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1、信息电子学前沿实验片上传感（片上微型磁检测传感器性能表证）一、实验目的了解霍尔效应器件的工作原理，了解片上微型霍尔磁检测传感器的设计方法， 掌握利用通用设备自己动手组织测量环境测量雷尔器件基本性能参数的方法，通 过思考分析深入了解片上微型霍尔磁检测传感器研究中的关键技术和创新点。二、实验内容1、利用通用设备自己动手组织测量环境测量水平霍尔器件的失调电压。2、设计霍尔失调电压消除电路（电阻补偿法）。3、利用通用设备自己动手组织测量环境测量不同电压（或电流）下不同磁 感应强度下的霍尔电压并用图表表示。三、基本原理用来实现磁传感器的原理非常多,有霍尔效应、磁敏二极管、磁敏三极管、磁 阻效应、各向异性
2、磁阻效应、巨磁电阻效应、核进动、超导量子干涉器等。虽然霍尔效应磁传感器覆盖的磁场范围相对较小，但它的作用范围刚好和各 种永磁材料的磁场范围吻合。霍尔效应磁传感器不仅可用于检测被测对象本身的 磁场或磁特性，还可以通过在受检对象上人为设置的磁场，用这个磁场来作为被 检测的信息的载体，将许多非电、非磁的物理量例如力、力矩、压力、应力、位 置、位移、速度、加速度、角度、角速度、转数、转速以及工作状态发生变化的 时间等，转变成电量来进行检测和控制。目前全球每年数十亿美元的磁传感器市 场中，霍尔效应磁传感器占据很大份额。霍尔效应磁传感器的最大优势是能与 CMOS工艺无缝结合，相对其它磁传感器能以更低成本在
3、单一芯片实现传感单元、 信号调理、功率输出、数字化输出等各种功能的集成。在普通CMOS工艺下实 现片上3D霍尔效应磁传感器能大大提高磁场测量精度和应用范围，微型CMOS 3D霍尔磁传感器对磁传感器向高精度、微型化、智能化、低成本方向发展具有 重要意义。（1）n型半导体中的僵尔效应下图1为霍尔效应原理图，对于n型半导体材料，载流子为电子，在与磁场 垂直的半导体薄片上沿图中L方向通以电流I,电子沿与电流相反的方向运动， 由于洛仑兹力的作用，电子将向W的某一侧偏转并形成积累，而另一侧形成正 电荷的积累，于是在器件W方向形成了电场。当电子所受的电场力与洛仑兹力 相等时，电子的积累达到动态平衡。此时在W
4、方向两侧端面之间建立的电场称为霍尔电场，相应的电势称为霍尔电势Uh。图1霍尔效应原理图grhibzUh为霍尔电势，单位V; G为霍尔片几何形状因子，无纲量；Rh为霍尔系 数，单位为m3/C; I为流过半导体材料的电流，单位为A或C/s; Bz为磁通密度，单位为T; d为半导体材料厚度，单位为m。对于水平霍尔器件G计算公 式如下：/71 LSiG2I1 旳（2W）I1_wS为霍尔接触点大小，L为半导体材料长度（电流方向），W为半导体材料宽度（霍尔电压方向）。Rh = -nqrn为霍尔散射因子，无纲量，依赖于半导体类型和温度。在低参杂时，n型 硅的rn 1.15,硅中霍尔效应的温度系数近似为-0.
