霍爾效應的顯著差別是ρH與B不再呈線性關系。量子霍爾電阻RH與B的關系是在總的直線趨勢上出現(xiàn)一系列的整數(shù)平臺,稱為量子化霍爾電阻。1990年開始,國際計量大會(CGPM)和國際計量委員會(CIPM)將量子霍爾效應用作電學新基準的公用值