二维磁矢量磁敏器件

摘要

本发明属于磁电转换的半导体器件，在一个硅芯片的相互垂直的两个方向上，对称的布置四只长基区磁敏晶体管。这种器件有两个互相垂直的磁敏感方向，因此，可以检测二维磁矢量。用其做敏感元件的角度和方位角传感器是把角度或方位角等非电量转换成电信号的一种机电传感器，它与微机配合可以检测四象限角度和方位角，也可以完成直角坐标与极坐标模拟变换。这种传感器测角范围为2π、使用温度范围大，而且测角精度与环境温度无关。

说明书

--no marking-->

本发明属于磁电转换的半导体器件。

目前，在国内外有关磁矢量磁敏器件的报导比较少。

郝德生（Hudson）发明专利“半导体磁电转换器件”（Hudson：United    States    Patent    Office，3.389.230，1968.6.18.），是具有双极型晶体管结构的双集电极磁敏晶体管。该方案的要点在于两个对称的集电区隐埋在半导体村料之中，发射区设在表面、位于双集电极中间;集电区和发射区中间是基区，基区宽度小于载流子扩散长度。

1982年在《传感器与传动装置》（《Sensors    and    Actuators），Vol.2，№3，P251）上报导了“以双集电极晶体管结构为基础的磁矢量传感器”。此文介绍了由两个双集电极晶体管组成的磁矢量磁敏器件。

1983年黄得星在《发明与专利》（№2，P26）上报导了“3CCM型硅磁敏晶体管”。这种磁敏晶体管的发射区、集电区和基极是均设在一个硅芯片上的平行条状结构，而集电区在发射区和基极中间，它的基区宽度大于载流子扩散长度。因此，也称它为长基区磁敏晶体管。

本发明是在长基区硅磁敏晶体管的基础上设计的集成式磁敏器件。它可做为制造二维磁矢量测量装置、角度和方位角传感器以及直角坐标与极坐标模拟变换器的磁电转换器件。

本发明是在一个硅芯片的相互垂直的两个方向上，对称地布置四只长基区磁敏晶体管的二维磁矢量磁敏器件，其管芯结构如图1和图2所示。图1是以发射极为中心，在一个硅芯片的相互垂直的x、y轴上，对称地布置四只长基区磁敏晶体管的结构;图2是以基极为中心，在一个硅芯片的x、y轴上，对称地布置四只长基区磁敏晶体管的结构。图1和图2中（1）是硅单晶片（即芯片），它的电阻率大于10Ω·cm、晶向为〈111〉的N型或N/P⁺型外延片（或者P型或P/N⁺型外延片）。在图1和图2中x、y轴上的（2）、（3）、（4），（2）、（5）、（6），（2）、（7）、（8）和（2）、（9）、（10）为P-N-P型（或者N-P-N型）长基区磁敏晶体管。其中（2）为发射区，（3）、（5）、（7）和（9）为集电区，（4）、（6）、（8）和（10）为基极，（2）、（3）、（5）、（7）、（9）和（11）为P型区，（4）、（6）、（8）和（10）为N型区。如果N-P-N型结构，则（2）、（3）、（5）、（7）、（9）和（11）为N型区，（4）、（6）、（8）和（10）为P型区。图1和图2中（12）为发射极e的引线区，（13）为基极b的引线区，（14）、（15）、（16）、（17）为集电极引线区，分别记为C_+x、C_-x、C_+y、C_-y。图1和图2中（11）是基极均流平衡电阻R_b。

图3是单只长基区硅磁敏晶体管集电极电流特性曲线。单只长基区硅磁敏晶体管只有一个磁敏感方向，即垂直于载流子流动方向。图4（a）是单只硅磁敏晶体管集电极电流，在其磁敏感方向的磁感应强度分量为±1KGs时变化情况。图4（a）中（18）为基极电流I_b＝3mA和B＝0时集电极电流特性曲线;（19）为I_b＝3mA、B＝-1KGs时集电极电流特性曲线;（20）为I_b＝3mA、B＝+1KGs时集电极电流特性曲线;（21）为集电极负载电阻为R_L时负载线。图4（b）表示P-N-P型长基区硅磁敏晶体管电路符号，其中R_L为负载电阻，V_c为集电极输出电压。在磁场中使其集电极电流减少的方向定义为正向磁场方向;反之，定义为负向磁场方向。因为这种磁敏晶体管的基区宽度大于载流子扩散长度，因此，它的共发射极电流增益β＜1，但它的集电极电流相对磁灵敏度大于5%/KGs。

