（微电子学与固体电子学专业论文）霍尔相位传感器的研究开发.pdf

摘要 霍尔传感器是目前使用最广泛的磁传感器之一。它不仅可以用来测量磁场， 还可用于测量电流、速度、位置、角度和转速等物理量，在精密测量、工业自动 化控制、汽车电子、家用电器等领域获得广泛应用。本课题是上海汽车工业科技 发展基金会支持项目“相位传感器的研究开发”的一部分，着重探讨在研究开发 霍尔相位传感器组件过程中出现的理论性关键技术。 论文先简要介绍了霍尔效应的基本原理，霍尔元件和霍尔集成电路的发展过 程和近况。 论文对s i 双极型霍尔开关集成电路的工作原理其中包括稳压电路、放大电路 和触发电路等进行了认真的分析和仿真，重点研究了温度补偿、电阻修调等关键 技术，成功完成了霍尔开关集成电路在工作温度范围内( - 4 0 + 1 5 0 ) 的 温度仿真，并完成了高精度s i 双极型霍尔开关集成电路的版图设计。在这之前 还开展了双极和c m o s 专用集成电路的逆向设计训练，对一些双极型集成电路 和c m o s 集成电路进行了解剖拍照分析，并成功的完成了c m o s 专用集成电路 的逆向设计、制版和流片工作的全过程。 论文介绍了几种基本磁路的设计方法和霍尔相位传感器组件的工作原理。细 致分析了霍尔相位传感器组件的工作原理后，根据霍尔相位传感器的工作要求和 磁路理论，分析了霍尔相位传感器组件适合使用的永磁材料，介绍了在霍尔相位 传感器组件设计中非常重要的b - d 曲线。利用a n s y s 有限元分析软件建立了霍 尔相位传感器组件的磁路仿真设计方法，以2 a v 系列霍尔相位传感器组件为实 例来验证。研制出可批量生产的新型高精度s m 2 c o 7 霍尔相位传感器组件，其特 征参数完全符合要求，并小批量生产，在联合汽车电子有限公司的生产线上通过 了联合汽车电子有限公司的o t s 检测。自行设计了高精度的霍尔磁性闸门测试 仪器，对霍尔相位传感器的特征参数进行了检测和计算，为霍尔相位传感器的进 一步研发和生产打下了坚实的基础。 论文提出的磁路仿真设计方法、自行设计的磁性闸门检测设备为霍尔传感器 组件的设计、优化和批量生产提供了有到的手段。 关键词：霍尔开关集成电路，霍尔效应，霍尔相位传感器，磁传感器 a b s t r a c t t h eh a l ls e n s o ri so n eo ft h em o s tm a t u r ea n d w i d e l yu s e dm a g n e t i cs e n s o r s a s w ea l lk n o w , i tc a l lb eu s e dt om e a s u r en o to n l ym a g n e t i cf i e l d ，b u tc a t e n t ，v e l o c i t y , p o s i t i o n ，a n g l ea n dr o t a t es p e e d a sak e yc o m p o n e n t ，h a l ls e n s o r sa r ew i d ep l a y i n g r o l ei np r e c i s e l ym e a s u r e ，a u t o m o t i v ee l e c t r o n i c s ，i n d u s t r i a lc o n t r o l ，h o m ee l e c t r i c a l p r o d u c t sa n ds oo n ，t h es t u d yi n t h i st h e s i si sp a r to ft h ep r o j e c t “t h er e s e a r c ha n d d e v e l o p m e n t o na u t o m o t i v ep h a s es e n s o r s s u p p o r t e db yt h es c i e n c ea n dt e c h n o l o g y f u n do fs h a n g h a ia u t o m o b i l ei n d u s t r y i nt h i st h e s i s ，w ep a ya t t e n t i o nt os o m e t h e o r e t i ck e yt e c h n i q u e so nh a l lv a n es e n s o r s ，n a m e l ya u t o m o t i v ep h a s es e n s o r s f i r s t ，h a l le f f e c tp r i n c i p l ea n dh a l l e f f e c tp e r f o r m a n c eo fs o m es e m i c o n d u c t o r s a r ei n t r o d u c e dh e r e w ea l s oi n t r o d u c es o m eh i g h p e r f o r m a n c