信息电子学前沿实验

信息电子学前沿实验/r/n片上传感（片上微型磁检测传感器性能表证）/r/n一/r/n、 实验目的/r/n了解雷尔效应器件的工作原理，了解片上微型霍尔磁检测传感器的设计方法，掌握利用通用设备自己动手组织测量环境测量霍尔器件基本性能参数的方法，通过思考分析深入了解片上微型霍尔磁检测传感器研究中的关键技术和创新点。/r/n二/r/n、 实验内容/r/n1/r/n、 利用通用设备自己动手组织测量环境测量水平霍尔器件的失调电压。/r/n2/r/n、 设计霍尔失调电压消除电路（电阻补偿法）。/r/n3/r/n、 利用通用设备自己动手组织测量环境测量不同电压（或电流）下不同磁感应强度下的霍尔电压并用图表表示。/r/n三/r/n、 基本原理/r/n用来实现磁传感器的原理非常多,有霍尔效应、磁敏二极管、磁敏三极管、磁阻效应、各向异性磁阻效应、巨磁电阻效应、核进动、超导量子干涉器等。/r/n虽然霍尔效应磁传感器覆盖的磁场范围相对较小，但它的作用范围刚好和各种永磁材料的磁场范围吻合。霍尔效应磁传感器不仅可用于检测被测对象本身的磁场或磁特性，还可以通过在受检对象上人为设置的磁场，用这个磁场来作为被检测的信息的载体，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。目前全球每年数十亿美元的磁传感器市场中，霍尔效应磁传感器占据很大份额。霍尔效应磁传感器的最大优势是能与/r/nCMOS/r/n工艺无缝结合，相对其它磁传感器能以更低成本在单一芯片实现传感单元、信号调理、功率输出、数字化输出等各种功能的集成。在普通/r/nCMOS/r/n工艺下实现片上/r/n3D/r/n霍尔效应磁传感器能大大提高磁场测量精度和应用范围，微型/r/nCMOS3D/r/n霍尔磁传感器对磁传感器向高精度、微型化、智能化、低成本方向发展具有重要意义。/r/n（/r/n1）/r/n /r/nn/r/n型半寻体中的霍尔效应/r/n下图/r/n1/r/n为雷尔效应原理图，对于/r/nn/r/n型半导体材料，载流子为电子，在与磁场垂直的半导体薄片上沿图中/r/nL/r/n方向通以电流/r/nI,/r/n电子沿与电流相反的方向运动，由于洛仑兹力的作用，电子将向/r/nW/r/n的某一侧偏转并形成积累，而另一侧形成正电荷的积累，于是在器件/r/nW/r/n方向形成了电场。当电子所受的电场力与洛仑兹力相等时，电子的积累达到动态平衡。此时在/r/nW/r/n方向两侧端面之间建立的电场称/r/n为霍尔电场，相应的电势称为霍尔电势/r/nUh/r/n。/r/n图/r/n1/r/n霍尔效应原理图/r/nGRhB/r/n明=寸/r/n71/r/nL\iS2W/1l/r/n1-/r/nW./r/nUh/r/n为霍尔电势，单位/r/nV;/r/nG/r/n为霍尔片几何形状因子，无纲量；/r/nRh/r/n为霍尔系数，单位为/r/nm3/C;/r/nI/r/n为流过半导体材料的电流，单位为/r/nA/r/n或/r/nC/s;Bz/r/n为磁通密度，单位为/r/nT;d/r/n为半导体材料厚度，单位为/r/nmo/r/n对于水平霍尔器件/r/nG/r/n71/r/nL\iS2W/1l/r/n1-/r/nW./r/nG/r/n=1—/r/nexp/r/nS/r/n为霍尔接触点大小，/r/nL/r/n为半导体材料长度（电流方向），/r/nW/r/n为半导体材料/r/n宽度/r/n（霍尔电压方向）。/r/nRh=-^/r/nnq/r/nr/r/nn/r/n为霍尔散射因子，无纲量，依赖于半导体类型和温度。在低参杂时，/r/nn/r/n型硅的/r/nr/r/nn/r/n1.15/r/n,/r/n硅中雷尔效应的温度系数近似为/r/n-0.6%//r/n。（/r/n3/r/n。/r/nN/r/n为电子浓度，/r/nq/r/n为电子的电荷量。/r/n流过半导体材料的电流还和材料电阻/r/nR/r/n和提供该材料的最大电压有关/r/nVpowo/r/n1/r/n=咎/r/n，/r/nR= /r/n,〃为载流子迁移率，代入上式，得到霍尔电压的最大/r/nR qpndW/r/n可能值为/r/n［］:/r/nr/r/nn/r/nqnndWVpowBz/r/nrvD/r/n/r/nW/r/nU/r/nHinax=/r/n-G/r/n—7/r/n /r/n；/r/n /r/n=-Gr/r/nn/r/npV/r/npow/r/nB/r/nz/r/n—/r/nnqaL "L/r/n上述公式中影响雷尔电压的因素有：温度系数，几何因子，载流子浓度和迁/r/n移率，材料厚度，电流大小和磁通密度大小和与法线平面的角度等。除了上述因素还有由于雷尔接触点不对称、封装引起的压力、掩模未对准误差、参杂不均匀、晶面未对准等生产工艺过程中引起的霍尔失调和噪声/r/nL/r/n（2）/r/nCMOS/r/n水平霍尔酣/r/n基于/r/nCMOS/r/n工艺的水平霍尔器件物理结构图如下图/r/n2/r/n是所示，可以看到，器件中所用到的材料都是现行的/r/nIC/r/n工艺能够提供的，保证了器件用各神/r/nCMOS/r/n工艺实现的可/r/nfttto/r/n

