TW434598B - Enhancement Hall sensor - Google Patents

Description

434598 五、發明說明（1) 美國物理學家赫爾先生（E.H.Hall)於1879年在 修煩 乎請 毛委 || 史广-j ίΰ

Baltimore的Johns Hopkins 大學進行研究中發現磁場會 影響電流流動的方向，此種帶電粒子運動方向受磁場所偏 轉之現象稱為赫爾效應（Hall effect)。圖1所示為半導體 材料（長X寬X高=1 X txw)其受磁場作用後產生U效應之示 意圖’圖中顯示半導韓材料之帶電粒子因受磁場所偏轉其 運動方向可依Lore η:ΐ;ζ丨F 〇 r c e描述如下：

Fy = qVxBz = qEy (1) 式（1)中Fy為帶電粒子在y方向（荷電量q)受力之大小，b 為作用於z方向之磁通密度（magnetic flux density)，qZ 為帶電粒子之荷電大小’ Vx為帶電粒子在χ方向運動之速 率。帶電粒子受Lorentz力作用在材料y方向兩側建立一 電場Ey。材料中帶電粒子未受Lorentz Force力作用時， 材料y方向電場£，0，兩側之赫爾電位^亦為零（已完成歸 零調整），當材料受磁場作用後，材料中之帶電粒子（電 子、電洞等）因受磁力偏轉聚積於材料之一側，造成材料 兩側之電位差（vH )，此電位差稱為赫爾電位（Ha n Voltage)。材料之赫爾電位（vh)與下列參數相關·· (1)外加磁通密度（Bz) (2)x方向之偏壓EX(EX =IRx

Rx為半導體材料在x方

D:\增強型内植感應線圈式赫爾感知器_PW第4頁 434598 五、發明說明（2) 向之電阻值） (3)半導體材料之載子遷移率（Carrier mobility， (4 )半導體材料之幾何外形（長*寬=1 * w) 其關係可表示如下： V丨丨与〜:(w/l )EXBZ (2) 若半導體材料之載子濃度為n( 1/cin3 )，載子荷電 量為q，載子層厚度為t，赫爾電位可描述如下： VH = ( 1 / qn t ) IXBZ ( 3 ) 由式（2 )或（3 )中得出；材料之赫爾電位與外加磁通密度 成正比關係，量測赫爾電位即可推得作用於赫爾感知器之 磁通密度，此乃赫爾感知器最通常之應用。 赫爾感知器在做為電流計、過電流顯示器或過電流保 護裝置等應用時，其電路設計係採負載電流流經一磁蕊 (如圖2 )或感應線圈（如圓3 )以建立磁通密度（B )，此磁通 密度大小與通過磁蕊或感應線圈之電流大小成正比，當此

D:\增強型内植感應線圈式赫爾感知器.ptd第5頁 434598 五、發明說明（3) 感應磁通密度與赫爾感知器作用後將誘生赫爾電壓VH ， 赫爾電壓VH與磁蕊或感應線圈所感應之磁通密度成正比， 由赫爾電壓即可判知電路中所流通之負載電流大小，此即 為電流計之工作原理。預設臨界電壓，當赫爾電壓大於該 臨界電壓即發出過電流訊號以利進行適當的應變措施，此 即赫爾感知器作為過:電流顯示監控器或過電流保護裝置等 之應用。 ：,V1' 赫爾感知器在以上之應用中，其所附加之磁蕊或感應線 圈因屬外加式，體積與重量均大且重，不利於微型化應 用，且實際應用上感應線圈與赫爾感知器之間距於電路裝 置過程不易準確控制，影響磁通密度大小造成感測結果之 不準確，另感應線圈端面與感知器感知面對準與否亦影響 赫爾電壓VH之大小，直接影響量測之準確性。 為達到赫爾感知器及其附屬裝置之微型化，並解決感應 線圈裝置時與赫爾感知器間距變化及兩者間對準問題，以 增加感知器反應之穩定性及可靠性進行以下之改良設計。 目前赫爾感知器元件之設計製作可概分為雙極性 (Bipolar)與單極性（unipolar)兩類詳如圖4、5，其製作 方法係採標準積體電路製程；包括磊晶、氧化、成相、蝕 刻、離子植入與金屬鍍膜等製程。本發明構想係在原赫爾 感知器元件加製如圖6、7所示之金屬螺旋線圈，該金屬螺

