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

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