eh a l le l e m e n t sa n d s o m e n o n e p l a t e l i k eh a l lm a g n e t i c s e n s o r s s e c o n d ，t h ec i r c u i tc o n f i g u r a t i o na n dd e s i g np r i n c i p l eo f h a l li cf a b r i c a t e di ns i b i p o l a rp r o c e s sw e r ec o n s i d e r e d t h r o u g ha n a l y z i n ga n ds i m u l a t i o n ，w eu n d e r s t a n d t h eb a s i cd e s i g nt e c h n o l o g yo fi n t e g r a t e dh a l ls w i t c h e s ，i n c l u d i n gt h et e m p e r a t u r e c o m p e n s a t i o na n d r e s i s t a n c er e g u l a t i o n a sar e s u l t ，w ed e s i g n e dt h el a y o u ta n d s c h e m e t i co fas ib i p o l a ri n t e g r a t e dh a l ls w i t c h ，a n dd i dt h es i m u l a t i o nf r o m 一4 0 一 - - + 1 5 0 。c b i p o l a ra n dc m o s i cc o n v e r s ed e s i g nw e r ea l s op r o c e e d e d t h ew h o l e p r o c e s sa b o u tac m o s i ci n c l u d i n gi cd e s i g n ，p l a t em a k i n ga n dc h i pp r o c e s sw e r e f i n i s h e dw e l l f i n a l l y , s o m em a g n e t i cs y s t e ma n dt h eo p e r a t i n gp r i n c i p l eo fh a l lv a n es e n s o r w e r ed e s c r i b e d t h em a t e r i a l w e r e a n a l y z e d a n dc h o o s e d b y t h e p r i n c i p l e t h e m a g n e t i z a t i o nc u r v e w e r ea l s oi l l u s t r a t e d t h eh a l lv a n es e n s o rw a sd e s i g n e da n d s i m u l a t e dw i t hf e as o f t w a r ea n s y si n t h i st h e s i s t h es t a t i ca n dd y n a m i c s i m u l a t i o nm e t h o d sw e r ee s t a b l i s h e da n dp r o v e d t ob ea c c u r a t ee n o u g hb ys i m u l a t i n g h o n e y w e l l2 a v s e r i e sh a l lv a n es e n s o r s t h r o u g hs u b s t i t u t i n gs m 2 c o t 7p e r m a n e n t m a g n e t f o ra l n i c 0 8p e r m a n e n tm a g n e ti nt h ea l n i c o h a l ld e v i c e ，t h e nr e v i s i n ga n d o p t i m i z i n gi t ，w eg o tan e wh i g h l yp r e c i s eh a l lv a n es e n s o rw h i c hh a dt h es a m e p e r f o r m a n c ea st h eo r i g i n a lo n ea n dl o w e rc o s t t h ec h a r a c t e r i s t i cp a r a m e t e ro ft h i s n e w h i g h l yp r e c i s eh a l lv a n e s e n s o ri su pt ot h em u s t a r d ，a n dp a s st h eo t s i n s p e c t i o n i nu a e s t h et e s t i n ga p p a r a t u sw e r ed e s i g n e da n dm a d eb yo u r s e l v e s ，t ot e s ta n d c a l c u l a t et h ec h a r a c t e r i s t i cp a r a m e t e ro fh a l lv a n es e n s o r t h es i m u l a t i o nm e t h o d a n d t h et e s t i n ga p p a r a t u sa r ev e r yi n s t r u c t i v et ot h em a s s p r o d u c t i o no ft h eh a l lv a n e s e n s o r s i nc o n c l u s i o n ，s o m ei m p o r t a n ts t u d i e so nh a l ls e n s o r sh a v eb e e nm a d e t h e s e w o r k sw o u l db eh e l p f u lt ot h ed e v e l o p m e n ta n dm a s s p r o d u c t i o n o fh a l ls e n s o r s k e y w o r d s ：h a l li c ，h a l le f f e c t ，h a l lv a n es e n s o lm a g n e t i cs e n s o r 附件一 中国科学院上海微系统与信息技术研究所学位论文独创性声明及使用授权声明文本 中国科学院上海微系统与信息技术研究所 学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中国科学院上海微系统与 信息技术研究所或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一起工作的 同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名 中国科学院上海微系统与信息技术研究所 学位论文使用授权声明 本人完全了解中国科学院上海微系统与信息技术研究所有关保留、使用学 位论文的规定，即研究所有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅； 可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。保密的论文在解密后遵守此规 定。论文的公布( 包括刊登) 授权中国科学院上海微系统与信息技术研究所人才 教育处。 研究生签名导师签名 第一章0 l言 第一章引言 早在1 8 7 9 年，e h h a l l 便发现了霍尔效应，但是实用的霍尔元件一直到人工 生长的半导体材料成功之后才出现。霍尔器件以霍尔效应为其工作基础，是- 9 十 磁传感器，可以检测磁场及其变化，可在各种与磁场有关的场合中使用。 霍尔器件具有许多优点，它们的结构牢固，体积小，重量轻，寿命长，安装 方便，功耗小，频率高( 可达1 m h z ) ，耐震动，不怕灰尘、油污、水汽及盐雾 等的污染或腐蚀。霍尔线性器件的精度高、线性度好；霍尔开关器件无触点、无 磨损、输出波形清晰、无抖动、无回跳、位置重复精度高( 可达“m 级) 。用各 种补偿和保护措施的霍尔器件的工作温度范围宽，可达5 5 1 5 0 c 。 按照霍尔器件的功能可将它们分为：霍尔线性器件和霍尔开关器件。前者输 出模拟量，后者输出数字量。按被检测的对象的性质可将它们的应用分为：直接 应用和间接应用。前者是直接检测出受检测对象本身的磁场或磁特性，后者是检 测受检对象上人为设置的磁场，用这个磁场来作被检测的信息的载体，通过它， 将许多非电、非磁的物理量例如力、力矩、压力、应力、位置、位移、速度、加 速度、角度、角速度、转数、转速以及工作状态发生变化的时间等，转变成电量 来进行检测和控制。现在，霍尔传感器已成为使用最广泛的磁传感器之一。它不 仅可用来测量磁场，还可用于测量电流、速度、位置、角度和转速等物理量在精 密测量、工业自动化控制、汽车电子、家用电器等领域获得广泛应用。 从最早的i n s b 、g a a s 和g e 等分立霍尔元件，到多层结构和超晶格结构的高 性能霍尔元件，以及基于s i 集成电路工艺的霍尔集成电路。可以说，每次半导 体技术的重要发展，都引起霍尔传感器的发展和革新。因此，霍尔传感器是相当 成熟且具有广阔发展前景的产品。 本论文是上海汽车工业科技发展基金会支持项目相位传感器的研究开发 的一部分，着重研究了霍尔传感器组件和霍尔开关集成电路设计制造方面的关键 技术。主要目标是研制高精度霍尔相位传感器组件，并解决霍尔开关集成电路研 发中的关键技术问题。