（电工理论与新技术专业论文）霍耳传感器的研究及其电路设计.pdf

r e s e a r c ho fh a l ls e n s o ra n dc i r c u i td e s i g n a b s t r a e t h a l ls e n s o ri so n eo f m o s tw i d e l yu s e dm a g n e t i cs e n s o r i tc a nb en o to n l y u s e df o rm a g n e tm e a s u r e m e n t ，b u ta l s of o r t h em e a s u r e m e n to fc u r r e n t ，s p e e d ， p o s i t i o n ，a n g u l a r ，t h i st h e s i si sb a s e d0 nt h er e s e a r c ho ft h ep e r f o r m a n c eo f h a l ls e n s o r ，a n dd e s i g n sac h i pt h a ti su s e di nt h ed e t e c t i o no ft h ec o v e ro ft h e c e l l p h o n e a tf i r s t 、t h i st h e s i si n t r o d n c e st h ed e v e l o p m e n to fa n a l o gi n t e g r a t e dc i r c u i t i n c l u d i n gt h ef u n c t i o no fa n a l o gi n t e g r a t e dc i r c u i t ，w h yd i g i t a lc i r c u i tc a nn o t r e p l a c ea n a l o gc i r c u i t ，a n dt h ef e a t u r ea n a l o gc i r c u i tc o m p a r e dw i t hd i g i t a l c i r c u i t ，a n a l o gp r o c e s st e c h n o l o g y ，a n dt h ed e v e l o pt r e n do fa n a l o g c i r c u i t t h e n i n t r o d u c e st h ep r i n c i p l eo fh a l ls e n s o r , t h ed e v e i o pp e r i o do fh a l ls e n s o r i nc h a p t e r2 。f i r s t l yi n t r o d u c e st h ec h a r a c t e r i s t i co fh a l ls e n s o ri n c l u d i n g s e n s i t i v i t ya n di n p u tr e s i s t a n c e s e c o n d l yi n t r o d u c e st h et h eo p t i m i z a t i o no f h a l is e n s o ri n c l u d i n g s h a p eo p t i m i z a t i o n a n dl a y e ro p t i m a z i t i o na n dt h e n o n i d e a le f f e c to fh a l ls e n s o ri n c l u d i n gb a c k - b i a se f f e c t ，t o p p l a t ee f f e c t ， t e m p e r a t u r ee f f e c t sa n dp a r a s i t i c t h e ni n t r o d u c et h et y p i c a la p p l i c a t i o no fh a l l s e n s o r a ti a s ti n t r o d u c et h ew h o l es t r u c t u r eo ft h eh a l ls e n s o rd e s i g n e d 穗t h i s t h e s i s i nc h a p t e r3 ，i n t r o d u c e st h eo f f s e tv o l t a g ea n dl o wf r e q u e n c yn o i s e ，a n d a n a l y z e st h r e ew a y st oc a n c e l o f f s e tv o l t a g e ：m u t i p l a t em e t h o d 。