[發明專利]一種基于COMSOL Multiphysics的3維十字型霍爾器靈敏度計算方法

有效

• 申請號: 202010078369.X
• 申請日: 2020-02-03
• 公開（公告）號: CN111308399B
• 公開（公告）日: 2021-06-01
• 發明（設計）人: 樊華;李蘇杰;王江名;馮全源;李大剛;胡達千;岑遠軍
• 申請（專利權）人: 電子科技大學
• 主分類號: G01R33/00
• 分類號: G01R33/00;G01R33/07
• 代理公司: 電子科技大學專利中心 51203
• 代理人: 陳一鑫

該發明公開了一種基于COMSOL Multiphysics的3維十字型霍爾器靈敏度計算方法，涉及微電子學與固體電子學領域，特別涉及霍爾傳感器。從不同結構對于水平型霍爾傳感器靈敏度存在不同影響的角度考慮，通過3維COMSOL模型進行仿真對比0μm至38μm不同叉指長度下相應的霍爾器件模型電壓相關靈敏度，提出一款擁有較高靈敏度的水平霍爾傳感器，其特征在于所述霍爾器件為90°旋轉對稱的十字型結構，傳感器尺寸的上下和左右寬度為80μm，厚度為5μm，有源區采用硅材料2.6E+16cm^?3的N阱摻雜CMOS工藝，叉指長度為18μm時，即霍爾傳感器寬長比為0.55時，能得到最佳的0.0652V/(VT)電壓相關靈敏度；相較于傳統的霍爾片模型得到了靈敏度的提升。

技術領域

本發明涉及微電子學與固體電子學領域，特別涉及霍爾傳感器。

背景技術

隨著電子技術的不斷進步以及各類產品的智能化發展趨勢越來越明顯，傳感器技術的應用在如今的科技發展過程中扮演了不可替代的角色。傳感器能夠對外界環境信號進行探測，將所期望測量的信號，如聲信號、光信號、磁信號等轉換為相應的其他類型信號，通常是以電信號的形式作為輸出信號。磁性傳感器作為傳感器領域中極其重要的一類，有著非常廣泛的應用，并在諸如工業、醫療、汽車、消費電子等諸多行業中發揮著極其重要的作用。霍爾傳感器作為歷史最為悠久的磁性傳感器，盡管近年來市場份額受到多種類型的新興傳感技術的沖擊，但由于其穩定性好、集成度高和成本低等優勢，目前仍擁有著最高的市場占有率?；魻栃獋鞲衅骰?879年由科學家霍爾發現的霍爾效應的原理，即當通電半導體受到垂直于電流方向的外界磁場時，半導體內載流子會受到洛侖茲力的作用而使運動軌跡發生偏移，并形成垂直于電流方向的附加電場，最終載流子受到的洛侖茲力與電場力將達到平衡狀態，而此時在半導體兩側形成的穩定電勢差即為霍爾電壓。利用霍爾效應所發明的霍爾傳感器可以將外磁場信號轉換為相應的電壓或電流信號。對于水平霍爾器件，電壓相關靈敏度S_v表示器件產生霍爾效應的強弱，定義為在單位偏置電壓V_bias和單位外加磁感應強度B_z條件下，器件能產生的霍爾電壓V_Hall大小，即：

如今對于霍爾效應傳感器的研究已經擁有很長時間的積累，在商業領域也已經有了多種較為成熟的應用，而霍爾傳感器的研究仍在不斷向著更高靈敏度、更小體積、更低功耗的方向繼續發展。傳統的霍爾效應傳感器通常分為水平型霍爾傳感器和垂直型霍爾傳感器兩類，相較于垂直型霍爾傳感器而言，水平型霍爾傳感器受到了更為廣泛的使用。

文獻[Sen M,Balabozov I,Yatchev I,et al.Modelling of current sensorbased on hall effect[C]IEEE 15th International Conference on ElectricalMachines,Drives and Power Systems(ELMA),2017.]在COMSOL Multiphysics中對長方體結構的電壓型水平霍爾傳感器進行了2維模型的構建，在5V偏置電壓和1T垂直外界磁場條件下得到了0.29V的霍爾電壓，即代表0.058V/(VT)的電壓相關靈敏度。

發明內容

本發明技術方案為一種水平十字型霍爾傳感器有限元仿真方法，主要針對于從實際設計制造到測試霍爾傳感器時所需耗費的較大成本和時間，基于COMSOL Multiphysics平臺提出一種水平霍爾傳感器的3維有限元仿真模型。相較于傳統的2維COMSOL模型，該發明所提出的3維傳感器模型可以實現更復雜傳感器結構的設計和更精確的性能仿真，此外，3維傳感器模型可進一步用于更復雜傳感系統的模型搭建，并為諸如力學等多個物理場的聯合仿真提供了更大的空間。該3維有限元仿真方法可用于針對傳感器具體設計參數進行對比仿真分析，從而選取性能較佳的傳感器參數。

本發明技術方案為一種基于COMSOL Multiphysics的3維十字型霍爾器靈敏度計算方法，該方法包括以下步驟：