本论文的内容安排如下： 第一章：简述霍尔传感器的用途，霍尔集成电路的特点及发展前景，说明本 霜尔相位传感姑的研究开发 论文课题的来源、研究目的和意义。 第二章：简要介绍了霍尔效应的基本原理，霍尔元件和霍尔集成电路的发展 过程和近况。 第三章：对s i 双极型霍尔开关集成电路的工作原理其中包括稳压电路、放大 电路和触发电路等进行了认真的分析和仿真，重点研究了温度补偿、电阻修调等 关键技术，并完成了高精度s i 双极型霍尔开关集成电路的版图设计。在这之前 还开展了双极和c m o s 专用集成电路的逆向设计训练，对一些双极型集成电路 和c m o s 集成电路进行了解剖拍照分析，并成功的完成了c m 0 s 专用集成电路 的逆向设计、制版和流片工作的全过程。 第四章：介绍了几种基本的磁路设计的结构和工作原理。细致分析了霍尔相 位传感器组件的工作原理，分析了霍尔相位传感器组件适合使用的永磁材料。利 用a n s y s 有限元分析软件建立了霍尔相位传感器组件的磁路仿真设计方法，研 制出可批量生产的新型高精度s m z c 0 1 7 霍尔相位传感器组件，在联合汽车电子有 限公司的生产线上通过了联合汽车电子有限公司的o t s 检测。自行设计了高精 度的霍尔磁性闸门测试仪器，通过检测，新型霍尔相位传感器组件的特性参数完 全符合要求。提出的磁路仿真设计方法、自行设计的磁性闸门检测设备为霍尔传 感器组件的设计、优化和批量生产提供了有利的手段。 箱五章：小结本论文所作的研究工作。 笫二章文献综述 第二章文献综述 本章简要介绍了霍尔效应，霍尔元件，霍尔集成电路和磁传感器的发展过程和近 况。 霍尔器件具有很多优点，结构牢固，体积小，重量轻，寿命长，安装方便，功 耗小，频率高( 可达i m h z ) ，耐震动，不怕次尘、油污、水汽及盐雾等的污染或腐域。 它分为霍尔元件和霍尔集成电路两大类，前者是一个简单的霍尔片，使用时常常需要 将获得的霍尔电压进行放大。后者将霍尔片和它的信号处理电路集成在同个芯片 上。为了统一，本论文对霍尔元件、霍尔集成电路、霍尔开关集成电路、霍尔线性集 成电路和霍尔传感器组件等关键词作如下定义： 霍尔元件是利用霍尔效应原理制成的单个磁电传感器； 霍尔集成电路是将霍尔元件和信号处理电路部分利用微电子技术制成的单片 电路，它分为霍尔线性集成电路和霍尔开关集成电路； 霍尔传感器组件是将霍尔元件或霍尔集成电路与磁场产生器组合在一起的部 件。 2 1 霍尔效应的基本原理 1 8 7 9 年霍尔( h a l l ) 在研究电流通过有磁场垂直其平面的长方形金属片所发生的 现象时，发现了金属片侧面产生微弱电位差的现象，这现象称为霍尔效应。完整的 定义：当电流垂直于外磁场方向通过导电体时，在垂直于电流和磁场的方向，物体两 侧产生电势差的现象称为霍尔效应。霍尔效应原来是在金属中发现的，但在半导体中 这个效应更为显著，而且能对于半导体的分析提供特别重要的依据。因此，结合半导 体的研究，霍尔效应的研究有了很大的发展 1 。半导体材料制造工艺和半导体应用 技术的迅速发展，推动研究人员找到了霍尔效应比较显著的半导体材料锗。因此，利 用霍尔效应制备出的第一个磁电传感器半导体锗霍尔元件直到上世纪四十年代末由 于半导体锗单晶的出现才得以成功。随着硅、砷化镓及其化合物半导体材料器件与电 路以及纳米技术的迅速发展，霍尔传感器研究、开发和应用也得到高速发展。 霍尔相位传感器的研宄开发 图2 1 为霍尔效应原理图，霍尔元件是一长为f ，宽为m 厚度为t 的半导体薄片， 当在矩形霍尔元件中通以如图中所示的电流i 并外加磁场b ，磁场方向垂直于霍尔元 件所在平面时，霍尔元件中载流子在洛仑兹力的作用下运动将发生偏转，在霍尔元件 上下边缘出现电荷积聚，产生一电场e h 。该电场e h 称为霍尔电场，稳态时e h 和磁 场对载流子的作用互相抵消，载流子恢复初始的运动方向，它使霍尔元件上下边缘产 生电压差，称为霍尔电压v h 。近似有 妇= 卫，b( 2 1 ) q n t 其中r h 称为散射因子，主要由半导体材料的能带结构和载流子散射机制决定。q 为载 流子电荷，n 为载流子浓度。定义此时霍尔元件中任意一处的电流和电场的夹角砌 霍尔角，其大小为： t a 妒2 h b ( 2 2 ) 其中“h 为载流子的霍尔迁移率：。；w ，“为迁移率。图2 1 中的所标v h 方向在 载流子为电子时正确，当载流子是空穴时要反号。 如果样品长度非常短( z ( ( w ) 以致初始时载流子的偏转无法到达霍尔元件的上下 边缘，霍尔效应将表现为电流的偏转，这时只有磁阻效应而没有霍尔电压。但电场和 电流之间的夹角o 不变。 对与f 与w 相近的情况，v h 为： 妇= g 且，b ( 2 3 ) q n t g 称为几何修正因子，根据霍尔元件形状不同，取值在o 1 之间。定义电流相关灵 敏度： s ；g l( 2 4 ) 。 q n t 霍尔电压更为有用的一个表达公式是偏置电压表示方式。因为大多数霍尔集成电 路中的霍尔元件都工作于恒压模式，此时输入电压为偏罴变量： 第二章文献综述 妇= g r h l “1 v 。b ( 2 5 ) v 为加于霍尔元件输入端的偏置电压，w = ( r 。r s ) 称为有效宽长比，r 。为 输入内阻，r g 为面电阻。