d d a m e t h o d ，s p i n n i n gc u r r e n tm e t h o d 。t h i si st h ek e yt e c h n i q u eo f h a l ls e n s o r i nc h a p t e r4 i n t r o d u c e st h ed e s i g no fs w i t c hh a l ls e n s o rc h i pt h a tu s e di n t h ec o v e rd e t e c t i o no fc e l l p h o n e t h ed e s i g no ft h i s c h i p i sb a s e do n c s m c ( 0 5 u r n ) t e c h n o l o g y s e c o n d l y ，i n t r o d u c e st h eh s p t c em o d e lo fh a l l s e n s o r ，c l o c kc i r c u i td e s i g n ，b i a sc i r c u i td e s i g n ，o p e r a t i o n a la m p l i f i e rd e s i g n ， c o m p a r a t o rd e s i g n ，s w i t c hd e s i g n ，d i v i d er e s i s t o rd e s i g na n dt h eg e n e r a t i o no f d i g i t a ll o g i cs i g n a la n ds oo n a tl a s t ，g i v e st h el a y o u td e s i g no fh a l ls e n s o r t h i st h e s i sp r o p o s e sam a g n e td e t e c t i o nm e t h o dw i t hn or e l a t i o nt ot h e p o l a ro fm a g n e ta n dab i a sc o m p e n s a t i o nm e t h o d ，an o v e l t ys a m p l ec i r c u i ta n d an e wm e t h o dt or e d u c et h ep o w e rd i s s i p a t i o no ft h ew h o l ec h i p 。 k e yw o r d s ：h a l ls e n s o r , o f f s e tv o l t a g e ，s p i n n i n gc u r r e n t 插图清单 图1 1 霍耳效应原理，5 图2 。1四臂等长十字架形震耳器件8 囝2 - 2 三明治结构霍耳器件a - a 截面图。8 幽2 - 3 矩形簧感器1 0 嚣2 - 4 遥饕等长熬卡字絮爨瓣霍霉传感器， 圈2 - 5 电压敏感度随霍尔元件豹臂豹宽长 e 恻交纯的曲线i 2 图2 - 6 霍耳阱耗尽区的厚废分布，1 4 刚2 7 反偏效应对霍耳器件输入电阻的影响l s 图2 罐n 阱中实测的霍耳刚子的温度相关性1 8 图2 9 电子浓度与温度的关系1 9 图2 1 0 簌l e 封装靼工艺霆度阐述备群热祝械透力形成弱原因，2 0 窝2 1 l 在猱冀幕 塑瓣封装中与n 醛建薅器翡宅溅籀关静灵敏度热漂穆一2 1 因2 - 12 霍耳传感器在汽车工业的应用2 1 图2 。1 3 霍耳传感器在流蹙计中的应用2 3 图2 * 1 4 霍耳传感器在开关按钮上的应用2 3 图2 - 1 5 霍耳传感器在电流检测中的应j = i 2 3 瞳2 + 1 6 露耳传感器在游戏摇轩上盼应用，一2 3 围2 - 1 7 霍耳黉感器在蠢漆焉穰毫撬主鳇应建2 4 銎2 ，1 8 用于手税翻盖梭测霰耳传感嚣。2 4 图2 1 9 霍耳传感器整体椹网2 5 图2 ，2 0 磁场迟滞检测功能2 5 图2 * 2 1霍耳传感器应用电路2 6 图3 1在给定偏置电流下的霍耳传感器2 7 圈3 - 2霍莓传感器的麓他模墅( 文氏耩模型) 2 7 圈3 - 3室溢下蘸频囔声凌黎港。