一种基于霍尔效应的磁场传感器和其制作方法与流程

1.本技术总体上涉及纳米材料制造以及传感器(探测器)领域，并且具体 地涉及一种基于霍尔效应的磁场传感器和其制作方法。


背景技术：

2.随着市场需求的不断提高和工艺技术的不断发展，器件的微型化具有相 当广阔的应用前景和市场。基于霍尔效应的传感器，简称霍尔传感器，在磁 场传感器中占据大部分份额。然而，霍尔传感器的小型化却遇到挑战。通常 的基于半导体的霍尔传感器尺寸过大，难于进行微小尺度的传感，当传统传 感器尺寸过小时，各种介观效应会使得霍尔传感器的霍尔效应变得非线性， 甚至一些量子效应将会抑制霍尔效应，从而可能使得霍尔传感器失效；此外， 小型化也会迅速增大噪声而导致无法工作。
3.期望一种新型材料的霍尔传感器，其尺寸可以到达纳米级，同时，性能 不会恶化，甚至还能进一步提高。


技术实现要素：

4.一方面，公开了一种霍尔传感器，其包括：衬底；由拓扑绝缘材料制成 的至少一条霍尔条带，所述至少一条霍尔条带附着在该衬底上；以及至少两 个接触电极，分别位于上述至少一条霍尔条带的两端，该接触电极通过导线 与外接电路连接。
5.在一些实施例中，采用的拓扑绝缘材料为(bi,sb)2(te,se)3。
6.在一些实施例中，接触电极包括钯层和金层。
7.在一些实施例中，其中，至少一条霍尔条带的宽度和厚度，以及所述接 触电极的厚度均小于1微米。
8.另一方面，还公开了一种制作霍尔传感器的方法，其包括：通过机械解 理，获得拓扑绝缘材料层；将所述拓扑绝缘材料层附着在绝缘材料制成的衬 底上；通过微加工对所述拓扑绝缘材料薄层进行处理，获得至少一条霍尔条 带；在所述至少一条霍尔条带的两端，通过微加工形成附着于其上的接触电 极，这些接触电极通过导线与外接电路连接。
9.在一些实施例中，其中，拓扑绝缘材料为(bi,sb)2(te,se)3，通过电子束曝 光和反应离子刻蚀，对该拓扑绝缘材料薄层进行处理，以获得至少一条霍尔 条带。
10.在一些实施例中，其中，通过蒸镀将钯层和金层叠加制成接触电极并附 着在霍尔条带的两端。
11.在一些实施例中，其中，至少一条霍尔条带的宽度和厚度，以及所述接 触电极的厚度均小于1微米。
附图说明
12.图1为根据本技术实施例的霍尔传感器的俯视示意图；
13.图2为根据本技术实施例的霍尔传感器的垂直面剖视示意图；
14.图3为根据本技术实施例的一个应用场景的示例；
15.图4为根据本技术实施例的一个霍尔传感器的噪音测量电路原理图；
16.图5为根据本技术实施例的霍尔传感器实测噪声谱；
17.图6为根据本技术实施例的霍尔传感器的电子扫描显微镜下的图像。
[0018][0019][0020]
具体实施方式
[0021]
发明提出了一种新型的基于拓扑绝缘体材料的极小尺寸的霍尔传感器， 其利用拓扑绝缘体的表面态进而减小器件尺寸，降低噪音水平，具有更高的 空间分辨率和较低的噪音水平，且器件的保持性持久。
[0022]
为使本技术的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合具体实施 例，并参照附图，对本技术做进一步的详细说明。
[0023]
图1示出了根据本技术的一个实施例的霍尔传感器100的俯视示意图。 该霍尔传感器100包括衬底110、由拓扑绝缘材料制成的至少一条霍尔条带 120、至少两个接触电极130以及用于与外接电路相连的至少两根导线140。
[0024]
根据一个实施例，其中，衬底由绝缘材料制成。图1中衬底形状为矩形， 这仅是一个示例，事实上，衬底可以是任何形状，只要能够支撑其上的霍尔 条带120、电极130以及导线140即可。例如，制成衬底的绝缘材料可以是 二氧化硅。
[0025]
如图1所示的实施例中，霍尔传感器有两条霍尔条带且彼此交叉。但是， 本技术不限于此，霍尔传感器上的霍尔条带可以设计为一条或不止两条。基 于本技术的霍尔传感器，霍尔条带的数目、排布、相对位置、形状等因素可 以根据实际情况进行设计。
