（材料物理与化学专业论文）形状参数对mems霍尔器件性能影响研究.pdf

哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 形状参数对m e m s 霍尔器件性能影响研究 摘要 霍尔器件是目前应用最广的一种磁性传感器 霍尔传感器与驱动电路集 成是m e m s 技术的一个重要发展方向 霍尔器件的材料 形状 工艺和接 口电路等因素与灵敏度密切相关 本文通过研究影响霍尔效应的各种参数 确定提高m e m s 霍尔器件工作区 霍尔片 灵敏度的方法 采用a n s y s 软件 模拟分析 确定长方形与圆形霍尔片的结构尺寸与霍尔器件灵敏度的关系 得出灵敏度达到最佳的优化模型 通过对比两种形状霍尔片灵敏度 确定最 优的霍尔片模型 长方形霍尔片是选用率最高的霍尔片设计结构之一 本文采用a n s y s 软件对长0 6 m m 宽为0 4 m m 厚度为o 2 m m 的长方形霍尔片的工作状态进 行瞬态模拟 分析霍尔电压分布云图及霍尔电压与时间关系曲线 确定 a n s y s 软件建立模型及整个模拟过程符合本文研究的要求 保持长方形霍尔片的长与厚度不变 对宽度为0 3 0 m m 至0 4 0 m m 的霍 尔片进行了瞬态分析 在宽度为0 3 8 m m 时 霍尔电压达到最大值 到 o 4 0 m m 时迅速降低 宽度为o 4 0 m m 时 v n h z 值达到最大 确定最佳霍 尔片宽度为0 4 m m 最佳长宽比为1 5 保持最佳长宽比 对不同厚度长方形霍尔片模拟 结果表明 厚度为 0 0 2 m m 时 灵敏度达到晟佳 长度与厚度的比值为3 0 圆形霍尔片为对称性极高霍尔片结构的典型代表 其特殊的结构 使其 即使在9 0 度旋转的情况下 也可以保持对称性不变 并且输入 输出端电极 可以互换 本文在保持圆形霍尔片半径为o 3 5 m m 不变的基础上 对不同厚 度的霍尔片进行了工作状态的瞬态分析 确定厚度的增加使霍尔电压与灵敏 度降低 在厚度为o 0 2 m m 时 灵敏度达到最佳 得出圆形霍尔片的最佳尺 寸半径为o 3 5 m m 厚度为0 0 2 m m 对比两种形状霍尔片灵敏度 其灵敏度与厚度的变化趋势基本一致 且 在厚度为0 0 2 m m 时 灵敏度达到最佳 圆形霍尔片灵敏度明显比长方形霍 尔片的高 本文的研究结果对设计m e m s 霍尔器件有重要的理论参考价值 关键词霍尔器件 结构尺寸 瞬态分析 灵敏度 窒堡鎏矍三查兰三盖2 兰堡篓兰 s t u d y o nt h ee f f e c tf o r mp a r a m e t e r so i l m e m sh a l ld e v i c ep r o p e r t i e s 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 tu s e dm a g n e t i cs e n s o r sa tp r e s e n t t h e i n t e g r a t i o no fh a l ls e n s o ra n dd r i v i n gc i r c u i ti so n ei m p o r t a n tt r e n do ft h em e m s t e c h n i q u e h a l ld e v i c em a t e r i a l s h a p e p r o c e s sa n di n t e r f a c ec i r c u i ta n ds oo n i r e f a c t o r st h a ta r ec l o s e l yr e l a t i v et os e n s i t i v i t y t h ep a p e rm a k e ss u r et h em a n n e r s t oi n c r e a s et h es e n s i t i v i t yo fm e m sh a l ld e v i c ea c t i v ep a r t h a l lp l a t e t h r o u g h s t u d y i n gt h ee f f e c to fd i f f e r e n tk i n d so fp a r a m e t e r so nh a l l e f f e c t t h er e l a t i o no f b o t hr e c t a n g l ea n dr o u n dh a l ls t r u c t u r a ld i m e n s i o na n dh a l ld e v i c es e n s i t i v i t yi s c o n f i r m e dt h r o u g ht h eh a l l e f f e c ts i m u l a t i o nb ya n s y s t h e nc o m p a r i n g s e n s i t i v