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研究生:簡定均
研究生(外文):Chien, Ting-Chun
論文名稱:微型霍爾感測器設計與製作
論文名稱(外文):Design and Fabrication of Micro Hall Sensor
指導教授:李佳言
指導教授(外文):Lee, Chia-Yen
口試委員:林哲信傅龍明郭文正
口試日期:2017-06-08
學位類別:碩士
校院名稱:國立屏東科技大學
系所名稱:車輛工程系所
學門:工程學門
學類:機械工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2017
畢業學年度:105
語文別:中文
論文頁數:69
中文關鍵詞:霍爾效應霍爾感測器離子佈植微機電系統
外文關鍵詞:Hall EffectHall SensorIon ImplanterMEMS
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本研究利用微機電(Micro-Electro-Mechanical System, MEMS)製程技術設計並製作出霍爾感測器,其結構包含P型矽(Si)基板、二氧化矽(SiO2)隔絕層、磷(P)感測層、金(Au)感測電極。首先,利用離子佈植(Ion Implanter)在矽基板上佈植磷離子,再經由退火處理,讓受損的原子重新排列,最後利用電子束蒸鍍法(Electron Beam Evaporation, EBE)沉積黃金作為感測器之導線。將感測器放置在強力磁鐵旁,感測器因磁場變化而產生霍爾效應(Hall Effect),藉由載子遷移變化量,量測其霍爾電壓,再經由放大器將其輸出電壓放大,在感測範圍內呈現出可預期的變化關係,經由多次的量測,可觀察其感測特性之趨勢,並藉此決定其最佳感測模式。在本文中設計三種不同形狀之感測器,經由多次的量測,將數據比對之後,發現十字形霍爾感測器結果較佳。
The objective of this study is to design and fabricate a Hall Sensor with MEMS technology. Its structure consists of a P-type silicon substrate, a SiO2 isolation layer, a phosphorus ion implanted layer, and gold wires. At first, the fabrication of the Hall Sensor utilizes an ion implanter to implant phosphorus ions in the silicon substrate. Then, the defected atoms are restored by annealing. Finally, gold wires are deposited as signal leads by Electron Beam Evaporation (EBE). As the fabricated sensor is near a magnet, its magnetic field changes due to the Hall Effect caused by moving carrier, by which a Hall voltage can be measured. Finally, it is observed as the magnetic field increases, the Hall voltage increases. In the study, three kinds of Hall sensors are designed and fabricated. It is concluded that the cross Hall sensor has the best sensing effect.
摘要 I
ABSTRACT II
謝誌 III
目錄 IV
表目錄 VII
圖目錄 VIII
第一章 緒論 1
1.1 前言 1
1.2 微機電系統 2
1.3 霍爾效應 3
1.4 文獻回顧 4
1.5 研究動機與目的 8
1.6 研究方法與本文架構 9
第二章 設計方法 11
2.1 設計概念 11
2.2 磁場與霍爾效應的基本原理 11
2.2.1 磁場效應基本原理 11
2.2.2 形狀效應 14
2.2.3 材料特性 15
2.2.4 靈敏度 16
2.2.5 霍爾元件等效電路 17
2.2.6 不平衡電壓 18
2.3 晶片設計 18
2.4 電路設計 20
2.4.1 量測電路 20
2.4.2 數位式霍爾轉速計 24
第三章 製程技術與步驟 26
3.1 晶片製程 26
3.1.1 流程圖 26
3.1.2 基板選用 27
3.1.3 化學氣相沉積 27
3.1.4 微影製程 28
3.1.5 製程步驟 35
3.1.6 離子佈植 37
3.1.7 金屬鍍膜 39
3.1.8 金屬剝離法 41
3.1.9 導線接合 42
3.2 霍爾電壓量測方式 43
3.3 轉速量測 44
第四章 結果與討論 45
4.1 霍爾感測器與磁場之關係 45
4.2 響應時間 52
4.3 與ARDUINO結合之轉速量測應用 56
第五章 結論 61
5.1 結論 61
5.2 未來展望 62
參考文獻 63
附錄一 轉速計ARDUINO程式碼 66
作者簡介 69
[1] 吳國宏,1999,霍爾感測器之製程研究,碩士論文,中正理工學院,電機工程研究所,桃園。
[2] 龔定華,1999,磁場感測器製作與特性量測分析,碩士論文,中正理工學院,電機工程研究所,桃園。
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[22] 羅正忠、張鼎張譯,2007,半導體製程技術導論,台灣培生教育出版股份有限公司。
[23] 蕭宏,2013,半導體製程技術導論,全華圖書股份有限公司。
[24] 小林茂,2012,Prototyping Lab邊做邊學Arduino的運用實例,時報文化出版企業股份有限公司。
[25] 劉博文,2006,ULSI製程技術,新文京開發出版股份有限公司。
[26] 陳福春,2004,感測與轉換器,高立圖書有限公司。
[27] 蘇奕肇,1997,感測器應用電路精選,全華科技圖書有限公司。
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