2 9 图3 - 4取霍耳盘失调清豫永意蘑2 9 图3 ，5四盘系统( a ) 和兰盘系统( b ) 3 0 图3 - 6d d a 放大器的晶体管实现3 0 图3 。7d d a 失调消除示意阉3 0 图3 - 8旋转电流法的两静状态3 2 圈3 - 9霉霉簧感器麴0 麓程痊状态。3 2 翻3 * 1 0 旋转电流法实现电落3 3 囤3 - 1 l0 度到9 0 度状态切换时的状况3 4 图3 。1 2 霍耳传感器的结构框图3 4 图3 - 1 3 电流旋转霍耳盘3 6 图4 * 1内部整体原理图3 7 圈4 * 2霍耳传感器的等效魄路4 0 圈4 - 3磁场强麦簸0 戮1 0 0 m t 据整霹感应电嚣豹变纯夔线4 3 图4 - 4常用豹r c 振荡器4 4 图4 w 5环形振荡器4 4 图4 - 6晶体振荡器4 5 图4 - 7 本文设计的振荡器4 6 搬荡电路的仿真波形4 7 怒摄电露嚣理莲，4 7 撮荡器偏置电路及其启动电路4 8 与电源无关的基准仿真波形图5 0 嚣级运放撅理图5 运赦增益与带整仿真平静5 4 逡放频率特性仿真5 5 输出压摆率茸f i 输入菇模览围仿真平静5 6 输鑫转换遗攀仿真鼗线5 6 输入共模范围仿真曲线，5 7 输出摆幅仿真平台5 8 簸密摆柩傍冀夔线转 i v r a t 产生电路图6 0 濑度从2 0 度到8 0 度变化时，偏置电流变化曲线6 1 鼹级比较器擞理图6 2 摆率响应对输出曲线6 5 线性响应仿赢曲线6 6 电荷注入现象6 7 莱撵宅路孛澍镑镶逶示意盈6 8 增加虚拟组件来消除时钟馈通和电荷注入效应6 9 使用互补开关来减小沟邋电荷注入6 9 震嚣俦感器眷褛电路7 0 d 触发器电路7 l 用d 触发器窳现的二分频电路7 2 8 簸入与1 f - i 戆攥分。7 3 分颁器电路实现7 3 w 6 和w 7 的信号产生圈7 4 w 8 和w 9 的僚号产生嘲7 5 姒和w 5 静信号产生电路7 5 w 1 2 和w 1 3 信号产生电路7 6 w 1 6 、w 1 7 、w 1 8 、w 1 9 和o u t 信号产生电路7 6 w 1 0 释w 1l 臻号产生电路7 7 a 状态数字避辑输出7 8 b 状态数字逻辑输出7 9 0 发获态数字逻辑赣遗7 9 9 0 度状态数警逻辑输出7 9 w 1 4 = 0 数字逻辑输出7 9 w 1 4 = l 数字避辑输出辨 芷极性磁场作用对传感嚣输出信号8 0 负极性磁场作用时传感器输出信号 霍耳传感器版圈设计 8 1 8 l档蝣篇篇篇麓篇蚴；|她秘篡怒似瓣矧嚣坝!；弼蝴懈=m篡篡懈篇脚啪一鳓一一 表格清单 袭1 1实现通用模拟集成电路的1 二蕊技术 菠2 - 1壤耳器俘嫠本参数 袭4 - 3媳放设计指标 袭4 - 4运放晶体镑尺寸， 蔽4 - 5阮较器设计指标 袭4 - 6 比较器晶体管尺寸 o j “辩酡娟 独创性声明 的间志对本研究所做的任何贡献均旱在论文中作了明确的说明并表示谢意。 糍黻赭辨2 骱垆魏渺霉千箕归 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完企了解盒照兰北盍堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向 国家簿关帮门或瓿擒遴交论文| ； 孽复印 牛秘磁盘，兔诲论文搜查藤或缀舞。本人授毅鑫l l 三羹塞 堂一可以将学位论文的全部或部分论文内容编入宵关数据席进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段聚莓、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密厝适用本授权书) 糙敝躐雠毒阿蔓 签字爨转炉多年争月铀 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 导烀签名 氢记一 签字基黧口。6 颦 是f 孑嚣 电话： 邮编： 致谢 恰同学少年，风华正茂；书生意气，挥斥方道。回酋在微电子所的三 年臻荣岁月，令人不禁感慨万千! 蔷先感谢我豹簿繇离鞠论教授粒薅母潘蓟宏老费，德们给了我醒酾灌 顶般的教诲和春风化雨般的关怀，一次又一次地给我点亮了前进的灯塔! 感谢我的论文指导教烬翅聪! 剃老师严谨缨致，求实务真鲍l 乍怒，漤l 溥的学谖，对我教箍匪浅! 感谢胡永华副教授、王锐老师，王晓蕾老师在论文碍作上给予的关心 粒蔫助! 感谢项目组成员陈巨、王学权、刘涛、王晓娟、王炜、刘宏、陈志明、 梁上泉、万超、瞿奖霞同学的鼎力支持! 