i t yo ft w ok i n d so fh a l lp l a t e ss h a p e t h eo p t i m i z a t i o nm o d e lt h a tc a r l a c h i e v eo p t i m a ls e n s i t i v i t yi sg a i n e d r e c t a n g l eh a l lp l a t ei so n eo ft h em o s tu s e dh a l lp l a t ed e s i g ns t r u c t u r e s t h e w o r k i n gs t a t eo fr e c t a n g l eh a l lp l a t ew h o s el e n g t h w i d t ha n dt h i c k n e s s a r e r e s p e c t i v e l y0 6 m m o 4 m ma n do 2 r a mi st r a n s i e n t l ys i m u l a t e du s i n ga n s y s b ya n a l y z i n g t h ec u r v eo ft h er e l a t i o nb e t w e e nh a l lv o l t a g ed i s t r i b u t i o n n e p h o g r a ma n dt i m e m o d e lf o r m a t i o na n da l l s t i m u l a t i o np r o c e s so ft h eh a l l p l a t eb ya n s y ss a t i s f i e dt h er e q u i r e m e n to ft h ep a p e rs t u d y i n g k e e p i n gt h el e n g t ha n ds i c k n e s so fr e c t a n g l eh a l lp l a t ei n v a r i a b l e h a l l p l a t ew h o s ew i d t hr a n g ei sf r o mo 3 0 m mt oo 4 0 m mi st r a n s i e n t l ys i m u l a t e d w h e nt h ew i d t hi so 3 8 m m h a l lv o l t a g ei sm a x i m i z i n g a n dt h e nd e c r e a s ea st h e w i d t hi so 4 0 r a m b u tt h ev a l u eo fv h zi sm a x i m i z i n ga tt h i st i m e o p t i m u m w i d t ho fh a l lp l a t ei so 4 0 m ma n do p t i m a la s p e c tr a t i o ni s1 5 k e e p i n gt h eo p t i m a la s p e c tr a t i o ni n v a r i a b l e d i f f e r e n tw i d eh a l lp l a t e i s t r a n s i e n t l ys i m u l a t e d t h er e s u l t ss h o wt h a tt h es e n s i t i v i t yi so p t i m u m w h e nt h e t h i c k n e s si s0 0 2 m m t h er a t i oo fl e n g t ht ot h i c k n e s si s3 0 c i r c u l a rh a l lp l a t ei sat y p i e a lr e p r e s e n t a t i o no fg r e a ts y m m e t r yh a l lp l a t e s t r u c t u r e s t h es p e c i a ls t r u c t u r em a k e si t ss y m m e t r yi n v a r i a b i l i t yu n d e rc o n d i t i o n i i 堕玺鎏翌三盔耋三兰堡圭兰竺堡圣 o fr e v o l v i n g9 0d e g r e e s a n dt h ee l e c t r o d e so fb o t hi n p u ta n do u t p u tc a n e x c h a n g e t h ew o r k i n gs t a t eo fd i f i e r e n tt h i c k n e s sh a l lp l a t