[0026]
图2是沿图1中的pp’线的霍尔传感器示例的剖视图。图2仅仅是一 个示例，它不决定霍尔传感器的各个部件之间的厚度比例。换句话说，组成 霍尔传感器的各个部件的厚度和宽度等尺寸可以根据实际情况来设计。
[0027]
根据一个实施例，衬底可以是厚度为50-300纳米的薄片。
[0028]
根据一个实施例，霍尔条带的宽度可以是70纳米，厚度可以小于100纳 米。
[0029]
根据一个实施例，接触电极的厚度可以是65纳米。
[0030]
霍尔条带由拓扑绝缘材料制成的。本技术利用拓扑绝缘材料无能隙的表 面态，可以实现霍尔传感器器件尺寸达到纳米级，例如100纳米以下，并且 具有较高的空间分辨率和较低的噪音水平。
[0031]
其中，拓扑绝缘材料可以是(bi,sb)2(te,se)3。利用该材料制做的霍尔传感 器中的霍尔条带的宽度可以低于100纳米，例如，为70纳米。
[0032]
霍尔传感器的接触电极可以由导电性能好、延展性好，性能稳定的金属 制成。根据一个实施例，接触电极由金和钯制成，钯和金的比率可以根据实 际需要进行设计，例如，其中金的厚度为60纳米，钯的厚度为5纳米。
[0033]
应当理解，图1和图2所示的霍尔传感器仅是示例性的，而非限制性的。 根据本技术的实施例的霍尔传感器可以具有其它结构，甚至可能还包括其它 一些组件。
[0034]
图3是根据本技术的霍尔传感器的一个应用示例。根据一个实施例，将 被探测磁性物体，例如纳米颗粒，置于霍尔条带交叉部分的中心点(例如图 3所示的霍尔十字叉点o)上方，拓扑绝缘材料制成的霍尔条带的表面态利 用磁性纳米颗粒的磁场而产生霍尔电压，进而可以被测量设备探知，由此可 以测量磁性物体的性质。
[0035]
基于本技术的磁场探测器并不限制被测量的物体的尺寸。如果霍尔传感 器外接微米级电路或尺寸更大的外接电路作辅助，则可以测量更大的磁性物 体的磁场。图3中采用一个纳米磁性颗粒仅仅是一种示范而已。
[0036]
图4为测量本技术实施例提供的霍尔传感器的噪声的电路原理图，图4 中被测量的霍尔传感器有四条霍尔条带。测量方法采用7端法，由于测量中 采用两路隔离的方向相反的电流，可以抵消掉掉外界环境引起的噪音，因此 可以有效地得到真实的霍尔传感器自身产生的噪声水平数据。电流源输出具 有一定频率的电流，当电流流经霍尔传感器的时候，霍尔传感器会产生噪声。 图中的可变阻抗可以通过一个可变电阻和一个电感并联获得。对于磁场传感 器来说，在相同频率的电流流经磁场传感器的时候，如果产生的噪声水平越 低，磁场分辨率就越高，灵敏度就越高。
[0037]
图5是图4中的霍尔传感器的噪声水平随环境温度和电流源电流频率变 化而变化的曲线。这是由图4中的频谱分析仪直观测量出来的。横轴是测量 电路中电流源的输出频率,纵轴是噪声水平的平方，各个曲线对应于不同的环 境温度(采用绝对温度测量)。
[0038]
从图5中可见，在电流频率为1hz时，在环境温度为绝对温度4.2k(液 氮温度)时，基于本技术的霍尔传感器的噪声水平为当环境温 度为绝对温度280k(相当于环境温度7摄氏度)时，基于本技术的霍尔传 感器噪声水平为可见，从液氦温度升到室温，噪声水平变化很 小，分辨率也仅仅变化了2.6倍。这说明了本技术提供的霍尔传感器在广域 的温度范围内的有效性，可以适应宽广的温度范围，极大地丰富了传感器可 利用的场景。
[0039]
此外，在电流为1hz、环境温度为绝对温度4.2k的情况下，本技术提 供的霍尔传感器的噪声水平为结合霍尔斜率计算得到磁矩分 辨能力为8
×
104μ
b
/hz
1/2
，而基于石墨烯基霍尔传感器对应的最佳分辨率为 1.6
×
105μ
b
/hz
1/2
。可见，本技术提供的霍尔传感器，噪声水平低，磁场分辨 率高，灵敏度高
[0040]