永远惠不了我们在一起讨论模拟 奄路，攻凌矮鬟难怒懿霜予l 感谢邓红辉老师、尹勇生博士、杜高明博士、吴玲玲师姐、蒋召宇博 士平时对我的关心葶疆帮助： 感谢研究所工佟久员稀徽、贾靖肇、挂艳葵的支持! 感谢胡德俊、张俊、圣应山、孙牮波、郭摩、杨明、鲁斌、王科、营 镌、陈臣躅学，跟德翻在一起的封捩，我感受到兄弟般懿滋暖l 感谢微电子掰足球队的剃涛、李洋等所有队员，和你们一起在球场飞 奔的时候，我体会到了团队合作的力爨和风一般的洒脱和奔放! 藜澎我楚父鸯二卡多年浓懿莠鸯之愚蠢程论文写侮凝溺给予豁理缮 和支持! 最后，感谢所谢关心和帮助过我的老师、同学和朋发们! 郭舒生 2 0 0 6 年4 秀 1 1 模拟集成电路的发展 第一章绪论 1 1 1 模拟集成电路的功能 信息技术及其产业的迅速发展推动着当今社会进入到一个崭新的信息化时 代。微电子技术是信息技术的核心技术，模拟集成电路( i c ) 又是微电子技术 的核心技术之一，因而模拟集成电路成为信息时代的重要技术发展目标。模拟 集成电路主要实现对模拟信号的采集、放大、比较、变换等功能。早在1 9 8 6 年，美国加州大学的p a u l r g r a y 教授就提出了所谓的“鸡蛋模型”。该模型把它 们三者整体上视为一个鸡蛋，而把数字电路视为蛋黄，模拟电路视为蛋壳，a d 、 d a 电路视为蛋清，三者既不相同，又是统一的有机整体。现实世界中的各种 模拟信息经模拟集成电路采集、放大、变换等处理后，即可得到计算机或数字 电路处理所需的信号，从而实现人们需要的信息产品。显然，模拟集成电路是 模拟世界和数字化电子信息系统之间的桥梁。模拟集成电路包含了纯模拟信号 处理功能的电路和a d 混合信号处理功能的电路，其技术范围涉及数据转换器 ( 如a d 、d a 转换器等) 、线性和非线性放大器( 如运算放大器、射频放大器、 对数放大器、电压比较器、模拟乘法器等) 、电子开关和多路转换器、稳压电源 调节器( 如线性电压调节器、开关电源控制器等) 及其它仿真i c ( 如驱动器、 延迟线、传感器等) 。 模拟集成电路在处理模拟信号时，除功率输出级以外大多工作在小信号状 态，信号频率往往从直流延伸到高频，与数字电路处理信号时工作在开关状态 明显不同。再加上模拟集成电路品种繁多、功能复杂、性能差异巨大，因而模 拟集成电路在制作工艺、器件结构、电路架构等方面都有区别于数字电路的鲜 明特性，主要表现在：模拟集成电路在整个线性工作区内需具备良好的电流放 大特性、小电流特性、频率特性等；在设计中因技术特性的需要，常常考虑元 器件布局的对称结构和元器件参数的彼此匹配形式；由于工艺技术的限制，设 计时应尽量少用或不用电阻电容，特别是高阻值电阻和大容量电容；许多模拟 电路要求功率输出，因而电源电压较高：设计自动化程度低，c a d 工具和设计 参数库精度高，工艺专用性强，工艺线品种变换频繁，工艺控制难等等。总的 来说，模拟集成电路的核心技术主要涉及到高速技术、高频技术、低噪声技术、 高耐压技术、低功耗技术、大功率技术等。为满足种种技术要求，电路设计和 工艺加工必须良好配合。 1 1 。2 糗羧集残耄路不会滚亡 2 0 世纪8 0 年代初期，许多专家预计模j 薹c 集成电路即将消失。当时，数字 信号处理算法的功能日髓增强，而集成电路技术的进步又使遮热算法在硅片上 紧凑而村效。许多传统上用模拟电路实现的功能很容易在数字领域内完成，因 此鸯入攥测：如果集成魄照工艺上有足够的制造裁力，那么掰蠢信号的最终处 理_ | l 掰 羞援蘩字方式采突现，数字电路褥全瓣代替模援电路。熬焉在数字使浪 潮的冲漪下，也有入清醒她认识到模拟集成电路不会消亡。遮楚因为： 其一，数字化技术魑信息处理的种人为的数字编码技术，现实世界中需 要检测和控制的信息，如声、光、温度、压力等，都是连续蜜化的模拟信息。 数字控术不可能直接检测秘控制这些信息，必须透过模拟集成瞧路进行采集、 兹大、院较或交换等廷糕矮，君麓 ! 霉虱数字魄子系统辑翥豹铵惫，获瑟实褒数 字化电予产品。 其二，数字信息的无线传输，必须通过射频电路的处理才能完成信息的发 射和接收。 其三，任何数字电予系统都离不开电渊瓣控制和管理。遮魑采集、放大和 交换等壤路菝及袈菝电爨鬏遣源管理与控翻邀藏熬是模熬迄爨。 蠲纰，尽管数字化电予产品中的信息处理功能电路发生了变化，或数字电 子产晶中的信息处理系统结构发生了变化，假数字电子系统始终离不开模拟集 成电路，数字集成电路代豁不了仿真集成电路的功能。特别是模拟集成电路种 类繁多，备类模拟集成电踌也仍然在广泛地应用。倒如，最新藤世静一台数字 毫援稳孛藏寿余耱模羧祭袋电夔产鑫，攀攀数字晓毫予系绞中疫怒戆a d 转 换器就魑正在下大力气解决的模叛技术瓶颈。