/r/n(3)/r/n3D/r/n霍尔器件/r/n3D/r/n霍尔器件可以实现从亳特斯拉到几个特斯拉范围磁场的精确测量，在辅/r/n助磁场的配合下可以实现非接触式精确距离测量和精确的角度测量/r/n［/r/n］。/r/n3D/r/n霍尔传感器通常在同一块半导体材料上实现水平和多个垂直方向的传感单元/r/n［］,/r/n如下图/r/n3/r/n所示。也有一体化多电极/r/n3D/r/n霍尔器件/r/n［］/r/n,如下图/r/n4/r/n所示，还有采用/r/nMEMS/r/n工艺的/r/n3D/r/n霍尔传感器/r/n［］/r/n(图/r/n5)/r/n。/r/n图/r/n3/r/nCMOS3D/r/n霍尔器件 图/r/n4/r/n一体化硅/r/n3D/r/n霍尔器件/r/n图/r/n5/r/n采用/r/nMEMS/r/n工艺的神化镣/r/n3D/r/n霍尔器件/r/n四/r/n、仪器设备/r/n存储示波器：安捷伦/r/nDSOX3032A/r/n带宽/r/n350M,/r/n带/r/n200MHz/r/n差分探头。/r/n函数信号发生器：安捷伦/r/n3352/r/n1Ao/r/n精密万用表/r/n6/r/n位半：/r/nHPo/r/n精密电源：安捷伦/r/nE3632A/r/n。/r/n精密高斯计：/r/nLakeShore410/r/no/r/n亥姆霍兹线圈：定制/r/n各种钛铁硼永磁体/r/n五/r/n、 实验要求/r/n1/r/n） /r/n阅读并理解霍尔器件基本原理/r/n2/r/n） /r/n完成实验内容并记录数据/r/n3/r/n） /r/n完成实验报告（侧重分析）/r/n六/r/n、 思考分析/r/n1/r/n） /r/n研究霍尔失调消除方法（旋转电流法等）？/r/n2/r/n） /r/n分析霍尔器件失调产生的原因？/r/n3/r/n） /r/n尝试提出一种三维霍尔磁检测传感单元结构。/r/n4/r/n） /r/n尝试设计一个能提供磁场峰峰值/r/n0~20mT,/r/n频率从/r/n1Hz/r/n到/r/nIKHz/r/n连续变化的磁场源。/r/n5/r/n） /r/n假设给你几个线性输出的三维霍尔传感器（能线性输出/r/nx,y,z/r/n方向磁感应强度），和几块钗铁硼永磁体，试设计一个非接触式汽车油门踏板位置传感系统，试画出示意图并加以说明。/r/n[参考文献]/r/nAlbeitoBilotti,Gei'ardoMoni'eal,RaviVig,MonohtlucMagneticHallSensorUsnigDynammicQuadratureOffsetCancellation!J]IEEESolid-StateCircuit,1997:829-836./r/nZoranB.Randjelovic,MaherKayal,RadevojePopovic,andHubeitBlanchard,HighlySensitiveHallMagneticSensorMici'osysteminCMOSTeclinology[J]IEEESolid-StateCircuitJ,2002,Vol.37:151-159/r/nAlimedQasimi,ChristopheDolabdjian,DanielBloyet,andVincentMosser,Improvementoftheu-HallMagneticSensorSensitivityatLowFrequency,IEEESensorsJournal,Vol4‘February2004:160-166./r/nKun-LongChen,NanmingChenANewMethodforPowerCuirentMeasurementUsingaCorelessHallEffectCurrentTransformer,IEEETransactionsonInstmmentationandMeasurement,Vol60,No.1,Januaiy2011:158-169/r/nSheng-MingYang,Chien-LungHuang.AHallSensor-BasedThree-DimensionalDisplacementMeasurementSystemforMimatureMagneticallyLevitatedRotor,IEEESensorsJournal,Vol.