ei ss t i m u l a t e do nt l l e b a s eo fk e e p i n gt h el e n g t ha n ds i c k n e s so fr e c t a n g l eh a l lp l a t ei n v a r i a b l e t h e r e s u l t sm a k es u r et h a tt h ei n c r e a s eo ft l l i c k n e s sr e d u c e st h ev a l u eo fh a l lv o l t a g e a n ds e n s i t i v i t y w h e nt h et h i c k n e s si s0 2 2 m m t h es e n s i t i v i t yi sm a x i m i z i n g o p t i m u m r a d i u so f h a l lp l a t ei so 3 5 m ma n dt h et h i c k n e s si so 0 2 r a m c o m p a r i n gs e n s i t i v i t yo ft w ok i n d ss h a p eh a l lp l a t e t h ec h a n g et r e n do f s e n s i t i v i t yi sa c c o r d i n gt ot h a to ft h i c k n e s s a n dw h e nt h et h i c k n e s si so 2 2 m m t h es e n s i t i v i t yo fb o t ho ft h e mi sm a x i m i z i n g t h es e n s i t i v i t yo fc i r c u l a rh a l l p l a t ei so b v i o u s l yh i g h e rt h a nt h a to fr e c t a n g l eh a l lp l a t e t h ec o n c l u s i o no ft h i s p a p e rp r o v i d e sa ni m p o r t a n tt h e o r e t i cg u i d a n c ef o rt h ed e s i g no ft h em e m sh a l l d e v i c e k e y w o r d s h a l ld e v i c e s t r u c t u r a ld i m e n s i o n t r a n s i e n ta n a l y s i s s e n s i t i v i t y 哈尔滨理工大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明 此处所提交的硕士学位论文 形状参数对m e m s 霍尔器件性能影 响研究 是本人在导师指导下 在哈尔滨理工大学攻读硕士学位期间独立进行研究工 作所取得的成果 据本人所知 论文中除已注明部分外不包含他人已发表或撰写过的 研究成果 对本文研究工作做出贡献的个人和集体 均己在文中以明确方式注明 本 声明的法律结果将完全由本人承担 作者签名 j 葛疑j 素 h n p z 年 月 7 月 哈尔滨理工大学硕士学位论文使用授权书 形状参数对m e m s 霍尔器件性能影晌研究 系本人在哈尔滨理工大学攻读硕士 学位期间在导师指导下完成的硕士学位论文 本论文的研究成果归哈尔滨理工大学所 有 本论文的研究内容不得以其它单位的名义发表 本人完全了解哈尔滨理工大学关 于保存 使用学位论文的规定 同意学校保留并向有关部门提交论文和电子版本 允 许论文被查阅和借阅 本人授权哈尔滨理工大学可以采用影印 缩印或其他复制手段 保存论文 可以公布论文的全部或部分内容 本学位论文属于 保密口 在年解密后适用授权书 不保密回 请在以上相应方框内打 作者签名 j 蓍 由青 日期 月 日 导师签名 4 延耋许日期 枷6 年3 月f 夕同 1 1 引言 第1 章绪论 近年传感器技术发展迅猛 其中一个重要方向是微电子机械系统 m i c r o e l e c t r o m e c h a n i c a ls y s t e m s m e m s m e m s 技术是多学科交叉的新兴领 域 融合微电子与精密机械加工技术 将传感器 信号处理电路 执行器集成 在同一个衬底上 构成单片系统 是实现 片上系统 的发展方向 m e m s 具 有成本低 微型化 可集成及应用前景广阔等特点 成为信息发展最快的领域 之一 脚 霍尔器件是目前应用最广的一种磁性传感器 霍尔传感器与驱动电路集成 是m e m s 技术的一个重要发展方向 目前采用微电子制造工艺 霍尔元件已发 展到薄膜化 硅集成化的阶段 为霍尔传感器与接口电路集成化奠定了良好的 基础 研究人员利用m e m s 