曩然，电子产懿的数字化，模拟 集成电路必不可少。 尽管许多类型的信号处理确实已经转移别数字领域。但是，现代许多复杂 的离性熊系统中的模拟电路从根本上已被诚明是必须的。下磷考虑几个应用， 在这些疲惩孛不警数字技术黧舞先遂，模撼纛鼹懿俦瘸都缀雉蔟至不可戆被穗 应功穗晌数字电路代替。 1 1 3 模拟集成电路的特点 模拟集成电路的特点如下； ( 1 ) 模拟电路设计涉及速度、功耗、磺豢、精度、电源魄愿等多静霞素遴 行辑袁，露数字窀路其甏鼗避行速凄、臻糕之闻斡辑衷。 ( 2 ) 模拟信号在处璁过程中要求速度、精度的同时，模拟电路对噪声、串 扰、其它干扰的响应比数字电路要敏感得多。 ( 3 ) 器件的= 级效应对模拟电路性能的影响比数字电路性能的影响要严重 2 得多。 ( 4 ) 掰性能模拟电路设计很少能通过自动综合完成，通常每一个组件都需 要手工设谤。与魏穗葳，许多数字魄薅蒸是叁葫综合帮毒爨瓣。 ( 5 ) 尽管模拟电路设计已经有了很大的发展，但模拟电路许多效应的建模 和仿真仍然存在难题，这迫使设计糟需要利用缀验和直觉采分析仿真结果。 ( 6 ) 魏代半导体工址熬一个重要豹妥标是翅测造数字产翕懿主流繁威逡路 工艺来设计模拟电路。这种主流工慧是为数字泡路开发的，具有数字电路的特 征，它不容易被模拟电路设计所利用，因此设计出高性能的模拟电路，需要开 发新颖的电路和结构。 1 1 4 模拭集成电路的工蕊技术 目前制造模拟集成电路的工艺技术主要包括双极型工艺、c m o s 工慧、砷 化镓工艺，最近开发蹬来鲍锗硅工藏更适用于制造射频集成毫路，两b i c m o s 工艺是双穰爱工艺稻c m o s 工艺耧结合，氍蔻制造b i p o l a r 器件又能利遣c m o s 器件，兼具二者的优点。但在工艺步骤增加的同时，成本自然也增加了。袭1 1 比较了前三种工艺的主要性能。 袭 一 实臻遴照模攫集成逛路戆工艺按零 工艺 速淡集成度功耗成本 双极型 快低大较高 c m o s瀛 低低 g a a s最侠低 大高 1 1 5 模拟集成电路发展方向 随着奄予工业的发耀，各行各渡慰集成电鼹的零求量越采越大，与魏羼时， 工艺技术静发震和设计水平静提高魄拓展了集成瞧路的痤用市场。总的来说， 今后模拟集成电路将朝潜高速，高精度，低电压，低功耗方向发展。由于工艺 技术的发展，稳定的模拟单元库逐渐建立，采用模拟单元麾设计不仅能减少设 诗蘧蘩，瑟艇能绦证设诗熬庚量。辩貘蔹末，激光修歪鼓拳豹发震受嵩精度器 件的制备创造了条件，短沟道器件的发展有利高速集成电路的发展，b i c m o s 工艺的发展使得模拟集成电路不仅在速度上有保证，而且为和数字电路集成在 一起戆裹瞧麓镑寞器磐开薅了蓊豹发疑空闻。逶露在一块芯片中，氍鸯数字毫 路，又有模锨单元，怒名副其实地将一个系统集成在一个不太于手指甲的芯片 上。 在数据转换器方嚣，8 1 4 位1 m h z 8 0 m h z 离速a d 技术已锻成熬。数 貉转换嚣怒模叛和数字混合信号怒疆电路，它的模毅电路部分占芯片蕊积的 5 0 毅上，其中不仅出现集成了多静功能的貘 萎l 集或电路，魏多路转换器、仪 表放大瓣、采保放大器等a d 转换器子系统，而且还将不断地把其它模拟集成 电路和释种数字电路，如d s p 、内存、c p u 、1 1 0 等集成在一起。数据转换器 应用广泛，如美国国家半导体公司推出的高性能低功耗a d 转换器可广泛应用 予数码篾每规、数码棰毫 、摄录一体纯砉氇、枫顶盒、电缆调铡鳋调器及c c d 输入系统。 在射频放大器方面，西前一般采用s i g e 双极技术，以满怒应用的高性能要 求。放大器主要应用于各种掌上型通信设备中，要求功耗低。a d i ( 模拟器件公 司) 的商性能放大器系列( 如a d 8 3 5 0 工作频率达到1 2 0 0 m h z ，在2 5 0 m h z 时 噪声系数为6 1 d b ，具有缀离斡动态范围、缀好的线性度和共缓掷铡) ，可有效 遗应麓予遁绩接羧穰稻教i l 圣毒毪、逶蠲增益液大系统、a d 缓冲器、葛速数据接 口驱动器等。a d i 还研制出在带宽、功耗、失真和驱动能力等综合水平很高的 放大器如a d 8 0 1 4 ，它是种超高速放大器，舆有4 0 0 m h z 的3 d b 带宽，4 0 0 0 v m s 的压摆率，2 4 纳秒的建立时间，具有极低的电压和电流噪声，失真也低，可用 于宽带傣母处理。 瓷龟殛镶节器方瑟，a d i 攘蠢魏菝羧穰l f 予系统a d 6 1 2 l 中集藏了电压溺 节器，它是一种动态范围缀宽的i f 放大器，是专门为c d m a ( 码分多址) 系 统应用设计的，可适用于2 9 4 2 v 的电池电源工作。