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臺灣博碩士論文加值系統

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研究生:郭仲剛
研究生(外文):KUO, Chung-Kang
論文名稱:陣列式微型霍爾感測器設計與應用
論文名稱(外文):Design of Array Micro Hall Sensors and Their Applications
指導教授:李佳言
指導教授(外文):Chia-Yen Lee
口試委員:傅龍明林哲信
口試委員(外文):Lung-Ming FuChe-Hsin Lin
口試日期:2019-06-28
學位類別:碩士
校院名稱:國立屏東科技大學
系所名稱:材料工程研究所
學門:工程學門
學類:材料工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2019
畢業學年度:107
語文別:中文
論文頁數:73
中文關鍵詞:微機電系統霍爾感測器霍爾效應離子佈植感測器陣列
外文關鍵詞:MEMSHall SensorHall EffectIon ImplanterSensor Array
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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,以P型矽(Si)基板為基礎,上方使用高密度電漿化學氣相沉積系統(High Density Plasma Chemical Vapor Deposition)沉積二氧化矽(SiO2)作為隔絕層後,以離子佈植(Ion implanter)在矽基板上佈植磷離子,經由退火處理活化離子並修復基板損傷,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。
本研究製作的感測器會因磁場變化產生霍爾效應(Hall effect),而載子偏移產生的電壓稱為霍爾電壓。以釹鐵硼磁鐵作為磁場源,調整距離進行多次磁場與霍爾電壓量測,可觀察其對於磁場之靈敏度。並以MEGA2560開發版搭配電磁鐵模組測試其響應速度。本研究設計四種同長寬比但不同尺寸的十字形霍爾感測器,經數據比對發現其靈敏度與響應速度均無太大差異,但是反應區尺寸越小之感測器,未通磁時的霍爾電壓輸出會越接近理論值。將最佳尺寸感測器重新設計電極,使其擁有更小的封裝尺寸,並搭配3D列印外殼組成3 × 3霍爾陣列模組,能夠將量測數據轉換為色階分佈圖出快速分析出測試試片上的磁場分佈情形。
  The objective of this study is to design and fabricate Hall Sensors with MEMS technology. Their structure consist of P-type silicon substrates and SiO2 isolation layers deposited by High Density Plasma Chemical Vapor Deposition(HDPCVD) andphosphorus ion implanted layers. 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 carriers, wherea Hall voltage can be measured. In the study, four kinds of cross Hall sensors are designed and fabricated. They have identical aspect ratio but different sizes. Their sensitivities and response time are almost the same.But the performance smallest sensor is the closest to the theoretical unbalanced voltage. 3D printed frames are assembled with 3 × 3 array modules. The measurement data is converted into a contour map to quickly analyze the magnetic field distribution.
目錄
摘要 I
ABSTRACTII
誌謝 III
目錄 IV
表目錄 VII
圖目錄 VIII
第1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7
1.6 研究方法與本文架構8
第2章 設計方法 9
2.1 設計概念 9
2.2 霍爾效應 9
2.2.1 霍爾效應基本原理9
2.2.2 形狀因素 12
2.2.3 靈敏度14
2.2.4 材料特性 16
2.2.5 霍爾元件等效電路17
2.2.6 不平衡電壓17
2.3 晶片設計 18
2.4 電路設計 19
2.5 介面軟體 22
2.5.1 LabVIEW軟體概述22
2.5.2 軟體程式 23
2.6 儀器設備 26
第3章 製程技術與步驟29
3.1 晶片製程 29
3.2 基板選用 31
3.3 化學氣相沉積32
3.4 校準記號 33
3.5 微影製程 35
3.6 離子佈植 42
