霍尔芯片发展趋势分析报告

霍尔芯片的发展

第一阶段是从霍尔效应的发现到20世纪40年代前期。1910年有人用金属铋制成霍尔元件,但是由于金属材料中的电子浓度很大,而霍尔效应十分微弱,所以几乎没有多大用处。

第二阶段是从20世纪40年代中期,随着半导体材料、制造工艺和技术的应用,出现了各种半导体分立霍尔元件,特别是锗的采用推动了霍尔元件的发展,相继出现了采用霍尔元件制造的各种磁场传感器,应用十分广泛。但是由于温漂的存在，所以精确度受到了一定的限制，并且还需要外加信号调理电路，所以使用较复杂且成本比较高。

第三阶段是自20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。由于将霍尔元件和信号调理电路和温度补偿电路集成在一起，因此具有很好的线性度，精确度很高。

第四阶段是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,实现了产品的系列化、加工的批量化、体积的微型化。

未来的发展趋势是量子霍尔传感器和等离子霍尔传感器。

一、分立霍尔元件

1、1双极平行元件

采用标准双极(bipolar)工艺制成的霍尔元件,由于电流在外延层内平行于芯片表面流动,因此又称为平行霍尔元件。

1、2垂直元件

采用双极工艺还可以制成垂直霍尔(VH)元件，该霍尔元件的灵敏度较低。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

1、2、1 MOS垂直元件

薄MOS沟道作为霍尔元件的激励区，可获得1 000V/AT的灵敏度。

1、2、2 CMOS垂直元件

采用CMOS工艺制成的体型(bulk)垂直霍尔元件，电流从芯片表面流入芯片内部,灵敏度可达450V/AT。

1、2、3 JFET垂直元件

在上述TVH元件的基础上,增加离子反应刻蚀(RIE)工艺,制成了结型场效应管垂直霍尔元件。这种霍尔元件灵敏度可达1 243V/AT。

二、集成霍尔传感器

2、1三维VH磁场传感器

VH传感器是最常见的磁场传感器,它的特点是将电极形成在芯片表面,对平行于芯片表面的磁场敏感,从不同的方向测量该磁场就形成了不同坐标的传感器。

2、2单片硅指南针

采用TLC(tran linear circuit)工艺制成的模拟集成霍尔指南针,它由2个VH元件和信号转换处理电路组成。

2、3全集成三维角度-位置传感器

霍尔传感器芯片平行放在椭圆型永磁铁下面,旋转轴固定在磁铁的中心。当转轴旋转时霍尔传感器将产生正比于转轴角位移的正弦和余弦两个信号,经简单的信号处理即可直接获得得位置信号。

2、4圆柱型传感器

这种霍尔传感器的激励区呈圆柱形,适于测量2个磁通计之间的圆形磁场。它采用光刻和化学蚀刻工艺将铁磁金属形成在基片上作为磁通计。实际加工时是将数千个霍尔传感器集成在一块芯片上,然后切割成单独的霍尔探头。

2、5弱磁场斩波器

它的工作原理是,当铁芯处于非磁饱和状态时屏蔽作用产生的磁场使霍尔传感器旁路(Hint=0),其输出电压仅取决于失调电压和噪声。环形非晶铁芯型霍尔传感器将信噪比和检测率提高了40倍。

2、6大量程位移传感器

它的灵敏度和功耗与薄膜场效应管的门和漏极电压相关,灵敏度为200mV/T,功耗小于2mW。

2、7低失调、耐高温传感器

为了减少霍尔元件的失调电压,1990年有人提出采用自旋电流(spinning-current)方法。

三、量子霍尔传感器及等离子霍尔传感器

3、1 量子霍尔传感器

量子霍尔效应与经典霍尔效应的显著差别是ρH与B不再呈线性关系。量子霍尔电阻RH与B的关系是在总的直线趋势上出现一系列的整数平台,称为量子化霍尔电阻。

3、2 等离子霍尔传感器

等离子霍尔传感器由一对等离子放电电极和一对霍尔电压检测电极组成,这些电极密封在充满氖气的压力腔内。该传感器的工作原理是,给放电电极通以一个交变电场,产生一个连续的交变等离子流,等离子聚集在检测电极从而产生霍尔电压。与经典霍尔效应比较,等离子电子的漂移速度是半导体电子漂移速度的10～1 000倍,因此等离子霍尔传感器应具有极高的灵敏度。根据等离子霍尔效应制成了宏传感器和微传感器。宏传感器的灵敏度为 1 367V/T，微传感器的灵敏度达88.7V/T。

四、集成霍尔传感器的发展方向

1、提高电压灵敏度和横向温度灵敏度、减少失调电压

2、在新材料、新工艺以及提高材料的抗噪声能力和长期稳定性等方面

3、将具有优良接口的霍尔元件和信号处理电子电路集成在一起