设单只长基区硅磁敏晶体管集电极电流相对磁灵敏度S_c定义为：

S_c±=>e±-I_eo｜)/(I_co·B)>s（1）

式中I_co为零磁场集电极电流，I_c±为在正向、负向磁场中集电极电流。

从图4中可以看出，集电极输出电压V_c的磁灵敏度S′_v±为

S′_v±=>e±-V_eo｜)/(B) =>c±-I_co｜R_L)/(B)>coR_LS_C±（2）

因此，

△V_c±＝｜V_c±-V_co｜＝I_coR_LS_c±·B＝S′_V±B>

在x轴和y轴上的各两只长基区硅磁敏晶体管的磁感感方向分别为y轴和x轴，且各轴上的载流子运动方向互为相反。因此，各轴上的长基区磁敏晶体管集电极之间差分输出电压磁灵敏度等于单只长基区磁敏晶体管正、反向磁灵敏度之和，即，

△V_x＝V_c-x-V_c+x＝I_coR_L（S_c++S_c-）B_y＝S_vxB_y（4）

△V_y＝V_c-y-V_c+y＝I_coR_L（S_c++S_c-）B_x＝S_vyB_x（5）

式中为磁矢量。

设二维磁矢量磁敏器件的四只长基区磁敏晶体管的特性完全一致，则S_vx＝S_vy＝S_v。

设磁矢量与x轴的夹角为θ，则

△V_x＝S_vBsinθ>

△V_y＝S_vBcosθ>

图5是在它的第二象限内给出的测试线路中测量的差分输出电压△V_x（或△V_y）与磁场B_y（或B_x）的关系。图5中直线（22）、（23）和（24）分别为V_c-x＝V_c+x＝4.5V、3.0V和1.5V时差分输出电压随磁场变化曲线。不难看出，在磁场B＝0～±4KGs范围内，差分输出电压与磁感应强度之间有线性关系。

图6是二维磁矢量磁敏器件在电源电压Ec＝10V下，在恒定均匀磁场B＝2.0KGs中，两对差分输出电压△V_x和△V_y随θ角变化曲线（25）和（26）。实线表示理论曲线，“·”和“×”符号表示测试数据点。由此可见，实验曲线与理论曲线完全相符合。

二维磁矢量磁敏器件的制造工艺是一个典型的硅平面工艺。就在N型硅单晶片上制造的P-N-P型结构来说，其工艺流程的最好方式如下：

①氧化：硅表面生长一层0.8μm左右的SiO₂膜做表面钝化膜;

②第一次光刻：刻发射区（2）和电阻Rb的窗孔;

③扩散受主杂质：硼做受主杂质，形成P型发射区（2）和电阻Rb，结深为10～12μm;

④第二次光刻：刻出集电区（3）、（5）、（7）、（9）的窗孔;

⑤第二次扩散受主杂质：杂质同第一次扩散，形成P型集电区（3）、（5）、（7）和（9），结深为2μm;

⑥第三次光刻，刻出基极（4）、（6）、（8）（10）的窗孔;

⑦扩散施主杂质：磷做施主杂质，形成N型基极（4）、（6）、（8）和（10），结深为10～12μm;

⑧第四次光刻，刻出发射区、集电区、基极和电阻Rb的引线孔;

⑨蒸发一层铝膜;

⑩反刻铝：刻出发射极引线区（12）、集电极引线区（14）、（15）、（16）、（17）和基极引线区（13）;

（11）合金化：形成良好的欧姆接触;

（12）测试、划管芯，管座上粘管芯、压焊、封装、测试、老化等。

在制造工艺中关键问题是如何解决四只长基区磁敏晶体管的尺寸以及特性完全一致的问题。这与硅单晶片的电阻率的均匀性、切割单晶片时晶向的偏离程度、制版和光刻套准精度以及各种热处理的控制因素有关。其中影响最大的是集电区、基极的位置、尺寸不对称的问题。因此，必须提高光刻套准的精度。

本发明的二维磁矢量磁敏器件与其它类型的磁矢量磁敏器件相比较，具有制造工艺简单，磁灵敏度比较高，成本低等优点。

本发明的一个主要用途是做角度和方位角传感器的敏感元件。这种传感器是把角度和方位角等机械量转换成电信号的一种机电传感器。

目前，在无触点角度传感器中用的敏感元件有霍尔元件、半导体磁敏电位器和强磁性金属磁阻元件。霍尔元件和半导体磁敏电位器只有一个磁敏感方向，因此，在均匀恒定磁场中只能检测两个象限的角度。图7是用霍尔元件（27）做的两种角度传感器示意图。图7（a）为“V”型磁钢（28）、图7（b）为“C”型磁钢（29）做的角度传感器。用“V”和“O”型磁钢的角度传感器分别在0～±22.5°和0～±40°范围内，霍尔元件（27）的霍尔电压与角度θ之间具有线性关系。