本技术还提供了关于本技术的霍尔传感器的制作方法。通过该制作方法， 可以得到整体尺寸为纳米级的霍尔传感器，例如，整体尺寸可以小于1微米， 甚至可以小于100纳米。
[0041]
该制作方法包括以下步骤：通过机械解理，获得拓扑绝缘材料层，并把 该拓扑绝缘材料层附着在绝缘材料制成的衬底上；通过微加工对该拓扑绝缘 材料层进行处理，以获得至少一条霍尔条带；在至少一条霍尔条带的两端， 通过微加工形成附着于其上的接触电极，这些接触电极通过导线与外接电路 连接。
[0042]
根据一个实施例，所采用的拓扑绝缘材料可以是(bi,sb)2(te,se)3，通过电 子束曝光和反应离子刻蚀，对所述拓扑绝缘材料薄层进行处理，以获得所述 至少一条霍尔条带。本技术不限于用其它微加工方法处理拓扑绝缘材料获得 霍尔条带。
[0043]
根据一个实施例，其中，拓扑绝缘材料薄层宽度可以是70纳米，厚度 小于100纳
米，或者更小。
[0044]
根据一个实施例，通过蒸镀将钯层和金层叠加制成接触电极并附着在所 述至少一条霍尔条带的两端，形成的接触电极的厚度可以是65纳米或者更 小。钯层和金层的厚度比率可以根据实际需要进行设计，在一个实施例中， 金层的厚度为60纳米，钯层的厚度为5纳米。本技术不限于用其它微加工 方法在霍尔条带上形成接触电极。而且，形成接触电极的金属也不限于钯和 金，可以是其它导电性能好、延展性好，性能稳定的金属。
[0045]
根据一个实施例，其中，衬底由绝缘材料制成，其可以是任何形状，只 要能够支撑其上的霍尔条带、电极以及导线140即可。例如，制成衬底的绝 缘材料可以是二氧化硅。
[0046]
根据一个实施例，导线的材料可以是导电性能良好、延展性良好的金属。 另外，也可以用引线仪或导电胶将接触电极与外接电路连接。
[0047]
根据本技术提供的制作方法，制成的霍尔传感器的沉底、霍尔条带和接 触电极的尺寸均小于1微米，甚至更小。根据一个实施例，整个霍尔传感器 的总体尺寸可以小于100纳米。
[0048]
图6为按照本技术提供的制作方法生成的一个霍尔传感器在电子显微镜 下的扫描图像，其包括两条相交的霍尔条带。图6(a)中小框内为一个完整 的霍尔传感器的结构，图6(b)为这个霍尔传感器的放大图像。图6(a)中 比例尺为2微米，图6(b)中比例尺为1微米。在这个示例中，生产出的 霍尔传感器的霍尔条带的宽度可以仅为70纳米宽。当然，依据本技术制作 方法制作的霍尔传感器的霍尔条带的尺寸可以是其它尺寸，霍尔条带的数目 也可以是其它数目，霍尔条带彼此之间的相对位置也是可以有其它排布，这 都是可以根据实际需要进行设计的。
[0049]
根据本技术的制作方法，利用拓扑绝缘体无能隙的表面态，实现了一种 新型的极小尺寸的高空间分辨率的霍尔传感器，其尺寸可以比基于传统半导 体的商用霍尔传感器(微米级)小很多，而且噪音水平也较低。
[0050]
贯穿说明书和权利要求书，除非上下文清楚地另有要求，否则措词“包 括”、“包含”等应当以与排他性或穷尽性的意义相反的包括性的意义来解 释，也就是说，应当以“包括但不限于”的意义来解释。另外，措词“在本 文中”、“上文”、“下文”以及相似含义的措词在本技术中使用时应当指 作为整体的本技术，而不是本技术的任何具体部分。在上下文允许时，在使 用单数或复数的以上描述中的措词也可以分别包括复数或单数。关于在提及 两个或多个项目的列表时的措词“或”，该措词涵盖该措词的以下解释中的 全部：列表中的任何项目，列表中的所有项目，以及列表中的项目的任何组 合。另外，措词“第一”、“第二”等旨在用于区分，而不是用于强调次序 或重要程度。
[0051]
虽然已经描述了本技术的一些实施例，但是这些实施例仅作为示例而呈 现，而不打算限制本技术的范围。实际上，在本文中所描述的制作方法和霍 尔传感器可以采用多种其它形式来实施。另外，可以在不脱离本技术的范围 的情况下，在本文中所描述的制作方法和霍尔传感器的形式上做出各种省略、 替换和改变。