技术将霍尔传感器和控制电路集成制成二维磁敏传 感器阵列o 并采用m e m s 技术在硅片表面制造具有矩形板状立体结构的硅磁 敏三极管 1 加基福尼亚工学院的t t h o m a s 嘲等人研究了将包括磁传感器等多 个传感器集成在一起的系统 j l p e r e z a p a r i c i o 1 等人对磁性材料进行建模和 模拟 随着微电子工艺及m e m s 加工技术的提高 多种传感器和电路的集成及 系统微型化已成为信息技术的发展目标 随之而来的器件性能 材料选取与结 构设计对灵敏度影响显得尤为重要 理论研究表明 灵敏度与霍尔器件的材 料 形状 工艺等因素密切相关 因此通过对m e m s 霍尔器件材料 工艺及 结构的仿真与设计 研究提高灵敏度的方法 可以减少研制成本 缩短研制周 期 并为磁性m e m s 器件 传感器 执行器及电路的集成 提供理论依据及设计 指导 1 2m e m s 器件及研究现状 1 2 1m e m s 的概念 m e m s 是指用微加工技术制作的包括微传感器 微执行器 微能源等微机 竺 二 图1 1多晶礴静电驱动马达 f i g 1d r i v i n gm o t o go f p o l y s i l i c o ns t a t i ce l e c t r i c i t y m e m s 特点可归纳为三个m 1 即微小型化 m i c r o m i n i a t u r e 多样化 m u l t i p l i c i t y 和微电子技术 m i c r o e e c 留o n i c s 1 微小型化 m i c r o m i n i a t t i r e 体积小 重量轻 精确性和可靠性高 微 机电系统的外形或操作尺寸一般是在毫米到微米的量级内 能够进入微小的空 间进行微操作和微定位 2 多样化 m u l t l p l i c i t y 多样化是m e m s 成功的关键 许多执行器不但可 以平行地被制造出来形成阵列 而且能合作完成单个执行器无法完成的任务 广泛地用于信息 汽车 宇航 国防和生物医学等领域 3 微电子技术 m i c r o e l e c t r o n i c s l 利用微电子技术使许多功能被有机集 成 极大地提高系统的信噪比 灵敏度 精度 并且可以省略复杂的接口电 路 智能化程度大大加强 i 2 基于m e m s 的重要性 美 欧 日等发达国家都高度重视发展m e m s 技 术 把m e m s 的研究列为影响未来世界的关键技术 并以较大的投入进行 m e m s 的研究与开发 以争夺2 l 世纪的高技术市场 在我国m e m s 的研究也逐 渐得到重视 国家自然科学基金委 国家科委等部门都先后确定m e m s 为重点 项目和重大项目 如投入3 0 0 0 多万的 9 7 3 集成微光机电系统研究等重大基础 研究项目等 并先后研制了静电 压电与电磁式微电机 微泵和微阀 压电与 形状记忆合金微夹钳 以及微操作系统模型等 在基础理论 微动力学 微运 动学 微摩擦学等 基础工艺 i c l i g a 和微机械加工等 以及基础材料等方 面也做了一定的工作 1 2 2m e m s 的典型器件和系统 m e m s 器件和系统具有体积小 重量轻 功耗低 机械电子合一等优点 因此在航空 航天 汽车 生物医学等诸多领域有着十分广阔的应用前景 目 前已有防撞气囊等成功的应用实例 m e m s 器件和系统种类繁多 下面是一些 典型的器件和系统 1 微传感器微传感器是微系统的重要组成部分 能测出力 力矩 加 速度 位移 流量 磁场 温度 浓度等物理量和化学量 现在微传感器己成 为最基本的电子元器件 且被广泛地应用在航空航天 生命科学 工业自动 化 环境保护 家用电器 汽车行业 农业等各个领域 微传感器正朝着集成 化和智能化的方向发展 2 微执行器微执行器是一种重要的执行机构 它的主要功能是实现力 包括扭力 和位移 包括线性位移和角位移 的输出 是微型机电系统的重要组 成部分 微执行器最常用的是微电机 另外 还有微阀 微泵 微开关 微打 印头 微扬声器 微谐振器等 3 微型机器人随着电子器件的不断缩小 组装时要求的精密度也在不 断增加 由微型机械组装的微型机器人大有用武之地 它们可以从事大型机器 人无法做的收集信息和智能操作等各项工作 4 微光机电系统最近几年 在m e m s 技术中发展起来了一支极具活力 的新技术系统 这就是微光机电系统 m i c m o p t o e l e c t r o m e c h a n i c a ls y s t e m s m o e m s 微光机电系统是m e m s 技术的一个重要的研究方向 它是由微光 学 微电子和微机械相结合而产生的一种新型微光学结构系统 5 微流体系统将微泵 微流量传感器与相关的处理电路和控制电路相 哈尔演理t 大学t 学硕卜学位论文 结合的微流体控制系统 由于有精确控制微量流体等特点 已经成为m e m s 研 究的热点之一 微流体系统主要包括流体操作 流量测量和控制三部分 1 3 霍尔器件及霍尔集成电路 1 3 1 