集成霍尔传感器的发展

集成霍尔传感器的发展白韶红集成霍尔传感器的发展ＤｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆＩｎｔｅｇｒａｔｅｄＨａｌｌＴｍｎｓｄｕｃｅｒ丁Ｐ２ＪＡ白稆住

（北京市城市建设工程研究院，北京１０００２９）

摘要白先总结ｒ１００多年来檬尔效啦应用的三个阶段，然后介绍各种集成霍尔元件、集成霍尔传感器的原理、结构、特性和应用，最后论殷到当前新型的链子、等离予霍尔传感器。对霍尔传感器的发展趋势和特点进行了总结。关键词霍尔传感器集成传感器霍尔效应发展动向Ａｌ劬韶ｔＦｉｒｓｔｌｖ，ｔｈｅｔｈｒｅｅｐｈａ∞ｓｏ『ａｐｇｌｉｃａｔｉｏｎｏｆＨａｌｌｅｆｆ州ｌｉｎ１００ｙｅａｒｓａｒｅｓｕｒｒ帅ａｎｚｅｄＴｈｅｎ，ｄｉｅｐｒｉｎｔｉｐｌｅ，ｓｔｚｕｃ．ｔｕｍ，ｆｅａｔｕｒｅａｎｄａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆｖ￥ｌｒ－

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１概述１００多年来，霍尔效应的应用经历ｒ三个阶段：第阶段是从霍尔效应的发现到２０世纪４０年代前期。最初，由于金属材料中的电子浓度很人，而霍尔效应十分微弱，所以没有引起人们的重视。这段时期也有人利用霍尔效应制成磁场传感器，但实用价值不犬，到ｒ１９ｌＯ年有人用金属铋制成霍尔元件，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。第＿＿阶段是从２０世纪４０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尔元件，特别是锗的采用推动丁霍尔元件的发展，相继出现ｒ采用分立霍尔元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、压力变送器、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。第三阶段是自２０世纪印年代开始，随着集成电路技术的发展，出现了将霍尔半导体元件和相关的信号凋节电路集成在一・起的霍尔传感器。进入２０世纪８０年代，随着犬规模超大规模集成电路和微机械加工技术的进展，霍尔元件从平面向三维方向发展，出现了三端口或四端门固态霍尔传感器，实现ｒ产品的系列化、加工的批量化、体积的微型化。此外，２０世纪７０年代末，美国科学家发现丁量子霍尔效应并因此获得ｒ１９８５年的诺贝尔物理学奖。最近，韩国科学家报告了等离子霍尔传感器ｕ。ｊ。２各种集成霉尔元件２．１霍尔效应简述如图１所示，如果将一块载流导电板放人垂直于它的磁场中，当有电流通过导电板时，将在它的上、下两侧产生一个电位差。实验发现，在磁场不太强的情况下，该电位差ｈ与电流强渡，和磁感应Ｂ成正比，与导电板的厚度ｄ成反比，即ｈ＝ｋ（，・Ｂ／ｄ）式中：ｈ为霍尔电势或电压；＆为霍尔（灵敏度）系数，Ｖ／ＡＴ。霍尔电势形成的机理是，带电粒子在磁场中运动时，将受到洛伦兹力的作用，使带电粒子发生偏

转，产生一个垂直于其运动方向的电动势，即霍尔电势。

图Ｉ霍尔效应原理２．２双极平行元件图２是采用标准双极（“ｐｏｌａｒ）工艺制成的霍尔元件．由于电流在外延层内平行于芯片表面流动，因此又称为平行霍尔元件。它在Ｐ型硅芯片上分别外延生长出乎行于芯片表面的２个１１型电流电极和霍尔电极，

１

　万方数据＜自动化仪表）第２４卷第３期２００３年３月图２双极平行霍尔效应元件芯片垂直ｊ’磁场Ｂ。当外延层内的末电流通过芯片表面时，它的灵敏度与垂直于它的磁场相关。同时．外延瞪的杂质浓度与厚度相关。这种霍尔元件的特点是灵敏度较高，一般为３００Ｖ／ＡＴ且与双极集成电路兼容，因此广泛用于霍尔集成电路中。采』ｆｌ双极工艺还可以制成垂直霍尔（ＶＨ）元件，但其产生霍尔电压的电流路径长度受到约１０ｔｓｍ厚外延层的限制，服从“短”霍尔元件规律，即几何效应不能忽略，因此该霍尔元件的灵敏度较低，它与元件的长度ｆ（外延层厚度）成正比，与电流路径ｂ成反比。为了提高灵敏度而减少电流路径，又研制ｒ扩散型（ＤＶＨ）和沟道型（ＴｖＨ）两种垂直霍尔元件。图３的ＤＶＨ元件具有扁电流路径，受ｎ型硅外延膜中Ｐ＋扩散层的限制，灵敏度为４７ＶＩＡｒ，与ＣＭＯＳ元件比较，ｈ较低。图４

的ＴＶＨ元件灵敏度较高，为缩短电流路径它的沟道围绕着电流路径定位、

图３扩散型垂直霍尔元件

沟道内的霍尔迁移率比体型霍尔元件低，但因元件厚度在０１ｎｍ以内，因此可获得１０００Ｖ／ＡＴ的灵敏

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图４沟道型垂直霍尔元件

Ｐ￡Ｈ图５ＭＯＳ垂直霍尔元件

２．４ＣＭＯＳ垂直元件图６是采用ＣＭＯＳ工艺制成的体型（ｂｕｌｋ）垂直霍尔元件，它将霍尔元件熔融（ｍｅｒｇｅｄ）到ｎ型硅芯片表面，包括存Ｐ型隔离环、２个ｎ型电流电极和２个ｎ型霍尔电压电极，磁场Ｂ垂直于芯片表面。这种传感器服从“长”霍尔元件规律，几何效应可忽略，电流从芯片表面流人芯片内部，灵敏度可达４５０Ｖ／ＡＴ。