定义电压相关灵敏度s r 。g w 孚，代表霍尔元件对磁场和 偏罱电压的灵敏度。可见，迁移率越大，灵敏度s 。也越大，而与其他材料性麓关系 不大。此外还可以用输入功率为偏置变量，相应的公式为 一q n t lr 眨s ， ij 。 图2 1 矩形霍尔元件 霍尔元件长为，宽为肌厚度为o 。c l 、c 2 为输入电极，加上偏置电流i s l 、s 2 为输山电极r 叉叫霍尔电极，宽为s 。外加磁场垂直于霍尔元件表面。 2 2 磁传感器的种类 传感器应用非常广泛，大量应用于工业自动控制、交通、机械等领域及家电、汽 车等人们生活的各个方面。传感器的发展方向是集成化、智能化、微型化。实现将敏 感元件和放大电路、运算电路、温度补偿等利用i c 技术制作在同一芯片上；实现同 一抟感器可以检测两种以上信号；实现传感器与微型计算机一体化。近几年来，微机 械加工技术得到迅速发展，薄膜技术、光刻技术、腐蚀技术、键合技术、l i g a 技术 等方面有新的突破，微电子机械系统( m e m s ) 的研究得到迅速发展。微机械加工技术 在传统的传感器领域的渗透，实现了敏感元件及传感器的微型化。传感器的种类繁多， 雀尔相位传感器的研究开发 按能量的传递方式可以分为有源传感器和无源传感器；按检测对象和效应分为光敏传 感器、温度传感器、力敏传感器、磁敏传感器、气敏传感器、湿敏传感器等等，而每 一类又有不同的品种 2 。磁传感器是传感器的一个重要分支。磁传感器的核心是磁 敏元件，磁敏元件是对磁信号或对能够转变为磁信号的信号参数敏感的元件。磁传感 器的种类很多，其分类如图2 2 所示 3 。 图2 2 磁敏元器件分类 2 3 霍尔元件的研究和发展 2 3 1 霍尔元件材料的研究和进展 对传感器来说，功能材料是其发展的基础。每一项新功能材料的开发和成功应用， 都可能对传感器产品的研制和改进产生新的推进。霍尔元件首先要有高灵敏度、大功 率、高效率，要求材料同时具有高的霍尔迁移率和电阻率，其次，使用温度范围要宽； 最后，元件的磁场线性度好，使用时匹配方便、价格低廉、符合半导体工艺发展方向。 兰三里壅! ! ! ! ! 竺堕 一7 早期的霍尔元件通常使用的材料有i n s b 、i n a s 、c a a s 、g e 等，表2 1 给出这些半导 体材料的基本特性 4 。 表2 1 用于制作霍尔元件的半导体材料的性能 禁带宽度( e v ) 迁移率( g i l l2 v 1 s 1 ) 半导体材料( 3 0 0 ( 时) 3 0 0 ko k 电子空穴 i n s b01 70 2 3 8 0 0 0 0】2 5 0 i n a so 3 60 4 23 3 0 0 04 6 0 g a a s1 4 21 5 28 5 0 04 0 0 s i1 1 21 1 71 5 0 0 4 5 0 g e0 6 60 7 4 3 9 0 01 9 0 0 i n s b 材料电子迁移率高，其霍尔元件具有很高的灵敏度，然而，i n s b 材料的禁 带宽度小，易于本征激发，因此它的温度稳定性差，无法在高温环境下使用 5 。 表2 ，2i n s b 和6 a a s 霍尔元件性能比较 霍尔电压( m v ) 电流相关灵 ( b - o i t i - l m a l 内阻( n ) 敏度温度系 产鼎名公司材料 m i nm a xm i nm a x 数 ( 产c ) h w ，3 0 5 ba s a h ii n s b1 3 42 5 62 4 05 5 01 8 t h s l l 9t o s h i b ag a a s 1 1 2 84 5 99 0 0_ 0 0 6 ( a ) l n s b 霍尔元件的输出特i 生( b ) g a a s 霍尔元件的输出特性 图2 3 霍尔元件的输出特性 g a a s 是另种使用广泛的霍尔元件材料，它的灵敏度比i n s b 低，但是温度特性 好，能在较宽的温度范围内工作，同时磁场线性度也是最好的 6 。表2 2 给出了两 雀尔相位传感器的研究开发 种成熟的i n s b 和g a a s 霍尔元件产品的性能比较。i n s b 和g a a s 霍尔元件输出特性见 图2 3 ( a ) 、图2 3 ( b ) 随着半导体技术的发展，高性能霍尔元件的研制逐渐成为研究热点。1 9 8 6 年， s u g i y a m a 等，采用g a a s a i g a a s 异质结构制作的霍尔元件，其电流相关灵敏度高达 1 0 0 0 w a t t 7 ，但是灵敏度的温度稳定性差( 灵敏度温度系数为o 7 p c ) 。采用 g a a s a i g a a s 超品格结构制作的霍尔元件克服了这一缺陷 8 】，灵敏度高达1 2 0 0 v a t 的同时，温度系数为o 1 p c 。但这种霍尔元件的迁移率只有5 0 0 0c r o w s 。之后， 人们通过调制掺杂分子束外延技术，在i i i v 族化合物半导体g a a s 、i n p 或单晶g e 等衬底上生长了各种化合物半导体多层膜或超晶格结构的结构。这些材料的共同特点 是：可用来作敏感层的2 d e g 层厚度极薄，为纳米级，霍尔迁移率高，温度系数小。 