m o t o r o l a 推出的电压调 节器系列，开关电流低，噪声低，静态电流极小，可在电源的额定电压下降o 2 v 以内郝可以调整，很适合漱池供电系统如蜂窝电话、无绳电话及长寿命电渣供 毫戆蹇雩簇羧鞠系统痤爰。 在圜内，也已经开发躜线性和非线性放大器、数据转换器、接口电路及电 压调节器镎各类模拟集成电路，8 1 2 位a i d 转换器已经实用化，但国内设计 的模拟集成电路在品种、数量、性能等方面都与国外有很大差距。 市场调套公司i c e 对燃器i c 市场发展憝势的统计表明，模撼集成电路懿 市场占| e 产瑟憩市场熬谂毅为：1 9 9 3 年占1 6 ( 1 c 慧泰繇为6 8 1 8 亿美元) ， 1 9 9 8 掣增加到1 7 。5 ( 模拟集成电路市场迭i 9 1 亿美元) ，到2 0 0 2 年仍将接邋 1 5 左右。可见，市场发展平稳，大大降低了生产厂家生产的不稳定性和风险 性。 模拟集成电路的主要成用领域是消费类曦予、通信、计算机、工业、汽车、 军事邀予系统。1 9 9 1 年，它钓分嗣占蒺羧集残魄臻豹枣场徐霰分爨为4 5 、1 4 、 1 8 、1 2 、8 和3 ，蕊德8 7 亿美元，1 9 9 6 年，随着通信的发展，其市场份 额有所调熬，市场份额分别为3 4 、2 1 、1 8 、1 5 、1 1 平口1 ，总市场值 为1 7 5 亿茨元。在新世纪，随着一些新的无线通信系统和视频殿用的发展，通 4 信领域静市场嫠额将继续扩大。 传感器技术是现代科技的前沿技术，是现代信息技术的三大支柱之一，其 水平简低是衡量一个国家科技发展水平的羹露标志之一。传感器产业也是国内 外公认的具有发展前途的高技术产业，它以其技术含量高、经济效益好、渗透 能力强、枣场翦景广等特点为毽人瞩曩。鬈霹传感器是露兹後耀广泛熬磁场伎 感器之一，它不仅可隘嗣予磁场测量，还胃嗣予电流、速瘦、稼霪、角度等耱瑾 量的测照，在精密测量、工业自动化以及家用电器等领域得到了广泛的应用。本 论文的研究工作主要面向穰耳传感器，并设计了一种应用在手机翻盖检测中的 开关型瓣耳传感器。 。2 霍嚣砖薅黎夔嚣理、发聚、应爱 1 2 1 霍耳效应 如图l - 1 所示，对位于磁场b 中的导体d 施加一个电流i ，该磁场的方向 垂直于所施加电流的方向。因为通电导体片中的载流子在磁场产生的洛仑兹力 静作耀下，分另向片予横离嚣侧偏转和穰聚，所默形成一个魄场，称终霍耳电 曩。黉嚣毫场产生蘸毫搦力黢洛仑兹力稳反，它隧礴载流予继续堆积，直爨霍 耳电场力和洛仑兹力相等。这时，片子两侧德立起一个稳定的电压，该电压既 与磁场灏直又和所施加电流方向垂直，称这个电压叫做霍耳电臌，产生这种现 象被称为霍耳效应，是由科学家爱德文霍蛘在1 8 7 9 年发现的。自半导体材料 闯世默米，采用半导体工装制 乍的霍耳器件凌磁场测定及菲魄蕊转换方嚣褥到 了广泛撼斑矮。震琴器馋戆翻造工艺疆对磁较篱擎并且与集戒积终翻造工艺鸯 很好的灏容性。 圈 一1 霍耳散废原理 1 2 2 鬣嚣俦感器 霍耳器件是一种磁转感器，霍耳器件以禚耳效应为其工作錾础，用它们可 以检测磁场及其变化，可税各种与磁场有关的场合中使用。霍耳器件可用多种 半导体材料制作，如g e 、s i 、i n s b 、g a a s 、i n a s 、i n a s p 以及多层半导体异质 结构量子阱材料等等。其中i n s b 材料所做的传感器灵敏度最高，但是温度特性 不好，g a a s 器件可以在温度和灵敏度之间折衷，s i 组件最便于集成。 霍耳元件分为：霍耳器件和霍耳集成电路两大类，前者是一个简单的霍耳 片，使用时常常需要将获得的霍耳电压进行放大。后者将霍耳片和它的信号处 理电路集成在同一个芯片上。按照霍耳器件的功能可将它们分为：线性霍耳器 件和开关霍耳器件。前者输出模拟量，后者输出数字量。 1 2 3 霍耳传感器的发展阶段 霍耳传感器的出现，解决了许多以往让人感到棘手的问题。它的发展大体 上经历了三个阶段。 第一阶段是从霍耳效应的发现到2 0 世纪4 0 年代前期。最初，由于金属材 料中的电子浓度很大，而霍耳效应十分微弱，所以没有引起人们的重视。这段 时期也有人利用霍耳效应制成磁场传感器，但实用价值不大。到了1 9 1 0 年有人 用金属铋制成霍耳元件，作为磁场传感器。但是，由于当时未找到更合适的材 料，研究处于停顿状态。2 0 世纪7 0 年代诞生的第一代霍耳传感器，但是由于 霍耳平面及运放的电压偏置误差，要达到预期的特性，其生产成本将是很高的， 传感器设计运用了各种模拟电路技术来降低生产成本。 