一種多維集成垂直霍爾器件的研制

一種多維集成垂直霍爾器件的研制

1磁敏角度傳感器角度和角度位移傳感器是應(yīng)用于儀表測量、工業(yè)自動化、信號檢測、航空航天航天等領(lǐng)域的重要傳感器。根據(jù)對半磁敏角度傳感器的研究現(xiàn)狀，其工作原則主要分為三類。1)一維型:即只對垂直于芯片表面的磁場分量Bz敏感.當(dāng)被測物發(fā)生移動、轉(zhuǎn)動時,永久磁鐵的磁場在磁敏器件表面上的垂直分量Bz發(fā)生變化.于是磁敏器件輸出的電信號相應(yīng)地變化,從而得到被測物的角位移量.這類磁敏角度傳感器的主要代表有兩種:一是電阻型(主要是InSb-NiSb半導(dǎo)體磁阻元件)磁敏傳感器.這類角度傳感器靈敏度較高,但溫度性能較差、制作工藝較復(fù)雜,而且與標(biāo)準(zhǔn)的集成電路工藝不太相容,難以實(shí)現(xiàn)傳感器的集成化、功能化.二是霍爾板型角度傳感器,如國產(chǎn)的HJC231W,其特點(diǎn)是:零磁場輸出電壓與靈敏度可以通過外電路來調(diào)節(jié),線性誤差小.但這一類角度傳感器主要缺點(diǎn)是不能實(shí)現(xiàn)0°~360°范圍的角度測量,體積大、功耗大.2)二維型:即對平行于芯片表面的磁場兩個分量Bx,By敏感.這類磁敏角度傳感器的主要代表有集成磁羅盤(包含兩個垂直霍爾板單元)、二維磁敏晶體管角度傳感器(包含二維的集成橫向P-N-P磁敏晶體管單元結(jié)構(gòu))等.3)三維型:它試圖測量空間任意一點(diǎn)磁場的三維磁矢分量.這一類半導(dǎo)體磁敏角度傳感器的主要代表有3D磁敏晶體管結(jié)構(gòu)、3D垂直霍爾板與平行霍爾板組合結(jié)構(gòu)、3D微機(jī)械霍爾磁場敏感器結(jié)構(gòu)等.以上半導(dǎo)體磁敏角度傳感器種類雖多,但其中大多數(shù)尚未進(jìn)入實(shí)用階段.為了實(shí)現(xiàn)磁場矢量角度測量,需要一種敏感區(qū)域小、溫漂小、失調(diào)小且能與標(biāo)準(zhǔn)集成電路工藝兼容的兩維磁敏傳感器.這種高性能傳感器是無觸點(diǎn)的無損檢測,在目前仍然是國內(nèi)外研究開發(fā)的熱點(diǎn),也是本文的研究目標(biāo).2垂直霍姆板結(jié)構(gòu)的磁敏傳感器件參數(shù)的確定圖1(a)是平行霍爾板傳感器的示意圖,它只對磁場分量Bz敏感.兩側(cè)的電流節(jié)點(diǎn)輸入恒定電流,在垂直于測量表面的磁場作用下,從一對霍爾節(jié)點(diǎn)間輸出一定的霍爾電壓.可見這種結(jié)構(gòu)的4個節(jié)點(diǎn)都在表面上.而另一種垂直型霍爾板結(jié)構(gòu)則如圖1(b)所示,兩個霍爾輸出節(jié)點(diǎn)和一個電流輸入節(jié)點(diǎn)進(jìn)入了器件內(nèi)部,只有一個電流節(jié)點(diǎn)在表面,這樣顯然是不利于集成的.解決的方法如圖1(c)所示,左側(cè)是垂直霍爾板結(jié)構(gòu)的示意圖,我們可以把垂直霍爾板想象成是由一種可延展的材料構(gòu)成的,通過延展變形使得霍爾電壓輸出節(jié)點(diǎn)逐步向表面方向延伸,如圖1(c)右側(cè)所示.最后使得垂直霍爾板的3個節(jié)點(diǎn)延伸達(dá)到了表面,如圖1(d)所示,于是就可以用集成電路平面工藝來實(shí)現(xiàn).