磁传感器的种类 传感器广泛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 温度补偿电路等利用i c 技术制作在同一芯片上 实现同一传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 j n t 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 德文缩写 光刻一电镀一铸模 技术等方面有新的突破 m e m s 研究得到迅速发展 微机械加工技术在传统传感器领域渗透 实现了敏 感元件及传感器微型化 传感器种类繁多 按能量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 磁传感器是传感器一个重要 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 磁传感器种类很多 分类如图1 2 所示 图1 2 磁敏元器件分类 f i g 1 2c l a s s i f i c a t i o no f m a g n e t o 1 1 5 0 1 芝尘鎏 盔 耋竺 兰堡兰兰 1 3 2 霍尔元件的研究和发展 1 3 2 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 早期的霍 尔元件通常使用的材料有i n s b i n a s g a a s g e 等 表l l 给出这些半导体材 料的基本特性 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 c m a s 是另一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 表1 2 给 出了两种成熟的i n s b 和g a a s 霍尔元件产品的性能比较 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 t l 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 其电流的相关灵敏度高达 1 0 0 0 v a t 但是灵敏度的温度稳定性差 灵敏度温度系数为0 7 c 采用 g a a s a i g a a s 超晶格结构制作的霍尔元件克服了这一缺陷 灵敏度高达 1 2 0 0 v a t 的同时 温度系数为0 1 但这种霍尔元件的迁移率只有 5 0 0 0 e m z v s 表1 1 制作霍尔元件半导体材料性能 t a b l ei lc h a r a c t e r i s t i co f m a t e r l a l sf o rf a b r i c a t i n gh a l ld e v i c e 禁带宽度 e v 迁移率 c m 2 r 1 s 1 3 0 0 k 半导体材料 3 0 0 ko k 电子 空穴 i n s bo 1 7o 2 38 0 0 0 01 2 5 0 l n a s0 3 6o 4 2 3 3 0 0 0 4 6 0 g a a s1 4 21 5 28 5 0 0 4 0 0 s il 1 21 1 71 5 0 04 5 0 g co 6 607 43 9 0 01 9 0 0 哈尔滨理 大学t 学硕 学位论文 表i 2i n s b 和 3 a a s 霉尔元件性能比较 t a b l el 2c h a r a c t e d s t l ec o n t m s tb e t w e e nl n s ba n dg a a s 霉尔电压 m y 电流相关灵敏 产品名公司 材料 r 0 1t 卢l m a 内阻 竭 度温度系数 m i n m a x m i n l m a x o d h w 3 0 5 b a s a h i l n s b 1 3 4 2 5 6 2 4 05 5 0 1 8 t h s l l 9t o s h i b ag a a sl l2 84 5 99 0 0 o 0 6 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 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层 这些材 料的共同特点是 可用作敏感层的2 d e g 维电子气 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灵敏度高 不 等位电势低和温度稳定性好等特点 有些霍尔元件还具有很高的信噪比 1 3 2 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 非平面霍尔元件设计遵循三条原则 a 密度矢量与相应区域的磁场密度矢量正交 元件有源区必须可以访问的 即可以通过制作电极获得霍尔电压 c 磁场为零时 两霍尔电极取出的霍尔电压为零 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 