圆形霍尔板参数对mems霍尔器件性能影响探究

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1、圆形霍尔板参数对MEMS霍尔器件性能影响探究　　摘要利用ANSYS有限元分析软件对的工作状态进行计算，分析霍尔器件灵敏度与霍尔板（霍尔器件工件区域）结构尺寸关系，研究形状对器件灵敏度的影响。结果表明：圆形霍尔板灵敏度比矩形霍尔板的高，当圆形霍尔板的半径与厚度比值为20时，灵敏度最高。关键词灵敏度；有限元；圆形霍尔器件；器件结构中图分类号：TN382文献标识码：A文章编号：1671-7597（2013）14-0036-02微电子机械系统技术（MEMS，Micro-electromechanicalSystems

2、）融合微电子与精密机械加工技术，将信号处理电路、执行器、传感器集成于同一衬底，构成单片系统，发展方向是实现“片上系统”。集约了当今科学技术发展的许多尖端成果，成为发展最迅速的信息领域之一。以霍尔效应为基础设计的磁敏感元件为霍尔器件，是最广泛应用的磁传感器之一。据预测，今后几十年，改进其尚存缺陷为主要研究方向，从失调电压的减小、温度特性的优化、灵敏度的增强等方面展开。5采取微电子制作工艺，霍尔元件已出现硅集成化、薄膜化，为工作电路与霍尔传感器集成奠定基础。工作电路与霍尔传感器集成是MEMS技术一个重要发展趋势。

3、本文通过有限元分析软件计算霍尔器件正常工作状态，研究其结构尺寸及形状与灵敏度关系，确定最佳结构的霍尔器件，为MEMS霍尔器件（工作电路、传感器、及执行器集成）设计提供工艺指导及理论依据，从而使研制周期和成本降低。1模拟霍尔器件过程本文采用ANSYS有限元分析软件计算圆形硅霍尔器件正常工作状态，如图1所示。衡量霍尔器件性能的灵敏度为每特斯拉反应的霍尔电压值（即产生霍尔电压与磁场强度的比值）。通电线圈产生磁场为外加磁场，如图2所示。材料参数属性见表1。传统选用率最高的霍尔板设计结构是矩形霍尔板。实际应用中，一般将

4、其长度与宽度的比设为1.50至2.00。而小于1.50会增加霍尔器件的短路效应，即由霍尔效应产生的纵向电压水平方向被加载电压产生的电场干扰，随着其比值的降低干扰会随之增强。当其比值比2.00高时，水平方向上电极之间的电阻值会随之增大，从而使输入功耗增强，工作效率降低。矩形霍尔板灵敏度总的趋势是随着厚度的增加而减小。在厚度为0.02mm时，灵敏度达到最大值为0.12565。创建模型：高0.18mm、半径0.4mm的圆柱作为霍尔板，圆柱四周分别建立四个导电电极。空气为高度为3.45mm、直径1.4mm的圆柱，励磁

5、线圈为10个平行圆环。0.11mA电流加载于霍尔板左右两端，体密度为166A/mm3电流加载于励磁线圈中。计算结果如图3所示。在保持霍尔板半径不变的情况下，改变厚度，模拟的结果见表2。由图3可知，在圆形板上产生的霍尔电压在垂直方向是均匀分布的，表明水平方向加载的电流产生的场强几乎对圆形霍尔板的霍尔电压无干扰；相同加载条件下，上下产生一定电位差值，电位最小值与最大值基本处于同一水平上。由表2可知，在其他尺寸不变的情况下，随着霍尔板厚度的减少，VH/HZ（霍尔电压与磁场均值的比值）增大，即灵敏度增大，在厚度为0.

6、021mm时，灵敏度为0.14196达到最大。综上所述，在相同霍尔器件材料前提下，厚度越小，灵敏度越大（保持其他尺寸不变）。圆形霍尔板优选，制作MEMS霍尔器件时：首先确定圆形板的圆半径；其次通过灵敏度与结构尺寸的关系，确定霍尔器件的厚度，最终获取最佳灵敏度的霍尔器件。2结论5计算结果表明，霍尔板形状为影响的MEMS霍尔器件灵敏度主要因素，并且霍尔板半径与厚度比值对MEMS霍尔器件灵敏度影响也较为明显。制作MEMS霍尔器件时，首选形状为圆形霍尔板；当圆形霍尔板的半径与厚度比值（结构尺寸）约为20时，灵敏度达到

7、0.14198为最佳。参考文献[1]Tsao，Thomas.IntegratedMEMSsystemforturbulentboundarylayercontrol.InternationalConferenceonSolid-StateSensorsandActuators，Proceedings，v1，1997：315-318.[2]涂有瑞.半导体磁场传感器过去和未来[J].传感器世界，2003（7）：1-10.[3]Ch.S.Roumenin，D.NikolovandA.Ivanov.ANovelPar

8、allel-fieldHallSensorwithLowOffsetandTemperatureDriftBased2DIntegratedMagnetometer.SensorsandActuatorsA，2004（115）：303-307.[4]李德胜，张鹏飞，藤田博之.基于MEMS技术的微型磁性开关阵列[J].传感器技术，2000，19（3）：24-26.[5]E.Schurig，M.Demi