由此制作得到的霍尔元件具有高灵敏度、低不等位电势和很高的温度稳定性，有些霍 尔元件还具有很高的信噪比。 a 、i n s b 薄膜霍尔元件： i n s b 薄膜是- - 十i i i - 族化合物半导体薄膜，是目前电子迁移率最高的一种薄膜 半导体材料，用该薄膜制做的i n s b 霍尔元件是磁敏传感元件中灵敏度最高的，也是 磁敏传感元件中用量最大的一种。国内己开展用溅射法制备i n s b 薄膜用于制作高性 能霍尔元件的研究 2 。沈阳仪器仪表工艺研究所、电子工业部第四十九研究所、吉 林大学合作进行了i n s b 薄膜工艺技术研究，解决了用i n 、s b 单质蒸镀工艺，在磁性 和非磁性基底上替代i n s b 单晶蒸镀制作多晶膜的工艺技术，降低了成本，提高了成 品率。同时采用选择性湿法刻蚀工艺，特别是i n s b a u 欧姆接触膜层的选择性刻蚀工 艺制作电极。工艺成品率达到6 0 以上。用该i n s b 薄膜开发了3 个品种1 3 个规格 的i n s b 霍尔元件，并进行批量生产。通过研究，解决了传感器生产中硅芯片稳定性 问题、硅芯片灵敏度温度漂移与灵敏度温漂免补偿技术、用单质i n 、s b 代替化合物 单晶的i n s b 薄膜蒸镀工艺技术、低应力柔性磨抛技术进行超薄氧化膜( 约3 0 0 埃) 的去除和i n s b 薄膜减薄技术、氧化物、陶瓷等化合物的合成技术、高相纯度、高电 导率n a s i c o n 材料的合成技术等关键技术。有关低温凝聚i n s b 膜及其结晶相变过程 中的霍耳效应的研究报导可见 9 。 第二章文献综述 i n s b 器件的电特性和的电特性和同类产品相比，温度特性对，线性好，灵敏度高， 工作性能稳定，广泛应用于汽车电子工业，精密测量、自动化控制、通迅、计算机、航 天航空等工业部门及国防领域。i n s b 与硅衬底霍尔器件典型工作电流为1 0 1 i r a 。而砷 化镓典型工作电流为2m a 。在测量低弱磁场时，传感器自身所需的工作电流越低越 好。 b 、i n a s g a a s 霍尔元件： 1 9 9 5 年，r 本的旭化成( a s a h i ) 电子公司采用m b e 方法，在半绝缘g a a s 衬底 上外延生长i n a s 薄膜，膜厚o 5 p m ，s i 注入浓度为8 o 1 0 1 6c l l l ，电子迁移率大于 1 0 0 0 0c m 2 v s 1 0 。用它所制备出的h a s 霍尔元件，其电压相关的灵敏度为 o 3 3 v v t ，约是相同浓度g a a s 霍尔元件的1 5 倍，在一2 0 9 c 一1 3 0 。c 时，相应的霍尔 电压温度系数为一o 2 1 尸c ，内阻温度系数为0 0 5 t c ，可以满足高温使用要求。国 内，中科院半导体研究所从1 9 9 7 年5 月到1 9 9 9 年5 月先后两年时间，在分子束外延 材料上生长出高质量的砷化铟材料，再通过光刻技术和国外先进的后封装工艺技术制 造出高性能的砷化铟霍尔器件，得到相近性能的i n a s 霍尔元件 1 1 1 1 2 1 1 3 1 1 4 1 5 1 ， 其中测出恒流驱动时，相应的灵敏度温度系数为o 2 口c ，而g a a s 霍尔元件为 0 0 5 。c 。此外，i n a s 霍尔元件的线性度为2 ，远不如g a a s ( 约0 1 ) 。研制这种 材料用的分子束外延技术和设备，已可由研究转入批量生产。 c 、i n o5 3 g a o4 7 a s i n p 霍尔元件： 1 9 9 4 年，r k y b u r z 等报道了他们制得的i n o5 3 g a o4 7 a s i n p 霍尔元件 1 6 】，采用 低压m o v p e ( 金属有机物气相外延) 方法，在i n p 衬底上，生长缓冲i n p 层和有源 层i n o 邡g a o 4 7 a s 。缓冲层厚2 0 0 n m ， f e 掺杂浓度为5 1 0 惦。表2 ，3 给出有源层 在不同掺杂浓度下霍尔元件的性能。由表可见，i n o g a o 4 7 a s i n p 霍尔元件的灵敏度 与i n a s g a a s 相近，电流相关灵敏度的温度稳定性要好于后者，与g a a s 相近，线性 度也比i n a s g a a s 好。同时，该霍尔元件具有很高的信噪l g ( 指标为最小可检测磁场) 。 但是结构略复杂。 霜尔相位传感器的研究开发 表2 1 3 有源层i n o5 3 g a 。4 7 a s 在不同掺杂条件下霍尔元件的性能 样s i 掺杂浓厚度迁移率 电流相关温度系 电压相关最小可检；9 1 1 j 灵敏度数 品 度( c m - 3 )( n m ) ( c m w s ) 灵敏度磁场 ( v ，a t )( 吃) a1 1x 1 0 67 5 01 0 6 0 07 6 00 0 7 l样品a ：频率 样品a ：1 k h z 时， b5 6 xl o 6 1 6 0 9 2 0 0 6 9 5- 0 0 8 1 03 3 v ，v t5 0 n t ：1 0 0 h z c 1 3 x1 0 1 7 7 08 4 0 06 6 0一o 1 3时，1 6 0 n t d 、具有二维电子气的材料系统制作的霍尔元件。 