1 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 其结构如图1 3 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1 3 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 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 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 这主要是因为元件有源区远离器件表面 哈尔滨理t 大学t 学母i 十学位论文 图1 3 乖直霍尔元件的截面圈 f 嘻1 3s e c t i o n a lv i e wf o rv e r t i c a lh a l ld e v i c e 2 柱状霍尔元件应用于环形磁场时 根据设计原则 需要使用柱状霍尔 元件 如图1 7 所示 其中图1 4c 的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 1 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 4 1 0 h 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磁场的检测 例如 用在高灵敏度电流传感 器 用于精确轮齿感应2 1 非接触式角度测量 长距离位置测量 文档磁扫 描等 a b c 图1 4 柱状霍尔元件 由垂直霍尔器件变换获得 a 垂直霍尔元件 变换c 柱状霍尔元件 f i g 1 4c o l u m n a rh a l ld e v i c e a c q u i r e m e n tf r o mt r a n s f o r m a t i o no f v e r t i c a lh a l ld e v i c e a v e r f i c 出h a l ld e v i c e t r a n s f o r m a t i o nc c o l u m n a rh a l ld e v i c e 哈尔滨理 大学t 学硕七学位论文 3 二维霍尔磁传感器如果在芯片上同时集成两个相互垂直的霍尔元件 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l 一5 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 温度波动 1 这类器件的角度测量精度通常都在0 1 度以上 近年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 1 在一个非常小的铁磁盘集中器 边缘的硅模型上放置四套h a l l 元件 其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 o 1 且磁滞现象 o 0 3 的现场 图i 5 高精度角度位置传感器 f i g 1 5h i g hp r e c i s i o na n g u l a tp o s i t i o ns e n s o r 4 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1 6 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 目前 该器件已有相应产品 用作三维t e s l a 计 共8 个电极 图中较黑的区域 垂直箭头代表输入电流 含箭头的曲线代 表电流密度曲线 电压计表示各磁场分量是如何获得的 哈尔滨理t 大学t 学硕十学位论文 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 因为是体器件 所以具有低噪声 高稳定性的优点 图1 6 三维霍尔磁传感器 f i g i 6t h r e e d i m e n s i o n a lh a l lm a g n e t i c9 朗l s o f 1 3 3 霍尔集成电路研究与进展 1 9 6 8 年b o s c h 提出将霍尔元件集成n s i 的双极型集成电路中 制成霍尔集 成电路 由此人们开始了霍尔集成电路的研究 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其他绝缘介质与其他的电子 器件隔开 1 图1 7 是运用双极型工艺制作的i c 霍尔元件的 n 型外延层 b p 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 2 覆盖 有时再沉积一层s i 3 n 4 外延层周围的p n 结起隔离作 用 p n 结处于反偏且其温度处于本征激发可忽略的范围内 霍尔元件能很好 的工作 p n 结对噪声有一定的贡献 