一种多维集成垂直霍尔器件的研制

一种多维集成垂直霍尔器件的研制

1磁敏角度传感器角度和角度位移传感器是应用于仪表测量、工业自动化、信号检测、航空航天航天等领域的重要传感器。根据对半磁敏角度传感器的研究现状，其工作原则主要分为三类。1)一维型:即只对垂直于芯片表面的磁场分量Bz敏感.当被测物发生移动、转动时,永久磁铁的磁场在磁敏器件表面上的垂直分量Bz发生变化.于是磁敏器件输出的电信号相应地变化,从而得到被测物的角位移量.这类磁敏角度传感器的主要代表有两种:一是电阻型(主要是InSb-NiSb半导体磁阻元件)磁敏传感器.这类角度传感器灵敏度较高,但温度性能较差、制作工艺较复杂,而且与标准的集成电路工艺不太相容,难以实现传感器的集成化、功能化.二是霍尔板型角度传感器,如国产的HJC231W,其特点是:零磁场输出电压与灵敏度可以通过外电路来调节,线性误差小.但这一类角度传感器主要缺点是不能实现0°~360°范围的角度测量,体积大、功耗大.2)二维型:即对平行于芯片表面的磁场两个分量Bx,By敏感.这类磁敏角度传感器的主要代表有集成磁罗盘(包含两个垂直霍尔板单元)、二维磁敏晶体管角度传感器(包含二维的集成横向P-N-P磁敏晶体管单元结构)等.3)三维型:它试图测量空间任意一点磁场的三维磁矢分量.这一类半导体磁敏角度传感器的主要代表有3D磁敏晶体管结构、3D垂直霍尔板与平行霍尔板组合结构、3D微机械霍尔磁场敏感器结构等.以上半导体磁敏角度传感器种类虽多,但其中大多数尚未进入实用阶段.为了实现磁场矢量角度测量,需要一种敏感区域小、温漂小、失调小且能与标准集成电路工艺兼容的两维磁敏传感器.这种高性能传感器是无触点的无损检测,在目前仍然是国内外研究开发的热点,也是本文的研究目标.2垂直霍姆板结构的磁敏传感器件参数的确定图1(a)是平行霍尔板传感器的示意图,它只对磁场分量Bz敏感.两侧的电流节点输入恒定电流,在垂直于测量表面的磁场作用下,从一对霍尔节点间输出一定的霍尔电压.可见这种结构的4个节点都在表面上.而另一种垂直型霍尔板结构则如图1(b)所示,两个霍尔输出节点和一个电流输入节点进入了器件内部,只有一个电流节点在表面,这样显然是不利于集成的.解决的方法如图1(c)所示,左侧是垂直霍尔板结构的示意图,我们可以把垂直霍尔板想象成是由一种可延展的材料构成的,通过延展变形使得霍尔电压输出节点逐步向表面方向延伸,如图1(c)右侧所示.最后使得垂直霍尔板的3个节点延伸达到了表面,如图1(d)所示,于是就可以用集成电路平面工艺来实现.下面讨论垂直霍尔板结构的磁敏传感器件的磁场灵敏度是否受到图形变化的影响.在两个霍尔节点S1和S2之间之间产生的霍尔电压输出在忽略短路效应时,可以认为是霍尔电场沿着S1、S2的线积分.VH=∫S2S1EHdl(1)其中EH是霍尔场强,由霍尔系数RH、电流密度J和磁感应强度B确定.EH=RHJ×B(2)在不考虑失调的情况下,可以认为S1是磁场为零的地方,积分路线沿等电力线轨迹,则式(2)可以改为:EH=RHJBdldl(3)而电流密度又垂直于等电力线和磁感应强度方向,所以式(3)可以改写为:VH=RHB1t∫S2S1Jtdl(4)其中t为霍尔板厚度,而且可进一步变为:VH=RHBIt−1(5)电流I由所加电压与霍尔板电阻确定,所以这种霍尔板的变形不会引起灵敏度的变化.实际设计的垂直霍尔板结构如图2(a)和图2(b)所示.这是一个由垂直霍尔板构成的两维角度传感器版图的俯视图和截面图.图中SL和SR是一对霍尔电压输出节点,CC、CS是一对电流输入节点.其中CS是由图1(d)垂直霍尔板结构的另一个电流节点演变而来.这种结构并不是图1(d)中的半圆形垂直霍尔板结构,但实验结果证明能起到同样的效果.R节点提供P阱的反偏电压,使得P阱与衬底隔离,成为独立的垂直霍尔板,减少了衬底电流,提高了磁场相对灵敏度.3器件表面元素芯片尺寸为1.40mm×1.40mm,磁场敏感区面积为150μm×150μm,采用一种改进的CMOS工艺制造,采用3~5Ω·cm(100)N型硅片,n型衬底浓度N=1015cm-3,深扩散的P阱包围在有效的垂直交叉的两对霍尔板四周,P型阱的深度(Xjp)达12μm,N+扩散区的深度(Xjn)为1.5μm.可以认为垂直霍尔板的实际有限厚度(t)约为12μm.器件的表面还添加了p扩散区,这样一来可迫使从N扩散区发出的大多数电子垂直向下流动,以提高磁场灵敏度.此外,器件的表面上方覆盖着一层薄的氧化层,其上又有一层铝金属层,这是为了与常规CMOS工艺相兼容,以减少表面电荷.两维垂直霍尔板角度传感器件(HS-MH01)采用T0-8小八脚封装.与被测转角α的物件轴向相固连的径向永久磁铁在HS-MH01器件平面上方转动时,测量结果证实:它的两路输出电压VX与角度成正弦关系;VY与角度成余弦关系,如图3所示.HS-MH01的磁场灵敏度SX,SY=[VH(B)-VH(0)]/BI≥100V/AT.为了减少失调电压,封装采用了低应力的塑封工艺.输出的两路模拟信号经过数据采集并由A/D转换后进入PC机.根据需要同时设计了温度补偿、偏置及信号放大电路的印刷电路板