第二阶段是从2 0 世纪4 0 年代中期半导体技术出现之后，随着半导体材料、 制造工艺和技术的应用，出现了各种半导体霍耳组件，特别是锗的采用推动了 霍耳组件的发展，相继出现了采用分立霍耳组件制造的各种磁场传感器、磁罗 盘、磁头、电流传感器、非接触开关、接近开关、位置、角度、速度、加速度 传感器、压力变换器、无刷直流电机以及各种函数发生器、运算器等，应用 十分广泛。2 0 世纪8 0 年代中期，出现了第二代霍耳传感器。虽然它在芯片探 测器上引用了有效的调谐技术消除了原来的电压偏移误差，但是，压敏效应产 生的新的电压偏移误差又成了难题。 第三阶段是自2 0 世纪6 0 年代开始，随着集成电路技术的发展，出现了将 霍耳半导体组件和相关的信号调节电路集成在起的霍耳传感器。进入2 0 世纪 8 0 年代，随着大规模超大规模集成电路和微机械加工技术的发展，霍耳组件 从平面向三维方向发展，出现了三维或四维固态霍耳传感器，实现了产品的系 列化、加工的批量化、体积的微型化。此外，2 0 世纪7 0 年代末，美国科学家 发现了量子霍耳效应并因此获得了1 9 8 5 年的诺贝尔物理学奖。最近，韩国科学 家报告了等离子霍耳传感器。c m o s 技术的发展，使霍耳传感器的发展进入了 一个新的阶段。虽然采用动态斩波器与四重开关稳定性处理的方法，可减小电 压偏置与漂移，但却会使成本大大提高。直到c m o s 制造水平可将众多逻辑门、 开关和其它有效元器件集成到一块芯片上，霍耳传感器才变得经济实用了。 1 2 4 霍耳传感器的研究方向 随着c m o s 技术的不断发展，出现了具有成本低、质量好、性能可靠、体 积小等多种优点的霍耳传感器。可以说，正是c m o s 技术的发展极大地推动了 霍耳传感器行业的发展。近年来霍耳器件的研究主要集中在以下几个方面： ( 1 ) 利用化合物半导体的异质构造以提高传感器的灵敏度和降低温漂； ( 2 ) 利用多电极构造输出并求平均的办法以减小零漂电压： ( 3 ) 利用s o i ( s i l i c o no ni n s u l a t o r ) 硅片消除电流泄露通道以提高传感器 的工作温度； ( 4 ) 利用表面与纵向杂质扩散相结合的工艺或m e m s 工艺研制三维磁场 敏感器件。 普通霍耳器件通常是通过向半导体扩散或注入磷、硼或砷等杂质制作的， 其灵敏度取决于半导体和杂质的种类以及器件的几何尺寸等因素。另外，当它 工作时电子和空穴共同参与导电，因此称为双极型器件。 与普通霍耳器件构造不同，1 9 6 6 年r c g a l l a g h e r 提出了m o s 霍耳器件的 概念。m o s 霍耳器件实际上是一种带有两个霍耳电压输出端子的m o s 晶体管， 对增强型器件而言当它的栅极电压v g 为高电平时可作为霍耳器件使用，当v g 为低电平时它的端子间呈高阻状态，无霍耳电压输出。理论上m o s f e t 仅有电 子或仅有空穴参与导电，因此m o s 霍耳器件是一种单极型器件。另外，m o s 霍耳器件导通时的导电层即为m o s 管的耗尽层，其厚度d 约1 0 n m ，这比普通 霍耳器件的导电层薄得多。由于霍耳电压u h = r h b i d ，即u h 与导电层的厚度 d 成反比，因此m o s 霍耳器件可望有较高的灵敏度。利用硅工艺制作的耗尽 型m o s 霍耳器件的灵敏度可达1 0 0 0 v a t ，这比普通硅m o s 霍耳器件的灵敏 度要大得多，但由于耗尽型m o s 霍耳器件的制造工艺较复杂，这种器件在实 际中应用不多。 第二章霍耳传感器的特性和应用 2 _ 1 霍耳传感器的物理结构，基本特性及优化 2 1 1 霍耳传感器的物理结构 图2 1 四臂等长十字架形霍耳器件 四臂等长十字架形霍耳器件如图2 1 所示，可以被看作个电阻再扩 展两个另外的垂直节点来测量霍耳电压。集成霍耳器件的截面图如图2 2 所示。霍耳盘通常是在硅衬底和外延层上用一个浅掺杂区域来实现的。为 了减小散粒噪声，用导电的顶盘来覆盖有源区域。通常有两种得到顶盘的 途径： ( 1 ) 节隔离，使用另外的高掺杂扩散区或者绝缘体隔离。 ( 2 ) 使用多晶硅或金属层，适当的偏压可以建立有源区的结隔离，引起深 度调制和非线性。 图2 - 2 三明治结构霍耳器件a a 截面图 当霍耳传感器被偏置在电流i b ，霍耳电压v h 等于： v h2 紫c 枷 q 川。t 使用的名称和符号如下表2 - 1 所示： 表2 1 霍耳器件基本参数 q 基本电荷 u q 载流子迁移率 n q 掺杂浓度 t 霍耳器件的厚度 l 霍耳器件的长度 w 霍耳器件的宽度 b 磁场强度 r h 霍耳常量 i b 偏置电流 g 几何因子f 1 0 ) 2 1 2 霍耳盘的基本特性 霍耳盘的基本特性包括：输入电阻r ，电流相关敏感度s i ，电压相关 敏感度s u ：此 肛赤q 4 t n w j 。 