国内外霍尔传感器的研究现状及应用
时间:2017-03-18 16:01 来源:毕业论文 作者:毕业论文 点击:次
| 霍尔效应被发现后，人们做了大量的工作，逐渐利用这种物理现象制成了霍尔元件。霍尔器件是半导体磁传感器中最成熟和产量最大的产品。霍尔元件可用多种半导体材料制作，如Ge、Si、InSb、GaAs、InAs、InAsP以及多层半导体异质结构量子阱材料等。霍尔元件进行多点检测后由计算机进行数据处理得到磁场的分布状态，测量精度可以从1%到0.01%[ ]。 在半导体技术未出现的20世纪40年代前，由于金属材料中的电子浓度很大，所以霍尔效应很微弱，所以没有引起人们的重视。6605 在20世纪40年代中期，半导体技术出现后，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（Ge）的采用推动了霍尔元件的发展，相继出现了采用分立霍尔元件制造的各种磁传感器。 20世纪60年代起，集成电路技术的发展避免了分立元件制作的传感器的一系列弊端。之后，出现了将霍尔半导体元件和相关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技术的进展，霍尔元件从平面向三文方向发展，出现了三端口或四端口固态霍尔传感器，实现了产品的系列化、加工的批量化、体积的微型化[ ]。 值得一提的是，20世纪80年代末出现了一种新型霍尔元件──超晶格结构（砷化铝/砷化镓）的霍尔器件，制备这种器件利用了分子束外延和调制掺杂工艺，衬底为砷化镓，它可用来测量10-11T的微磁场，可以说它是霍尔元件的一个质的飞跃。 可以说，每次半导体技术的重要发展，都引起霍尔传感器的发展和革新。 就市场占有情况来看，国外磁敏传感器主要品种依然是霍尔元件、磁阻元件。旭化成（InSb霍尔元件）、Honeywell、Allegro、ITT、Semens（霍尔电路）等均已大量生产。Philips、Honeywell、Sony、IBM等已大量生产了金属膜磁敏电阻器及集成电路。还有LEM、Honeywell、F.W.Bell、NaNa等公司生产了各种用途和量程的电流、电压传感器和其它类型磁传感器组件，这些磁传感器都已得到了广泛的应用。 霍尔元件制作的磁敏传感器主要用于磁场测量，做高斯计（特斯拉计）的检测探头；电流检测，做电流传感器/变送器的一次元件；直流无刷电机，用于检测转子位置并提供激励信号；集成开关型霍尔器件的转速/转数测量等。 目前国内磁敏传感器经过三十余年的发展，就基础器件的研究与开发情况，除巨磁阻器件存在差距以外，常用其他磁敏传感器如霍尔元件，磁阻元件等已经与国外同类产品的水平相当。国内，除南京中旭微电子公司、中科院半导体所、沈阳仪表科学研究院可大量生产霍尔集成电路、营口华光传感元件厂可批量生产薄膜磁阻器件、西南应用磁学研究所可批量生产威根德器件外，其余各类也有研制和小批量生产。 与国外相比，国内磁敏传感器生产规模小，生产成本较高；部分元件的稳定性、可靠性差；实际应用且具规模的领域少，特别是汽车领域，尚处空白；科研成果转化慢，生产条件配套性差，缺少资金[3]。 总体来看，除了硅霍尔集成传感器以外，还有基于其他半导体材料的霍尔元件，例如InSb、InAs霍尔器件都已实现薄膜化大生产，InSb实验室样品可测10-10T的弱磁场；用无掩模离子注入工艺制作的GaAs霍尔器件的敏感区宽度可以小到0.25 。 近年来，随着CM0S工艺的不断成熟，ITT等公司相继利用CMOS工艺研制并生产霍尔元件。 霍尔元件大致分为以下几种：矩形霍尔元件、双极型霍尔元件、MOS型霍尔元件、CMOS垂直霍尔元件、结型场效应管霍尔元件等。采用矩形结构的霍尔元件作为磁敏电路中敏感部分的硅霍尔磁敏器件已相当成熟，但磁敏度不大，仅约102V/ ；双极型霍尔元件的灵敏度较高，一般为300V/ 且集成电路兼容；双漏MOS型霍尔元件的磁灵敏度达104V/ ，但其负载电阻大，稳定性较差；CMOS垂直霍尔元件的几何效应可忽略，电流从芯片表面流入芯片内部，灵敏度可达450V/ ；结型场效应管霍尔元件的灵敏度可达1243V/ 。 (责任编辑：qin) |