3.7 金屬鍍膜 46
3.8 金屬剝離法47
3.9 排母接合 49
3.10 冷鑲埋50
第4章 結果與討論51
4.1 霍爾感測器靈敏度量測51
4.1.1 平台量測架構51
4.1.2 霍爾感測器電阻量測52
4.1.3 霍爾感測器工作電流53
4.1.4 霍爾感測器與磁場之關係54
4.2 霍爾感測器磁滯測試58
4.3 霍爾感測器響應時間測試59
4.4 與ARDUINO結合之磁場感測器應用64
4.4.1 陣列模組與測試基板設計64
4.4.2 結果與討論66
第5章 結論68
5.1 結論68
5.2 未來展望 69
參考文獻 70
作者簡介 73

表目錄
表2-1半導體材料的性質[17] 16
表2-2 AD620之規格特性說明表[8]21
表3-1晶圓規格表32
表3-2光阻塗佈參數表37
表3-3微影製程參數整理表41
表3-4磷元素相關數據[24]42
表3-5離子佈植參數44
表3-6金元素相關數據[24]47
表3-7導電銀膠固化參數表49
表4-1霍爾感測器輸入端量測結果52
表4-2工作電流10 mA下靈敏度與線性度比較表57
表4-3工作電流7 mA下靈敏度與線性度比較表57
表4-4工作電流2 mA下靈敏度與線性度比較表57


圖目錄
圖1-1霍爾效應原理4
圖1-2使用ICP蝕刻之感測區表面[4]5
圖1-3在20倍顯微鏡下的霍爾感測器[6]5
圖1-4使用銅做為感測器主要感測區[8]6
圖1-5以磷離子佈植製作出之霍爾感測器[9]6
圖2-1霍爾感測器架構圖 9
圖2-2加磁場時的固體中電子的運動變化[10]12
圖2-3長方形半導體材料的電流分佈圖[10]13
圖2-4霍爾元件的基本構造[8] 14
圖2-5矩形霍爾板與十字形霍爾板之間的轉換曲線[11]15
圖2-6霍爾元件等效電路[1]17
圖2-7不平衡電壓補償[1]18
圖2-8圖形設計 18
圖2-9 AD620儀表放大器內部電路圖[13]20
圖2-10 AD620儀表放大器腳位示意圖[13]20
圖2-11 AD620放大電路示意圖[8]22
圖2-12響應時間量測平台程式24
圖2-13 LINX硬體韌體燒錄精靈24
圖2-14 響應時間量測平台人機介面25
圖2-15陣列模組信號視覺化平台程式25
圖2-16陣列模組信號視覺化平台人機介面26
圖2-17高密度電漿化學氣相沉積系統 [32]26
圖2-18光罩對準機 [32]27
圖2-19加熱平台(左)、旋轉塗佈機(右)27
圖2-20雙電子槍蒸鍍機 [32]28
圖3-1製程步驟29
圖3-2第一道光罩示意圖30
圖3-3第二道光罩示意圖30
圖3-4第三道光罩示意圖31
圖3-5沉積二氧化矽中的矽晶圓33
圖3-6校準記號光罩示意圖34
圖3-7完成所有製程之校準記號34
圖3-8光阻與轉速關係圖 [32]37
圖3-9光罩校準40
圖3-10利用AZ400K進行顯影40
圖3-11光學顯微鏡檢驗微影結果41
圖3-12經過離子佈植的試片 43
圖3-13不同退火溫度其電壓電流特性曲線差異45
圖3-14接觸窗製作45
圖3-15完成蒸鍍之試片47
圖3-16金屬剝離法流程圖[8]48
圖3-17完成金屬剝離法之試片48
圖3-18晶片與排母進行接合49
圖3-19感測器成品50
圖4-1霍爾感測器靈敏度量測架構51
圖4-2霍爾感測器量測腳位52
圖4-3電壓轉電流控制模組53
圖4-4 XL尺寸霍爾感測器之霍爾電壓與磁場關係圖55
圖4-5 L尺寸霍爾感測器之霍爾電壓與磁場關係圖55
圖4-6 M尺寸霍爾感測器之霍爾電壓與磁場關係圖56
圖4-7 S尺寸霍爾感測器之霍爾電壓與磁場關係圖56
圖4-8霍爾感測器磁滯測試58
圖4-9霍爾感測器響應時間量測架構59
圖4-10 XL尺寸霍爾感測器響應時間量測結果60
圖4-11 XL尺寸0.7秒~1.3秒響應時間量測結果60
圖4-12 L尺寸霍爾感測器響應時間量測結果61
圖4-13 L尺寸0.7秒~1.3秒響應時間量測結果61
圖4-14 M尺寸霍爾感測器響應時間量測結果62
圖4-15 M尺寸0.7秒~1.3秒響應時間量測結果62
圖4-16 S尺寸霍爾感測器響應時間量測結果63
圖4-17 S尺寸0.7秒~1.3秒響應時間量測結果63
圖4-18測試用感測器(左)與陣列用感測器 (右)64
圖4-19陣列感測模組65
圖4-20測試基板正面(上)測試基板背面(下)65
圖4-21陣列感測模組單點量測測試66
圖4-22陣列感測模組多點量測測試67
參考文獻
[1] 盧明智、陳政傳,2005,感測器原理與應用實習,台科大書局。
[2] 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。
[3] 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。
[4] 蔡元繽,2004,電力電流微感測器設計,碩士論文,國立臺灣科技大學,電機工程系,台北。
[5] 陳坤隆,2006,電力電流微感測器測試與改善,碩士論文,國立臺灣科技大學,電機工程系,台北。
[6] Madec, M., Kammerer, J.B., Hebrard, L., and Lallement, C., 2011, “An accurate compact model for CMOS cross-shaped Hall effect sensors,” Sensors and Actuators A: Physical, Vol. 171, No. 2, pp. 69-78.