２３Ｍ０ｓ垂直元件图６ｃＭｏＳ垂直霍尔元件图５是采用ＭＯＳ工艺制成的另一种垂直霍尔元２．５

ＪＦＥＴ垂直元件

件，它的薄ＭＯＳ沟道作为霍尔元件的激励区，虽然该在上述ＴｖＨ元件的基础上，增加离子反应刻蚀

２Ｈ∞汹ＡＵＴＯＭＡＴＩＯＮＩＮＳＴＲＵＭＥＮＴＡＴＩＯＮ，Ｖｅｌ．“，Ｎｏ．３，Ｍａｒ．．姗

至　万方数据集成霍尔传感器的发展白韶红（Ｒ／Ｅ）工艺，制成丁结型场效应管垂直霍尔元件，它的结构如图７所示。该霍尔元件的灵敏度与沟道电流相关，取决ｒ沟道的宽度。实验发现，该霍尔元件的绝对灵敏度（Ｖ／Ｔ）在阚值电流下保持恒定，当电流达到阈值时，切断Ｐ＋扩散与一ｎ＋阻挡层结，超过阈值的剩余电流通过Ｐ４扩散区，流出ｎ沟道，这种霍尔元件灵敏度可达１２４３Ｖ／Ａ。１“４０】。图７ＪＦＥＴ沟道型霍尔元件２．６非平板型霍尔元件图８ａ是ＺＲａｎｄｊｅＬｏｖｉｃ等人研制的一种非平板型霍尔元件的结构，它的ｎ型激励区，仍然被Ｐ型环围绕着，但它的底边与乎板型结构不同是打开的，工作电流加在２块夫ｎ＋型电极之间，霍尔电压产生于２块小ｎ＋电极之间。该元件的主要特点是：霍尔板的偏置激励电流进入芯片体内使激励区受Ｐ型环横向而不是垂直方向限制。因此，激励区的厚度与电流的深度（即激励区的有效厚度ｄ。ｔｌ－相关，所以它的灵敏度优于３３０Ｖ／ＡＴ。该霍尔元件与ＶＨ元件兼容，因此可将两个元件集成在起制成三维传感器。图８ｂ是非平板霍尔传感器的示意同．Ｐ型环电极的长度与ｄ赶及传感器的尺寸有关…。廓一℃图８非平板霍尔元件３各种集成霍尔传感器根据霍尔效应的基本公式，霍尔电势正比于电流和磁感应强度。当电流恒定时．霍尔电势正比于磁感应强度；如果改变磁场方向，霍尔电势的符号也随之改变。利用这些特性可以制成多种测量磁场夫小或方向的传感器，以及由此派生的角度、位置、位移等传感器。３．１三维ＶＩＩ磁场传感器ＶＨ传感器是最常见的磁场传感器，它的特点是将电极形成在芯片表面，对平行于芯片表面的磁场敏感，从不同的方向测量该磁场就形成ｒ不同坐标的传感器。图９是一维传感器，中心为输入电流电极１，两侧为２个１／２的输出电流电极，其余２个为电势电极。将２个一维传感器放在一起就构成ｒ图１０所示的二维传感器，通过芯片中心的输入电流电极为２１，４个输出电流电极１／２连接在一起。芯片的每一个分支上的敏感接点之间的电位差正比于ｚ．Ｙ方向上的磁场分量。采用这种传感器可以测量ｘ—Ｙ平面上磁场的大小与方向。图１１的三维磁场传感器实际上是由１个＿二维传感器和４块放在它的四角的霍尔板组成，以测量磁场的３个分量。这４块霍尔板对称放置、敏感接点并连，以此保证在元件的几何中心测量该磁场的ｘ，Ｙ及；三个分量”Ｊ。莎：蕊

图９一维磁场传感器图１０二维磁场

传感器

闰Ｉｌ一堆磁场传感嚣３．２单片硅指南针图１２是采用ＴＬＣ（ｔｒａｎｌｉｎｅａｒｃｉｒｃｕｉｔ）工艺制成的模拟集成霍尔指南针，它由２个ＶＨ元件和信号转换处理电路组成。为使ＴＩＥ输出的电流电平与霍尔元件相连，采用ｒ简单的电流镜像差动放大器。整个传感器包括２个霍尔元件、１９０个晶体管和４０个电阻。它们起调整ＴＬＣ的工作点、Ｖ／Ｉ的增益、霍尔元件的失调电压和灵敏度等作用。传感器的体积为２０ｎｍｌ×１１８ｍｍ×１０ｎｍｌ，在Ｂ＝０ＩＴ，日＝０。一３６００，电压为７～

１５Ｖ的条件下，磁场的方向误差仅为±２％【引。图１３ａ是最近由ＣｈＲｏｕｍｅｎｉｎ等人研制的一种三维矢量传感器的俯视图，它的加工完全采用ＩＣ工艺。这种传感器包括Ｃ１，ｃ２和ｃ３三个电流欧姆接点。霍尔端Ｔ－Ｈ】，｝１６和Ｈ２，Ｈ５分别正交耦合，随着信号Ｂ：增加，将抵消输出通道内Ｂ与占，的影响。该传感器的

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