c 枷 。tl。 一 7 s u = 百1 面0 u e , ( 式2 3 ) b 砌 s j ：当掣 ( 式2 4 ) ba i 、。 7 电流相关的灵敏度被定义为： v h = s i i b( 式2 5 ) s i = 旦t 熹生t 士 c 枷 q n q n 7 r 。被称为方块电阻，代表传感器材料表面的方块电阻，在c m o s 工艺 中的涉及的参数中被经常用到。在式2 7 中，其中代表迁移率，迁移率 代表电场强度对电荷运动程度的影响，它取决于半导体材料和掺杂浓度。 r ! = 上q t n 三t ( 式2 7 ) ! 。代表霍耳迁移率，电流相关的灵敏腹为s i ： s i = g 鳓r l ( 式2 8 ) 鳓= r h 牟 t 式2 ，9 ) 当传感器输入电隰为r 时并且n 。表示方块电阻的数目，电压相关的敏 感威被定义如下： v h = s u u b( 式2 1 0 ) 荠且 s u _ s i r = 鲰雨g ( 式2 1 1 ) 从式2 1 1 可知，在偏最电压确定的条件下，迁移率对于露耳器件效率 辩整娶瞧。 薄耱敏感牲定义可叛通道式2 ，1 2 稳蔓转换： r ：i s u( 式2 12 ) s i 、 2 1 3 霍耳传感器的优化： 2 。1 。3 。 霍珲俦惑器影获臻伍 ( 1 ) 矩形传感器 图2 3 矩形檐感器 艇影黉感器豢煮硷溺节患，己，w 分澍代表霍霉黄感器黟长稻宽，该 霍耳擞的输入电阻为： 吣缸 ( 旭l3 ) 为了减小r f n 来提商电压相关的磁场敏感性，l w 的比率应该被减小。 艳 所以帮有梭测节点的短的传感器( l w 1 ) ，几僻因子g 如下所示 g 瓠7 。z 静静z s - s ：s ，制 ( 式2 1 4 ) 战为鬈霉角，等予： 岛= t 强。( 鳓b )试2 1 5 ) 在低磁场下，等于0 ，原先煦方程可以籍化为： 眙o 7 4 2 蓄 ( 式2 1 6 ) 可以计算出电压相关的灵敏度为： s u 娟孚脚兰4 2 盹( 式2 1 7 ) 在浅掺杂型n 型硅材料中迁移率1 h = 1 7 0 0 c m v s ，最大的电骶相关灵敏 发为1 2 6 v t 。在c m o s 工艺的n 辩中，当掺杂浓度为4 4 1 0 1 6 c m 3 时， u h 减小到1 2 0 0 c m v s 。电援提关鸵灵敏度被减小至l8 + 9 v t 。 ( 2 ) 十字形鼓霍辱传感器 为了与旋转电流法相兼容，传感器状态应该在偏援条件发生变化时保 持不交。霸臂等长酌十字浆型结构被鞠来作为两相或者四捆旋转电流法时 暴用的霍耳元传。l 对应十字譬豹长度瑟w 对应其宽疫。卡字彭霍耳器 孛 具有良好的几何因子并且对工艺上的误差有良好的承受性。 图2 - 4 四臂等长的十字架型的檬耳传感器 对予卡字架鼙静鬟耳传感器，凡侮菡予为g ，在精度离予o 5 ，当 w 2 l u p n ( x ) 可以获褥： k l ( t 一4 k 2 ( d o u ( x ) ) ) = i d x ( 式2 2 5 ) 基于m o s f e t 静p n 绐效应： 图2 - 6 霍耳阱耗尽区的厚度分布 辱度色援嚣部分，p 掺杂秘n 掺杂区域。圭予这部分魏发镳效应，送 入了霍耳阱。 k l ( t _ k ：辱而丽) d u ”i i d x ( 式2 2 6 ) t 一 l = 素羹， 3 t ( u h - u i ) 艺 删h ) k 2 ( 审嘲h ) + 2 p 啊。) 冰：司j 1 ) j 1 ( 式2 2 7 ) 鬣设n q = 1 0 1 6 。m 3 ，n q = i 0 1 5 c m 3 ，瑾谂窝翱爨可以稠互魄较。在圈2 - 6 中，r 可以由式2 2 6 除以( u h u 1 ) 获得。 餐耳器传戆彷_ 襄模型谢缢壶警于令电缀两络秘成，魄流搂麓宙西个电 1 4 阻嬲络组成，螽 舜藏瑟文氏桥。每个电黻放置在两节点熬对角线之阍。为 了减小计算时间，电流计算方程应该被简化： 假设：i d x 叫l - d i 和u h u 1 = ud n ，因此，式2 2 5 可以改筠为： k l ( t 一_ 、k 2 ( c p + u ) ) d u ”= 1 d l ( 式2 2 8 ) 等叫u p n ) 2 丽丽1 ( 式2 2 9 ) 式2 2 8 泰勒震开劐麓二除豢有拉格麓露三除余项的为： 郸2 砉素裂e u ，删。 ( 式2 ，3 0 ) 裟( u 矿蠛慨盼u p n 】 ( 式2 3 1 ) = r ( u ，) 。i i i ：7 i i i l 蚕：丽+ 2 k l ( t - x l k 1 2 1 ( i q i ，- l u ( x ) ) )