[7] Paun, M.A., 2015, “Three-dimensional simulations in optimal performance trial between two types of Hall sensors fabrication technologies,” Journal of Magnetism and Magnetic Materials, Vol. 391, pp. 122-128.
[8] Sentkerestiová, J., Duran, I., Kovarík, K., Viererbld, L., Kohoute, M., 2013, “Performance of metal Hall sensors based on copper,” Fusion Engineering and Design, Vol. 88, pp. 1310-1314.
[9] 簡定均,2017,微型霍爾感測器設計與製作,碩士論文,國立屏東科技大學,車輛工程系,屏東。
[10] Schott, C., Waser, J.M., Popovic, R.S., 2000, “Single-chip 3-D silicon Hall sensor,” Sensors and Actuators, Vol. 82, pp. 167-173.
[11] 伍秀菁,2005,微機電系統技術與應用,全華圖書股份有限公司。
[12] 吳峰日,1997,感測與轉換器,文笙書局。
[13] 蕭宏,2013,半導體製程技術導論,全華圖書股份有限公司。
[14] Sileo, L., Todaro, M.T., Tasco, V., Vittorio, M.D., Passaseo, A., 2010, “Fully integrated three-axis Hall magnetic sensor based on micromachined structures,” Microelectronic Engineering, Vol. 87, pp. 1217-1219.
[15] Maria-Alexandra, P., 2016, “Regular Bulk CMOS Hall Effect Sensors Employment in Solid-State Power and Energy Meters,” Procedia Computer Science, Vol. 83, pp, 863-869.
[16] Chih-Ping, Y., Guo-Ming, S., 2012, ”Two-dimensional folded CMOS Hall device with interacting lateral magneto transistor and magneto resistor,” Sensors and Actuators A: Physical, Vol. 182, pp.6-15.
[17] Maria-Alexandra, P., Udrea, F., 2014, “SOI Hall cells design selection using three-dimensional physical simulations,” Journal of Magnetism and Magnetic Materials, Vol. 372, pp. 141-146.
[18] Persson, A., Bejhed, R.S., Nguyen, H., Gunnarsson, K., Dalslet, B.T., Østerbergc, F.W., Hansenc, M.F., Svedlindh, P., 2011, “Low-frequency noise in planar Hall effect bridge sensors,” Sensors and Actuators A: Physical, Vol. 171, pp.212-218.
[19] Melleta, D.S., Plessisb, M., 2014, “A novel CMOS Hall effect sensor,” Sensors and Actuators A: Physical, Vol. 211, pp. 60-66.
[20] Kerlain, A., Mosser, V., 2008, “Dynamic low-frequency noise cancellation in quantum well Hall sensors (QWHS),” Sensors and Actuators A, Vol. 142, pp. 528-532.
[21] 張文恭、江昭皚譯,2001,運算放大器原理與應用,儒林圖書有限公司。
[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] 葉倍宏,2013,LabVIEW圖形化程式設計,松崗數位文創股份有限公司。
[24] 林俊宏,2007,圖形系統設計之硬體介面專題製作LabVIEW 8X,INTERNATIONAL THOMSON。
[25] 陳福春,2004,感測與轉換器,高立圖書有限公司。
[26] 蘇奕肇,1997,感測器應用電路精選,全華科技圖書有限公司。
[27] 曾吉弘,2013,LabVIEW for Arduino : 控制與應用的完美結合,馥林文化出版社。
[28] 許永和,2016,介面設計與實習 : 使用LabVIEW(NI-VISA),全華圖書股份有限公司。
[29] 孫清華,1994,感測器應用電路的設計與製作,全華圖書股份有限公司。
[30] 張連璧,1991,磁感測器及使用法,文笙書局。
[31] 蔡淑慧,2007,半導體工程精選,五南圖書出版股份有限公司。
[32] 國科會高屏地區奈米核心設施共同實驗室 - 國立中山大學奈米科技研發中心網頁,檢自http://140.117.32.239:81/nano/ncf/facilities.asp (Oct. 12, 2016)
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