下面討論垂直霍爾板結(jié)構(gòu)的磁敏傳感器件的磁場靈敏度是否受到圖形變化的影響.在兩個霍爾節(jié)點(diǎn)S1和S2之間之間產(chǎn)生的霍爾電壓輸出在忽略短路效應(yīng)時,可以認(rèn)為是霍爾電場沿著S1、S2的線積分.VH=∫S2S1EHdl(1)其中EH是霍爾場強(qiáng),由霍爾系數(shù)RH、電流密度J和磁感應(yīng)強(qiáng)度B確定.EH=RHJ×B(2)在不考慮失調(diào)的情況下,可以認(rèn)為S1是磁場為零的地方,積分路線沿等電力線軌跡,則式(2)可以改為:EH=RHJBdldl(3)而電流密度又垂直于等電力線和磁感應(yīng)強(qiáng)度方向,所以式(3)可以改寫為:VH=RHB1t∫S2S1Jtdl(4)其中t為霍爾板厚度,而且可進(jìn)一步變?yōu)?VH=RHBIt?1(5)電流I由所加電壓與霍爾板電阻確定,所以這種霍爾板的變形不會引起靈敏度的變化.實(shí)際設(shè)計(jì)的垂直霍爾板結(jié)構(gòu)如圖2(a)和圖2(b)所示.這是一個由垂直霍爾板構(gòu)成的兩維角度傳感器版圖的俯視圖和截面圖.圖中SL和SR是一對霍爾電壓輸出節(jié)點(diǎn),CC、CS是一對電流輸入節(jié)點(diǎn).其中CS是由圖1(d)垂直霍爾板結(jié)構(gòu)的另一個電流節(jié)點(diǎn)演變而來.這種結(jié)構(gòu)并不是圖1(d)中的半圓形垂直霍爾板結(jié)構(gòu),但實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明能起到同樣的效果.R節(jié)點(diǎn)提供P阱的反偏電壓,使得P阱與襯底隔離,成為獨(dú)立的垂直霍爾板,減少了襯底電流,提高了磁場相對靈敏度.3器件表面元素芯片尺寸為1.40mm×1.40mm,磁場敏感區(qū)面積為150μm×150μm,采用一種改進(jìn)的CMOS工藝制造,采用3~5Ω·cm(100)N型硅片,n型襯底濃度N=1015cm-3,深擴(kuò)散的P阱包圍在有效的垂直交叉的兩對霍爾板四周,P型阱的深度(Xjp)達(dá)12μm,N+擴(kuò)散區(qū)的深度(Xjn)為1.5μm.可以認(rèn)為垂直霍爾板的實(shí)際有限厚度(t)約為12μm.器件的表面還添加了p擴(kuò)散區(qū),這樣一來可迫使從N擴(kuò)散區(qū)發(fā)出的大多數(shù)電子垂直向下流動,以提高磁場靈敏度.此外,器件的表面上方覆蓋著一層薄的氧化層,其上又有一層鋁金屬層,這是為了與常規(guī)CMOS工藝相兼容,以減少表面電荷.兩維垂直霍爾板角度傳感器件(HS-MH01)采用T0-8小八腳封裝.與被測轉(zhuǎn)角α的物件軸向相固連的徑向永久磁鐵在HS-MH01器件平面上方轉(zhuǎn)動時,測量結(jié)果證實(shí):它的兩路輸出電壓VX與角度成正弦關(guān)系;VY與角度成余弦關(guān)系,如圖3所示.HS-MH01的磁場靈敏度SX,SY=[VH(B)-VH(0)]/BI≥100V/AT.為了減少失調(diào)電壓,封裝采用了低應(yīng)力的塑封工藝.輸出的兩路模擬信號經(jīng)過數(shù)據(jù)采集并由A/D轉(zhuǎn)換后進(jìn)入PC機(jī).根據(jù)需要同時設(shè)計(jì)了溫度補(bǔ)償、偏置及信號放大電路的印刷電路板