高性能小型化成霍尔传感器未来发展方向

    西安电子科技大学微电子学院辛维平博士
    霍尔传感器是一种基于霍尔效应的器件，它能实现磁电转换，可用于检测磁场及其变化。
    霍尔效应虽然在1879年才被发现，但是直到20世纪50年代才出现了对其的应用，然而器件成本很高。1965年，人们开始将霍尔传感器集成进硅芯片中，从而促进了霍尔器件的应用。
    经历三大发展阶段
    霍尔器件的发展大致可分为三个阶段：
    第一阶段是从霍尔效应被发现到20世纪40年代前期。最初由于金属材料中的电子浓度很大,霍尔效应十分微弱而没有引起人们的重视。到了1910年，有人用金属铋制成霍尔元件作为磁场传感器。但是由于当时未找到更合适的材料，研究处于停顿状态。
    第二阶段是从20世纪40年代中期到半导体技术出现之后。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场传感器。
    第三阶段是自20世纪60年代开始的，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。20世纪80年代后，随着大规模超大规模集成电路和MEMS技术的发展，霍尔元件从平面向三维方向发展，出现了3端口或4端口固态霍尔传感器，实现了产品的系列化、加工的批量化和体积的微型化，并得到广泛应用。
    霍尔器件有许多优点。它们的结构牢固，体积小，重量轻，寿命长，安装方便，功耗小，频率高(可达1MHz)，耐震动，不怕灰尘、油污、水汽及烟雾等的污染或腐蚀。
    应用于四大领域
    按照功能，可将霍尔器件分为霍尔线性器件和霍尔开关器件两类。
    线性霍尔传感器由霍尔元件、线性放大器和射极跟随器组成，它输出模拟量。线性霍尔器件的输出电压与外加磁场强度呈线性关系。
    开关型霍尔传感器由稳压器、霍尔元件、差分放大器、斯密特触发器和输出级组成，它输出数字量。
    霍尔器件应用十分广泛，大致可分为以下几个方向：

    一是测量载流子浓度。
    根据霍尔电压产生的公式，以及在外加磁场中测量的霍尔电压可以判断传导载流子的极性与浓度。这种方式被广泛应用于半导体中掺杂载体的性质与浓度的测量上。

    二是测量磁场强度。
    只要测出霍尔电压，即可算出磁场的大小；若知载流子类型，则由电压的正负可测出磁场方向。反之，若已知磁场方向，则可判断载流子类型。

    三是测量电流强度。
    将霍尔器件的输出(必要时可进行放大)送到经校准的显示器上，即可由输出电压的数值直接得出被测电流值。
这种方式的优点是结构简单，测量结果的精度和线性度都较高，可测直流、交流和各种波形的电流。但它的测量范围、带宽等受到一定的限制。当然，也可采取一些改进措施，例如选择饱和磁感应强度高的磁芯材料，制成多层磁芯，采用多个霍尔元件来进行检测等等。这类霍尔电流传感器的价格相对较低，使用非常方便，已得到广泛的应用，国内外已有许多厂家在生产。
    四是测量微小位移。
    如果霍尔元件的工作电流保持不变，而使其在一个均匀梯度磁场中移动，它输出的霍尔电压值只由它在该磁场中的位移量来决定。用霍尔元件测量位移的优点很多，如惯性小、频响快、质量可靠、寿命长。以微位移检测为基础，可以构成压力、应力、应变、机械振动、加速度、重量等霍尔传感器。
    可靠性和成本是瓶颈
    随着电子技术的进一步发展，业界对霍尔器件提出了一些新的要求：
    新的器件结构
    常规霍尔元件要求磁场垂直于霍尔元件，且在整个霍尔元件上是均匀磁场。而在其他情况下，需要根据磁场分布情况，设计各种各样相应的非平面霍尔结构。其中，垂直式霍尔器件是新开发出来的，具有低噪声、低失调和高稳定性的特点。
    更高的性能

    新的应用环境要求霍尔器件更加小型化、更高的灵敏度且集成度更高。为了适用于空间较小的检测环境，例如电动机中的间隙、磁力轴承以及其他像永磁体扫描等需接近测量表面的场合，需要更加小型化的器件。
    另外，为了检测更小的变化量，需要灵敏度更高的器件。器件的小型化不仅适应了新的应用环境，也降低了器件成本。

    国外霍尔传感器的发展方向就是采用CMOS（互补金属氧化物半导体）技术的高度集成化，同样功能可以集成在非常小的芯片内，如信号预处理的最主要部分已在霍尔器件上完成。其中包括前置放大、失调补偿、温度补偿、电压恒定等，并且可以在芯片上集成许多附加功能，如数据存储单元、定时器A/D转换器、总线接口等。所有这些都采用CMOS标准，它们开辟了霍尔器件新的应用领域。

    由于采用了微电子工艺，硅霍尔传感器能很好地适用于许多工业应用，这极大地推动了霍尔器件的发展。目前，国外霍尔传感器的研发进展迅速，不仅解决了与EMC（电磁兼容性）器件的协同工作问题，而且感应精度也得到了提高。但是，霍尔传感器的可靠性将是下一步必须着重考虑的问题。

    另外，霍尔传感器的成本较高，因此其应用领域基本锁定在汽车等高端市场，而对于需求量较大、对成本控制非常严格的消费电子市场则受到了成本的限制。相信随着技术的进一步发展，霍尔传感器走进手柄等消费电子应用领域将是大势所趋。