5、6%/Co N为电子浓度，q 为电子的电荷量。流过半导体材料的电流还和材料电阻R和提供该材料的最大电压有关Vpowo可能值为：L qpiid W,U为载流子迁移率，代入上式，得到霍尔电压的最大UHmax心 qgdWVpowBz nqd LW=-GrnpVpowBz 上述公式中影响霍尔电压的因素有：温度系数，几何因子，载流子浓度和迁 移率，材料厚度，电流大小和磁通密度大小和与法线平面的角度等。除了上述因 素还有由于霍尔接触点不对称、封装引起的压力、掩模未对准误差、参杂不均匀、 晶面未对准等生产工艺过程中引起的霍尔失调和噪声。（2） CMOS水平僵尔解基于CMOS工艺的水平霍尔器件物理结构图如下图
6、2是所示，可以看到， 器件中所用到的材料都是现行的IC工艺能够提供的，保证了器件用各种CMOS 工艺实现的可行性。(3) 3D霍尔器件3D霍尔器件可以实现从毫特斯拉到几个特斯拉范围磁场的精确测量，在辅 助磁场的配合下可以实现非接触式精确距离测量和精确的角度测量。3D霍尔 传感器通常在同一块半导体材料上实现水平和多个垂直方向的传感单元,如下 图3所示。也有一体化多电极3D霍尔器件,如下图4所示，还有采用MEMS工艺的3D霍尔传感器(图5)。图3 CMOS 3D霍尔器件图4 一体化硅3D霍尔器件图5采用MEMS工艺的碑化稼3D霍尔器件四. 仪器设备(1) 存储示波器：安捷伦DSOX3032A带宽3
7、50M,带200MHz差分探头。(2) 函数信号发生器：安捷伦33521A o(3) 精密万用表6位半：HP。(4) 精密电源：安捷伦E3632Ao(5) 精密高斯计：LakeShore 410o(6) 亥姆霍兹线圈：定制(7) 各种枚铁硼永磁体五、实验要求1）间读并理解霍尔器件基本原理2）完成实验内容并记录数据3）完成实验报告（侧重分析）六、思考分析1）研究霍尔失调消除方法（旋转电流法等）？2）分析霍尔器件失调产生的原因？3）尝试提出一种三维霍尔磁检测传感单元结构。4）尝试设计一个能提供磁场峰峰值020mT,频率从1Hz到lKHz连续变化 的磁场源。5）假设给你几个线性输出的三维霍尔传感器（
8、能线性输出x,y,z方向磁感应强 度），和几块枚铁硼永磁体，试设计一个非接触式汽车油门踏板位置传感系统， 试画出示意图并加以说明。参考文献1 Albeito Bilotti, Geiardo Monieal, Ravi Vig, Monohtluc Magnetic Hall Sensor Usnig Dynammic Quadrature Offset Cancellation!J IEEE Solid-State Circuit, 1997:829-836.2 Zoran B. Randjelovic, Maher Kayal ,Radevoje Popovic, and Hubeit B
9、lanchard, Highly Sensitive Hall Magnetic Sensor Miciosystem in CMOS Teclinology J IEEE Solid-State Circuit J,2002,Vol. 37:151-1593 Alimed Qasimi, Christophe Dolabdjian, Daniel Bloyet, and Vincent Mosser, Improvement of the u-Hall Magnetic Sensor Sensitivity at Low Frequency, IEEE Sensors Journal, Vo
10、l 4 ,February 2004:160-166.4 Kun-Long Chen, Naiiming Chen A New Method for Power Cuirent MeasurementUsing a Coreless Hall Effect Current Transformei; IEEE Transactions on Instmmentation and Measurement, Vol 60, No. 1, Januaiy 2011:158-1695 Sheng-Ming Yang, Chien-Lung Huang. A Hall Sensor-Based Three
11、-Dimensional Displacement Measurement System forMimature Magnetically Levitated Rotor, IEEE Sensors Journal, Vol. 9, No. 12, December 2009:1882 878.6 Jean-Baptiste Kammerei; Luc Hebrard, etc. Horizontal Hall Effect Sensor Witli High Maximum Absolute Sensitivity, IEEE Sensors Journal, Vol. 3, No. 6,
12、Decembei 2003:700-707.7 Hirose, Kaguhuo H Tanaka, Toshihno Takahashi, etc. A New 3-Axis Magnetic Field Measurement System Based on Hall Elements, IEEE Transactions on Applied Supeiconductivlty, Vol. 14, No. 2, June 2004:1814-1823.8 Konstantin Dimitrov. 3-D Hall Silicon Hall Sensor for use in magneti
13、c-based Navigation Systems for Endovascular Inteiventions, Measurement 40 ,2007, P816-822.9 Takuya Sugimoto, Kenji Suzuki, Hideo Dohmeki. A Position Detecting Metliod Using Hall Element for Discontinuous Stator Pemianent Magnet Linear Synchronous Motor, International Confeience on Electncal Machines
14、 - ICEM 2010, Rome.10 Nicolas Pillet, Mohsen Aya chi, Vincent Frick, etc. A complete device dedicated to ECG signal measurement with integrated 3D Hall sensor for signal correction,IEEE ICECS 2010:22723011 Michel Demieire, Eniico Schurig, Chiistian Schott, Pieire-Andre Besse, Radivoje S.Popovic. Con
15、tactless 360absolute angular CMOS microsystem based on vertical Hall sensors Sensors and ActuatoiS, Vol Al 16,2004 39-4412 E Schung, C.Schotv, P.-A.Besse, M Dennieire, R S.Popovic. 0.2 mT Residual offset of CMOS integiated vertical Hall sensors. Sensor and Actuators, Vol All 0, 98-104, 2004.13 S V.Lozanova, ChSRoumenin A Nov el 2D Magnetometei Based on a Parallel-Field Silicon Hall Sensor Piocedia Chemisty, Vol 1, 847-850, 2009.14 Jons Pascal, Luc Hebrard, Jean-Baptiste Kammerei; Vincent Frick, jean-Philippe Blonde. First Verti