通过m b e 、m o c v d 、v p e 等方法，将i 一v 族化合物分层次地生长并掺杂，得 到调制掺杂异质结或者超晶格材料系统，这些材料依靠高迁移率的二维电子气导电。 h e m t 和p h e m t 的材料系统是最常用的以g a a s 或i n p 为衬底的二维电子气材料结 构。 1 9 9 2 年，s u g i y a m a 报导了赝晶i n a i a s f l n g a a s i n p 异质结构制作的霍尔元件( 见 图2 4 a ) 1 7 。室温下，电子迁移率达到1 6 0 0 0 帆w s 。电压相关灵敏度o 9 8 v vt ， 约是g a a s 霍尔元件的4 倍也高于前面提到的几种霍尔元件。电流相关灵敏度3 2 0 v a t ，其温度系数为一0 0 3 5 。c ，比g a a s 更好。最小可检测磁场：频率f = l h z 时， 达到2 t a t ：f - l k h z 时，达到6 0 n t 。 v m o s s e r 采用a 1 g a a s i n g a a s g a a s 异质结构( 图2 4 b ) 制作的霍尔元件 1 8 】 1 9 】【2 0 ，其电流相关灵敏度达到1 0 0 0 w a t ，温度系数0 0 l 一0 0 4 p c 。电压相关 灵敏度0 4 - o 5 v v + t 。 h e m t 材料的改进方法，同样可以用于制作霍尔元件，如在文献 2 1 1 中，用m b e 方法生长了i n a s a l g a s b 量子阱超品格结构，其缓冲层为超品格结构。用该材料制作 的霍尔元件，其电压相关灵敏度为0 9 v v t ，湿度系数o 3 5 p c 。而且，i n a s 量子 阱中的s i 6 掺杂将使霍尔元件获得优异的温度性能：电流相关灵敏度的温度系数小于 0 0 3 p c ，电压相关灵敏度的温度系数下降到o 0 9 9 c ，但迁移率下降为6 6 0 0c m 2 v s 。相关的工作报导还可参见【2 2 】一1 2 4 。用这种材料制作霍尔元件由于迁移率很高， 灵敏度也比其他霍尔元件更高，因而引起了广泛的重视。 第二章文献综述 欧姆电极 in + 一1 n o8 g a o 2 a g 1 0 r i m fn 一i n 口5 j a l 日；船 o m 卜i n os l o4 8 船 5 m i i n x g a l x s t i + i o 小l o s 4 0 0 r i m s j - h l ps u b s t r a t e ( a ) 在i n p 衬底上生长的 i n g a a s 一2 d e g 霍尔元件。当x = o8 ， y = 1 0 n m 时，沟道层迁移率最大。 帽层 隔离层 淘道层 缓冲屡 i e a g 卜 1 1 。尊1 _ 1 拈 n 一 l r g a 卜r s li a l t g a h 拈 4 0 m ii 一工n x g a i 畸船1 3 【i g “5 l fs - i 。g a ss t l b s t r a t e ( b ) 在o a a s 衬底上生长的 i n g a a s - 2 d t o 霍尔元件。当 x = 0 3 ，y = 0 1 5 时，沟道层迁 图2 4 具有二维电子气层的霍尔元件 e 、s i c 材料制作的霍尔元件 4 h s i c 是一种很适合作高温器件的新材料，它有很宽的禁带宽度( 3 2 6 e v ) ，高 的热传导率，以及高的饱和速度( 2 2 x1 0 7 ) 。 图2 5 是采用这种材料作的霍尔元件f 2 5 。4 h - s i c 材料生长采用a p c v d 的方法 【2 6 】，霍尔元件的有源层为n 掺杂外延层，掺杂浓度为3 5 1 0 1 5c i n ，厚度为2 4 p m 。 图2 54 h s i c 霍尔元件及其电极接触的结构 mo 06 、，j 霍尔相位传感器的研究开发 有源层与n + 衬底( 掺杂浓度8 1 0 1 8c m 。3 ) 之间用p 型层隔开。霍尔元件的电流相关 灵敏度达到9 3 0v a 。t 。温度系数在3 0 0 k 5 0 0 k 时只有7 5 p p m k ，在5 0 0 k 8 0 0 k 时 为一5 0 0 p p m k ，因此，其温度性能远优于前面提到的几种霍尔元件。 2 3 2 霍尔元件结构的研究和进展 霍尔元件常规结构是二维平面，因此，也常称之为霍尔片。还有一种三维结构的 霍尔元件，通常称为非平面霍尔元件。常规霍尔元件要求磁场垂直于霍尔元件，且在 整个霍尔元件上是均匀磁场。而在其他情况，需要根据磁场分布情况，设计相应的非 平面霍尔结构。非平面霍尔元件设计遵循三条原则： ( a )电流密度矢量与相应区域的磁场密度矢量正交。 ( b ) 霍尔元件的有源区必须是可以访问的，也就是说，可以通过制作电极获 得霍尔电压。 ( c ) 磁场为0 时，两霍尔电极取出的霍尔电压为0 。 依据这些原则，目前已设计出许多可用于各种场合的非平面霍尔传感器，多数 已有成熟产品。 