DA增強型内植感應線圈式赫爾感知器.Dtd第6頁 434598 五、發明說明（4) 旋線圈製作於赫爾感知器元件正面或背面晶圓（wa f er )如 圖8、9。螺旋線圈之製作程序係先於晶圓上長（或塗佈）一 層氧化層（或其他種類之電氣絕緣層），後在絕緣層上塗佈 (金屬層塗佈方法可採真空蒸鍍、濺鍍、電鍍或無電鍍法 等）相當厚度之金屬層（金屬層厚度視金屬電阻係數而定， 電阻係數大者其厚度酌予增加，以降低線圈之總電阻 值）’利用光學微影技術〔photo 1 i thography )及蝕刻技術 或其他方法完成所需之螺旋線圈圖案。採用本方式所製作 之赫爾感知器稱為内植感應線圈式赫爾感知器。 内植感應線圈式赫爾感知器在實際應用時，感應磁通密 度B與流過感應線圈電流（〇及螺旋線圈總圈數（N)間之關 係如下： ’ B= /z NI (4) 式（4 )所示#為材料之磁導係數（p e r m e a b i 1 i t y )，其值 可用相對磁導係數（relative permeability)心，與自由 空間導磁係數（free space permeability#。）表示如下： β ^ βτ β〇 (5)式（5)中（^〇 = 4；1乂10''7(11〇111^/11161；61')，一般製作赫爾感 知器之半導體基材（Si，GaAs，I nSb等）其相對磁導係數相

D:\增強型内植感應線圈式赫爾感知器.ptd第7頁 434598 五、發明說明（5) 當於自由空間磁導係數（= 1 )，欲提高線圈之磁通密度B 須增加電流大小（I )或增加感應線圈圈數（N)。實際應用上 因電流流經線圈產生焦耳熱，其熱功率（P)為： P=I2R (6) 式（6 )中（R )為感應線圈總電阻值，感應線圈總電阻值除 與製作線圈材料之電::阻係數（r e s i s i t i v i t y )相關外，其與 感應線圏總圈數（N )成正比，圈數越多線圈總電阻值越大 增加基材上之焦耳熱，致使基材溫度上升而相對降低赫爾 感知器性能。 解決基材上焦耳熱問題雖可採用低電阻係數導體製作線 圈，並減少感應線圈圈數以降低線圈總電阻值等方法，然 而當線圈圈數太少時感應磁通密度不足T赫爾電壓變小， 直接影響赫爾感知器感知效能。 由（4 )式中得知若增加感應線圈之磁導係數則僅需較 少感應線圈圏數（相對較低電阻R )即能提高感知器之磁通 密度，如此不僅可提昇赫爾電壓增加感知器效能並達到降 低半導體基材焦耳熱之功效。 鐵磁（f e r r 〇 m a g n e t i c )材料之磁導係數遠大於自由空間 之磁導係數（β 〇)為一可應用之理想材料。製作方法