9,No.12,Decembei'2009:1882-1878./r/nJean-BaptisteKammerer,LucHebrard,etc.HorizontalHallEffectSensorWitliHighMaximumAbsoluteSensitivity,IEEESensorsJournal,Vol.3,No.6,Decembei'2003:700-707./r/nHirose,Kaguhu'oHTanaka,Toshihn'oTakahashi,etc.ANew3-AxisMagneticFieldMeasurementSystemBasedonHallElements,IEEETransactionsonAppliedSupei'conductivity,Vol.14,No.2,June2004:1814-1823./r/nKonstantinDimitrov.3-DHallSiliconHallSensorforuseinmagnetic-basedNavigationSystemsforEndovascularInteiventions,Measurement40,2007,P816-822./r/nTakuyaSugimoto,KenjiSuzuki,HideoDohmeki.APositionDetectingMetliodUsingHallElementforDiscontinuousStatorPemianentMagnetLinearSynchronousMotor,InternationalConfei'enceonElectncalMachines/r/n・/r/nICEM2010,Rome./r/nNicolasPillet,MohsenAyachi,VincentFrick,etc.AcompletedevicededicatedtoECGsignalmeasurementwithintegrated3DHallsensorforsignalcorrection,IEEEICECS2010:227-230/r/nMichelDemieire,Eni'icoSchurig,Chi'istianSchott,Pierre-AndreBesse,RadivojeS.Popovic.Contactless360°absoluteangularCMOSmicrosystembasedonverticalHallsensorsSensorsandActuatoi'S,VolAl16,200439-44/r/nESchung,C.Schotv,P.-A.Besse,M.DennieiTe,RS.Popovic.0.2mTResidualoffsetofCMOSintegi'atedverticalHallsensors.SensorandActuators,VolAll0,98-104,2004./r/nSV.Lozanova,Ch.S.RoumeinnANovel2DMagnetometei'BasedonaParallel-FieldSiliconHallSensorPi'ocediaChemisty,Vol1,847-850,2009./r/nJonsPascal,LucHebrard,Jean-BaptisteKammerer,VincentFrick,jean-PhihppeBlonde.FirstVerticalHallDeviceinstandard0/r/n35luyi/r/nCMOStechnology.SensorsandActuators,VolA147,41-46,2008./r/nL.Sileo,MT.Todaro,V.Tasco,/r/nM.De/r/nVittorio,APassaseo.Fullyintegratedthree-axisHallmagneticsensorbasedonmicromachinedstructures.MicroelectronicEngineering,Vol87,1217-1219,2010./r/nCh.Schott,J.-MWaser,RSPopovic.Single-chip3-DsiliconHallsensorSensorsandActuators82(2000):167-173./r/nYueXuandHong-BinPan*,AilImprovedEquivalentSnnulationModelforCMOSIntegratedHallPlates,sensors,201111,6284-6296/r/nD.RPopovicS.Dimitnjevic,Tlii'ee-axisteslameterwitliintegratedhallprobe,IEEETrans.I