图8是用半导体磁敏电位器（30）做的角度传感器的示意图，（31）是旋转磁钢。这种角度传感器在20°～160°范围内输出电压V_out与旋转角之间具有近线性关系。

图9是用强磁性材料Ni-Co合金制做的磁阻元件。图中（32）是Ni-Co合金薄膜，其输出电压V_out与cos2θ成正比，用这种磁阻元件做的角度传感器只能检测180°范围。这种磁阻元件还可用超低频正弦波和倍频发生器。

四象限角度（即2π角）和方位角的检测可以通过用互相垂直的霍尔元件做的角度传感器来实现。但是，这种传感器的磁敏感面积为一个霍尔元件磁敏感面的两倍。

本发明的二维磁矢量磁敏器件有两个相互垂直的磁敏感面，它的磁敏感面只有500×50μm，管芯尺寸为1.2×1.2×0.3mm。因此，用比较小的一对磁钢易于实现局部恒定均匀磁场，测量精度也比较高。

如果二维磁矢量磁敏器件中四只长基区磁敏晶体管特性不完全一致，那么经过一级差分放大之后，由式（4）和式（5）得：

V_x＝K_x△V_x＝K_xS_vxBsinθ>

V_y＝K_y△V_y＝K_yS_vyBcosθ>

式中，K_x、K_y为差分放大器的电压放大倍数。

经过放大倍数的调节，使K_xS_vx＝K_yS_vy。因此，由式（8）和式（9）可得

θ＝tg^-1（V_x/V_y）>

θ＝ctg^-1（V_y/V_x）>

由此可见，角度θ只与V_x和V_y的比值有关，而与器件的温度无关。为了提高精度，在0～1/4π内由式（10）确定角度，在1/4π-1/2π内由式（11）确定角度。磁矢量所处的象限是由sinθ和cosθ的正负号来确定，如表1所示。

表1

如果二维磁矢量磁敏器件的x轴固定在南北极，那么由磁钢相对于轴的角度可以确定方位角。

由式（8）和式（9）得

式中KS_v＝K_xS_vx＝K_yS_vy。

由此可见，二维磁矢量的大小是由式（12）测量。它的矢量方向是由式（10）或式（11）来确定。

图10和图11是角度和方位角传感器结构的示意图。图10和图11中（33）为二维磁矢量磁敏器件的管芯，（34）为它的管座，（35）为管帽旋转轴，（36）为固定管座的空心旋转轴，（37）为引线，（39）为用高导磁率材料做的磁路。图10中（38）为一对磁钢，它的剩磁为3～5KGs。图11中（40）为线圈，（41）为它的引线。通过引线（41）向线圈（40）加激磁电流，使在两个磁极之间产生感应磁场，它的磁感应强度B与激磁电流I成正比。

如果把式（8）和（9）中V_x、V_y模拟成y、x变量，而把K_xS_vx＝K_yS_vy或者激磁电流I模拟成极坐标的径向变量，θ为极角，则式（8）和式（9）是直角坐标与极坐标的模拟变换式。因此，图11也可用做这种坐标变换的转换器，

以图10为例，说明实现角度和方位角传感器的最好方式如下：

在带有管脚的圆柱形陶瓷管座（34）上，用金锑片绕结二维磁矢量磁敏器件管芯（33），然后用超声波压焊硅铝丝方法联结管芯的引线区和相应的管脚，在管芯（33）上面用三防漆涂一层保护膜。在180℃温度中热老化24小时后，在额定电功率下又电老化24小时。经测试电参数合格的管座套进空心旋转轴（36）内紧固，引线从旋转轴（36）的空心中引出。用管帽旋转轴（35）套上空心旋转轴（36）后紧固，形成一个完整的旋转轴。最后，把旋转轴安装在一对磁钢（38）中间，构成一个角度和方位角传感器。

图12是角度和方位角传感器经A/D转换后，与微机配合显示角度或方位角的框图。图12中（42）是二维磁矢量磁敏器件。

采用本发明的二维磁矢量磁敏器件为敏感元件制作的角度和方位角传感器，比现有角度传感器相比测量角度范围大，同时确定方位角，还能完成直角坐标与极坐标之间模拟变换。另外，这种传感器测量角度的精度与二维磁矢量磁敏器件和放大级参数的温漂无关，因此，它的使用温度范围大（-45℃～100℃）。

这种角度和方位角传感器在测量风速、水流方向以及在各种大范圈内角度检测等自动控制和电子技术中将有广泛的应用前途。