DA增強型内植感應線圈式赫爾感知器.ptd第8頁 434598 五、發明說明（6) 係在赫爾感知器之感知區（sensor area)正面、反面或兩 者塗佈一層鐵電材料，如圖1 0所示。鐵電層其製作方法可 採真空蒸鍍、濺鍍、電鍍或無電鍍法等。 圖1 1所示為感應線圈（總圈數為1圈）未塗佈與塗佈鐵磁 材料，線圈電流與磁通密度關係實測結果。圖中圖Μ 11為 未塗佈鐵磁材料之線圈電流與磁通密度關係’圖中圖"2π 為線圈卓面塗佈鐵磁.材料之電流與磁通密度關係*圊中圖 ” 3 11係於線圈雙面塗佈鐵磁材料後線圈電流與感應磁通密 度實測關係，實驗結果顯示外加鐵磁材料可增強感應磁通 密度，亦即可增強赫爾感知器之靈敏度。 圖示簡單說明： 圖1.赫爾感知器構造示意圖。 圖2.傳統Ha 1丨感測電流計需附加磁蕊以建立 . 磁通密度B。 圖3.Hall sensor做為過電流警示裝置，Hall sensor 需在負載電路上附裴感應線圈以建立 磁通密度B。 圖4.雙極性（B i ρ ο 1 a r )赫爾感知器構造示意圖。 圖5. M0SFET式赫爾感知器構造示意圖。 圖6.圓型螺旋（s p i r a 1 )感應線圈。 圖7.方型螺旋感應線圈。

D:\增強型内植感應線圈式赫爾感知器.ptd第9頁 434598 五、發明說明（7) 圖8,感應螺旋線圈製作於赫爾感知器正面示意圖， 圖中所示感應螺旋線圈亦可為其他外形。 圖9.感應螺旋線圈製作於赫爾感知器背面示意圖， 圖中所示感應螺旋線圈亦可為其他外形。 圖1 0.赫爾感知器正、反面塗佈鐵電材料以增強磁通 密度示意圖。 圖11.線圈未塗_佈與塗佈鐵磁材料感應磁通密度比 較。 圖示符號說明： 11 赫爾電位 21 導線 22 赫爾感知器 23 訊號放大器 24 磁線圈 31 交流輸入 32 交流輸出 33 負載電流 41 電流極端 42 赫爾電位極端 43 P型基材 44 N型外質層 51 P型基材 52 N型右端汲極

DA增強型内植感應線圈式赫爾感知器.ptd第10頁 434598 五、發明說明（8) 53 N型左端汲極 5 4 石夕多晶閘極 5 5 外加破場 56 氧化層 5 7 N型源極 81 感知區 82 電流極端. 83 赫爾電位極端 84 金屬感應螺旋線圏 8 5 氧化層 86 N型外質層 87 P型基材 91 晶圓 9 2 赫爾感知區背面 93 金屬感應螺旋線圈 94 赫爾感知表面 95 N型外質層 9 6 P型基材 1 01 金屬感應螺旋線圈 1 02 螺旋線圈兩端接點 1 03 矽基材 1 04 電流接腳 1 0 5 赫爾電極 10 6 鐵磁材料塗佈區

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Claims (1)

1. 434598 六'申請專利範圍 1· 一種改良内植感應線圈式赫爾感知器結構以增強誘生 磁通密度、增進赫爾感知器靈敏度之方法為： 於内植感應線圈式赫爾感知器之感應線圈區塗佈鐵磁 (f er romagnet i c )材料 〇 2. 如申請專利範圍第1.項之方法，係於赫_感知器元件 基材（substrate)正面、背面或兩面製作感應線圈。 3. 如申請專利範圍第1·項之方法’以增強誘生磁通密度 係由電流流經該感應線圈或電流在該感應線圈外固定距 離流過所發生。 4. 如申請專利範圍第1.項之方法，以增強誘生磁通密度 (B) ’其與流過感應線圈電流（丨）、鐵磁材料磁導係數 (只）及螺旋線圈總圈數（N)間關係為B二，前式k為 Μ合係數。 5. 如申請專利範圍第1.項之方法，所塗佈之鐵磁 (ferromagnetic)材料係具有自發磁矩（magnetic moment)之材料，其相對磁導係數（permeabUity，心） 遠大於自由空間磁導係數（#。）。 D:\專利\增強型内植感應i圈式赫爾感知器^頁