高频时结电容也有影响 但通常霍尔集 成电路的工作频率并不高 因此结电容的影响可以忽略 图1 8 给出了几种在 霍尔i c 中常使用的霍尔元件及其电极的样式 图1 8a 是最早使用的形式 但 图1 8b 的电极短路效应比a 小 因此一般用b 图1 8c 和d 是具有9 0 度对 称特性的霍尔元件 c s 表示既可作输入也可作霍尔电极 1 洲 度通常在1 0 1 5 1 0 1 6 c m 3 之间 而在此浓度范围内 迁移率受杂质浓度影 集 于恒压 杂质浓 响很小 因此 霍尔元件有很好的一致性 使得霍尔集成电路的成品率很高 图1 1 l双极型矩形霍尔元件 f i g 1 1 1b i p o l a rt y p er e c t a n g l eh a l ld e v i c e 印口0 a b c d 图l 8 几种霍尔集成电路中的霍尔元件常见形状 a b 同为矩形霍尔元件 c d 对称特性霍尔元件 c 电极为输入电极 s 电极为霍尔电极 f i g 1 8s e v e r a lk i n d so f h a l ld e v i c es h a p e su s e di nh a l li c a b r e c t a n g l ef l a i ld e v i c e c d s y m m e t r i c a lh a l ld e v i c e ci si n p u te l e c t r o d e si sh a l le l e c t r o d e 采用杂质浓度为2 7 x i 0 1 5 c m 3 的外延层 对应的载流子迁移率为1 2 0 0 c m 2 v s 外延层厚度为1 2 1 a n 由此制得的霍尔元件 其电压相关灵敏度为0 0 7 v t 对应的温度系数为o 4 5 电流相关灵敏度为8 6 v a t 1 可见 与 i n s b i n a s 等半导体材料相比 s i 的灵敏度要低得多 s i 的温度性能比i n s b i n a s 要好得多 比g a a s 略有不如 但是在放大电路 温度补偿电路等周边电路 哈尔滨理t 大学t 学预十学位论史 的辅助下 s i 霍尔i c 可以获得比分立霍尔元件更高的灵敏度 更好的温度稳定 性 1 同时各种信号处理电路也使s i 霍尔i c 的功能更多 因此 霍尔集成电路 出现后 很快便得到广泛应用 目前仅在汽车的电子系统中 使用霍尔i c 就有 十几处 如点火开关 发动机速度检测 燃料喷射控制 底盘控制 门锁控制 等 在工业控制系统中则主要用于位置 角 转速 液流 电流等的测量 除了已非常成熟的双极型霍尔i c g l 应用c m o s 和b i c m o s 技术的霍尔产 品业已广泛使用 m o s 霍尔i c 的功耗更低 功能更强 1 霍尔i c 的种类较 多 按被检测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 用这个磁场作为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 按照霍尔i c 的功能可将它们分为 霍尔线性i c 和霍尔开关i c 前者输出模 拟量 后者输出数字量 前者的输出与磁场成正比 用于各种参量的测量 后 者的输出为高 低电平两种状态 常用于无刷电机和汽车点火装置中 霍尔线 性电路由霍尔元件 差分放大器和射极跟随器组成 这类电路有很高的灵敏度 和优良的线性度 适用于各种磁场检测 霍尔开关电路又称霍尔数字电路 由 稳压器 霍尔片 差分放大器 斯密特触发器和输出级组成 在外磁场的作用 下 当磁感应强度超过导通阀值b o p 时 霍尔电路输出管导通 输出低电平 之后b 再增加 仍保持导通态 若外加磁场的曰值降低到却时 输出管截止 输出高电平 此外 大功率的霍尔i c 的应用也非常广泛 它将功率驱动级和各种保护电 路集成到霍尔i c 中 使得器件具有很强的驱动能力 它们可直接驱动无刷电动 机 也常用在汽车中作开关器件 在实际使用中 经常将霍尔集成电路 有时 也用霍尔元件 与永磁体 软磁材料等封装在一起 组成适用于特定应用场合 的霍尔传感器组件 1 3 4 霍尔器件发展方向 放大有用磁信号 降低不等位电势和噪声影响 是提高器件精度的另一种 思路 最近提出的方法是在霍尔元件上溅射一层高磁导率的软磁薄膜 此方法 还使得霍尔元件对平行于霍尔元件的磁场敏感 其原理是在霍尔元件上溅射两 哈尔滨理t 大学t 学动 学位论文 块磁任膜 霍尔元件紧靠在开口下方 在外磁场作用下 磁性膜在开口的边沿 产生垂直于霍尔元件的强磁场 使得霍尔元件感应出很高的霍尔电压 通常先 将四片霍尔元件并联以消除不等位电势 之后溅射磁性膜 这样制作的器件 其灵敏度可以提高扣5 倍 从而器件精度也相应提高了扣5 倍 依据这一方法制 作的c m o s 霍尔集成电路 其绝对灵敏度s b 高达1 2 5 v t 而不等位磁场只有 0 1 5 n l t 为解决前面提到的压力 温度和老化等对霍尔i c 灵敏度的影响 最有希望 的方法是所渭自校准技术 它可以完全消除温度对霍尔i