集成霍尔传感器的发展_白韶红

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1、集成霍尔传感器的发展白韶红集成霍尔传感器的发展DevelopmentofIntegratedHallTransducer白韶红(北京市城市建设工程研究院,北京100029)摘要首先总结了100多年来霍尔效应应用的三个阶段,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,最后论及到当前新型的量子、等离子霍尔传感器。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AbstractFirstly,thethreephasesofapplicationofHalleffectin100yearsaresummarized.Then,thep

2、rinciple,structure,featureandapplicationofvariousin-tegratedHallelementsandHalltransducersareintroduced.Finally,thelatestnewquantumandplasmaHalltransducersareexpounded.ThedevelopingtrendandfeaturesofHalltransducersarealsosummarized.KeywordsHalltransducerIntegratedtransducerHalleffectDevelopingt

3、rend1概述2各种集成霍尔元件100多年来,霍尔效应的应用经历了三个阶段:2.1霍尔效应简述第一阶段是从霍尔效应的发现到20世纪40年代如图1所示,如果将一块载流导电板放入垂直于前期。最初,由于金属材料中的电子浓度很大,而霍尔它的磁场中,当有电流通过导电板时,将在它的上、下效应十分微弱,所以没有引起人们的重视。这段时期两侧产生一个电位差。实验发现,在磁场不太强的情也有人利用霍尔效应制成磁场传感器,但实用价值不况下,该电位差VH与电流强渡I和磁感应B成正比,大,到了1910年有人用金属铋制成霍尔元件,作为磁与导电板的厚度d成反比,即场传感器。但是,由于当时未找到更合适的材料,研究VH

4、=k(I·B/d)处于停顿状态。式中:VH为霍尔电势或电压;k为霍尔(灵敏度)系数,第二阶段是从20世纪40年代中期半导体技术出V/AT。霍尔电势形成的机理是,带电粒子在磁场中现之后,随着半导体材料、制造工艺和技术的应用,出运动时,将受到洛伦兹力的作用,使带电粒子发生偏现了各种半导体霍尔元件,特别是锗的采用推动了霍转,产生一个垂直于其运动方向的电动势,即霍尔电尔元件的发展,相继出现了采用分立霍尔元件制造的势。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2

5、0世纪60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调节电路集成在一起的霍尔传感器。进入20世纪80年代,随着大规模超大规模集成电路和微机械加工图1霍尔效应原理技术的进展,霍尔元件从平面向三维方向发展,出现了三端口或四端口固态霍尔传感器,实现了产品的系列2.2双极平行元件化、加工的批量化、体积的微型化。此外,20世纪70图2是采用标准双极(bipolar)工艺制成的霍尔元年代末,美国科学家发现了量子霍尔效应并因此获得件,由于电流在外延层内平行于芯片表面流动,因此又了1985年的诺贝尔物理学奖。最近,韩国科学家报告称为平行霍尔元件。它在p型硅芯片上分别外延生长

6、[1～3]了等离子霍尔传感器。出平行于芯片表面的2个n型电流电极和霍尔电极,1《自动化仪表》第24卷第3期2003年3月沟道内的霍尔迁移率比体型霍尔元件低,但因元件厚度在0.1nm以内,因此可获得1000V/AT的灵敏度。图2双极平行霍尔效应元件芯片垂直于磁场B。当外延层内的主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,外延层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。采用双极工艺还可以制成垂直霍尔(VH)元件,但图4沟道型垂直霍尔元件其产生霍尔电压的电流路径长度受到约10μm厚外延层的限制

7、,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l(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,又研制了扩散型(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47V/AT,与CMOS元件比较,VH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5MOS垂直霍尔元件2.4CMOS垂直元件图6是