a 、垂直霍尔元件 1 9 8 4 年，r s p o p o v i c 提出一种垂直霍尔元件，用于测量平行于元件表面的磁场 2 7 。其结构如图2 6 所示，元件的n 型有源区依靠周边的深p 注入而很好隔离，有 源区看似平面结构，实际上有源区是三维结构，且有一个垂直于元件表面的对称面( 即 图中的横截面) ，因此也称为垂直霍尔元件。显然，上面提到的三条原则，它都满足。 图中箭头表示电流方向，可以看出电流呈放射状分布，与垂直于器件表面的磁场 平行，这使得其平面霍尔效应非常的小f 2 8 】，。如果在磁场测量中使用两个这种霍尔 元件，则实际上已不考虑平面霍尔效应的影响【2 9 】，因此磁场测量的精度很高。 垂直霍尔元件主要用于电能测量和高精度磁场测量，目前的成熟产品，其电流相 关灵敏度可达4 0 0 v a t ，噪声低，而且具有很优异的长期稳定性：使用一年以上，其 灵敏度变化不超过o 0 1 ，这主要是因为元件的有源区远离器件表面。 第二章文献综述 b 、柱状霍尔元件 图2 6 垂直霍尔元件的截面圈 当应用于环形磁场时，根据设计原则，需要使用柱状霍尔元件，如图2 7 ( c ) 示， 其磁敏感区是一个半圆柱形状。如将磁集束器集成在柱状霍尔元件中，器件将获得非 常高的灵敏度【3 0 】，目前的成熟产品，其灵敏度可以高达2 0 0 0 v a t ，磁场频率在 1 0 1 1 0h z 时，可检测磁场为7 0 n t 。这是目前霍尔元件产品所能达到的最好性能。 柱状霍尔元件主要用于高精度的磁场检测，例如，用在高灵敏度电流传感器( 3 1 】， 用于精确的轮齿感应 3 2 ，非接触式角度测量，长距离位置测量、文档的磁扫描等。 ( a ) 垂直霍尔元什( b ) 变换( c ) 柱状霍尔元件 图2 7 柱状霍尔元件可以看成是垂赢霍尔器件经保角变换获得，以适应环行磁场。 c 、二维霍尔磁传感器 上面提到的霍尔元件只能测量一个方向上的磁场。如果在芯片上同时集成两个垂 霜尔相位传感器的研究开发 直霍尔元件，制成的磁传感器就可以同时测量磁场同一平面的两个分量。将这样的磁 传感器和永磁体组合在一起可做成高精度的非接触式的角度位置传感器( 图2 8 ) 。其 最大优点是测量角度几乎不受永磁体位置的影响，因此允许比较大的封装误差和湿度 波动 3 3 1 。这类器件的角度测量精度通常都在o 1 。以上。 近来还有提出利用双轴霍尔元件进行角位置测量，该二轴h a l l 传感器结合了一 个标准的c m o s 过程和平面磁集中器。在一非常小的铁磁盘集中器边缘的硅模型上放 置了四套h a 1 元件，此集中器由一个和芯片表面相连的高渗透性及低强制磁场的铁 磁层组成。该流量集中器把平行于装置表面的场元件转换成与元件垂直的元件，在其 制造过程中允许使用传统的c m o sh a l l 技术。磁场的垂直元件在磁盘边缘( h a l l 元 件位于此) 附近时最强。流量集中器不需放大装置噪音即可提供场放大。因为其单模 结构特性，两种输出不仅匹配而且有卓越的跟踪性能。这种技术固有的几种独特性能 使其特别适合用于精确感应，如非线性 0 1 且磁滞现象 o 0 3 的现场。图2 9 为一 个典型的基于二轴霍尔i c 的角度位置传感器的切面图。 还有一种集成了三个“半个垂直霍尔元件”制成的所谓三相角度位置传感器。它 在微型无刷电动机中有重要应用 3 4 。 d 、三维霍尔磁传感器 与二维霍尔磁传感器相似，为了同时测量磁场在三个轴上的分量，需要在每个轴 上各放一个霍尔元件。1 9 9 9 年，s c h o t t 提出图2 1 0 中所示的器件结构，可以达到同 样的目的，其工艺和垂直霍尔元件一样【3 5 。目前该器件已有相应产品，用作三维t e s l a 计。 图2 8 高精度角度位置传感器 第二章文献综述 图2 9 基于二轴霍尔i c 的典型角度位置传感器的切面圈 图2 ，1 0 三维霍尔磁传感器 共8 个电极( 刨中较黑的区域) ，垂直箭头代表输入电流，含箭头的曲线代表电流衍度曲线 r b 压计表示各磁场分量是如何获得的 3 0 。 综上所述，非平面霍尔元件适合于一维、二维和三维磁场情况，在许多场合有着 重要的用途，而且虽然采用的是s i 材料制作，其灵敏度却很高，许多器件的灵敏度 高于采用其他材料和结构制作的平面霍尔元件，因此多用于高精度要求的场合。并且 因为是体器件，所以具有低噪声、高稳定性的优点。 2 4 霍尔集成电路的研究和进展 1 9 6 8 年b o s c h 提出将霍尔元件集成到s i 的双极型集成电路中 3 6 ，制成霍尔集 成电路，由此人们开始了霍尔集成电路的研究。早期的一些霍尔集成电路还可参见 3 7 3 8 。在集成电路中的霍尔元件与分立霍尔元件的一个显然的差别在于隔离方 式。前者依靠标准双极型工艺中的p n 结隔离与周边电路隔开；而后者是通过空气和 褥尔相位传感精的研究开发 其他绝缘介质与其他的电子器件隔开。图2 1 1 是在双极型工艺中做于i c 中的霍尔元 件，n 型外延层( 即n p n 管的集电极层) 用作霍尔元件。霍尔元件电极的n + 接触与 n p n 管的射极同时形成。芯片表面长一层s i 0 ：覆盖，有时再沉积一层s i ，n 。 3