c 灵敏度的影响 这项 技术将一个性能稳定的磁激励器集成在器件黾 它产生一个标准磁场用于器件 校准 同时采用自校准差分放大电路实现校准 采用商稳定性的恒流源电路给 磁激励器校准线圈供电 可以使这一标准磁场受环境影响非常小 只有几个 p p m c 从而确保了自校准技术的有效性 为提高校准线圈的效率 单位电流 产生的磁场 需要减小线圈的尺寸 并且减小线圈到霍尔元件的垂直距离 这依赖于微电子工艺精度的提高 以及霍尔元件尺寸的减小 最早 校准线圈 的效率只有3 0 m t a 9 9 年达蛩j 1 5 0 m t a 由前面的介绍可以看出霍尔传感器的发展趋势是高灵敏度 高精度和高稳 定性 其发展受微电子技术水平影响最大 由具有二维电子气半导体材料结构 制作的霍尔元件具有很高的灵敏度 其中可由标准h e m t 和p h e m t 集成电路工 艺制作的霍尔元件最有发展前景 而随着g a a si c i 艺技术的成熟 制造生产 g a a s 霍尔集成电路将变得可行 而采用标准m e s f e t h e m t a r 和p h e m t 集成 电路工艺制作的g a a s 霍尔集成电路将可以达到更高灵敏度和稳定性 减小霍尔元件尺寸可以降低器件成本 而且在采用自对准技术的霍尔i c 中 霍尔元件微型化对线圈的效率至关重要 霍尔元件微型化往往需要采用特 殊制作工艺 也有赖于工艺精度的提高 纳米粒子的宏观隧道效应确立了微电子器件微型化的极限 纳米电子学 光电子学及磁学微电子器件的极限线宽 以硅集成电路而言 普遍认为是7 0 n n l 左右 目前国际上最窄线宽已为1 3 0 n m 在十年以内将达到极限 如果硅器 件做得更小 电子会隧穿通过绝缘层 造成电路短路 解决纳米电子电路的思 路目前可分为两类 一类是在光刻法制作的集成电路中利用双光子光束技术中 的量子纠缠态 有可能将器件的极限缩小至2 5 r i m 1 另一类是研制新材料取代 硅 采用蛋白质二极管 纳米碳管作引线和分子电线 新概念器件的形成 单 原子操纵是重要的方式 1 1 9 9 7 年 美国科学家成功地用单电子移动单电子 这种技术可用于研制速 哈尔滨理 大学t 学颂十学位论文 度和存储容量比现在提高上万倍的量子计算机 2 0 0 1 年7 月 荷兰研究人员制 造出在室温下能有效工作的单电子纳米碳管晶体管 这种晶体管以纳米碳管为 基础 依靠一个电子来决定 开 和 关 状态 由于它低耗能的特点 将成 为分子计算机的理想材料 在新世纪 超导量子相干器件 超微霍尔探测器和 超微磁场探测器将成为纳米电子学中器件的主角 1 4 本文研究意义和主要内容 目前采用微电子制造工艺 霍尔元件已发展到薄膜化 硅集成化的阶段 为霍尔传感器与接口电路集成化奠定了良好的基础 但随之而来的是器件性 能 材料选取 结构设计和优化以及接口电路微型化对灵敏度影响显得尤为重 要 理论研究表明 灵敏度与霍尔器件的材料 形状 工艺和接口电路等因素 密切相关 目前还未见对m e m s 霍尔器件灵敏度与材料 结构等影响因素进 行模拟仿真研究的报道 因此本课题研究具有重要意义 本文主要研究如下内容 1 利用霍尔效应原理 研究影响霍尔器件灵敏度的各种参数 确定提高 器件灵敏度的方法 2 利用a n s y s 软件研究长方形霍尔片的工作状态 确定模拟霍尔效应 原理的有效途径 为研究霍尔片形状及结构参数对灵敏度的影响提供依据 3 研究长方形霍尔片的长宽比及厚度与霍尔器件灵敏度关系 确定长方 形霍尔片达到最佳灵敏度的结构尺寸 4 研究圆形霍尔片厚度与霍尔器件灵敏度关系 确定圆形霍尔片达到最 佳灵敏度的结构尺寸 并对比两种形状霍尔片在相同厚度下的灵敏度 确定 m e m s 霍尔器件的最佳结构 略尔滨珲 大学t 学硕士学位论文 第2 章霍尔效应原理及其影响参数 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 这一现象称为霍尔效 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 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 图2 1 为霍尔效应原理图 霍尔元件是一长为境为w 厚度为 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 并外加磁场曰 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 产生电场助 该电场西称为霍尔电 场 稳态时助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 近似有 2 磊 b 2 1 式中p 为载流子电荷 卜一为载流子浓度 聊一散射因子 大于l 主要由半导体材料的能带结构和载流子散 射机制决定 定义此时霍尔元件中任意一处的电流和电场的夹角声为霍尔角 其大小为 t a n p a b 2 2 其中 为载流子的霍尔迁移率 a r n a 卢为迁移率 图2 l 中的所标 哈尔演坶t 大学t 学修卜