本發(fā)明涉及磁傳感器和半導(dǎo)體器件應(yīng)用領(lǐng)域，具體涉及一種基于柔性基板的高穩(wěn)定霍爾元件及其制備方法。

背景技術(shù)：

霍爾元件是一種基于霍爾效應(yīng)的磁傳感器，廣泛應(yīng)用于機(jī)器人及各種智能設(shè)備上、電流檢測、電機(jī)中測定轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速等諸多領(lǐng)域，如錄像機(jī)的磁鼓，電腦中的散熱風(fēng)扇等，已發(fā)展成一個(gè)品種多樣的磁傳感器產(chǎn)品族。霍爾元件可采用多種半導(dǎo)體材料制作，如Ge(鍺)、Si(硅)、InSb(銻化銦)、GaAs(砷化鎵)、InAs(砷化銦)、InAsP以及多層半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)構(gòu)量子阱材料等。當(dāng)溫度改變的時(shí)候，半導(dǎo)體材料中的載流子濃度及電阻率都將會發(fā)生明顯變化?；魻栐幕魻栂禂?shù)R_H＝1/ned，其中n為半導(dǎo)體載流子濃度。同時(shí)霍爾系數(shù)還與載流子遷移率μ和電阻率ρ滿足如下關(guān)系|R_H|＝μρ。因而，溫度對霍爾元件的霍爾系數(shù)及器件等輸入輸出阻抗有非常大的影響，進(jìn)而成為影響霍爾傳感器輸出精度的主要因素。另外，傳統(tǒng)的傳感器為剛性材料制成，在不小心彎折或碰撞時(shí)都可能令其損壞，影響其使用壽命。因此，如何使霍爾器件具有很強(qiáng)的柔韌性，反復(fù)彎折時(shí)不至損壞；如何提高霍爾元件的溫度穩(wěn)定性，最大程度降低溫度對霍爾傳感器輸出精度的影響是當(dāng)今霍爾元件的主要研究方向。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為解決現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，本發(fā)明提供一種基于柔性基板的高穩(wěn)定的霍爾元件及其制備方法，該柔性、高穩(wěn)定的霍爾元件不僅具有形狀效應(yīng)系數(shù)高、輸出電壓高，可以降低霍爾系數(shù)對溫度的響應(yīng)，進(jìn)而提升霍爾元件電壓的穩(wěn)定性的特點(diǎn)，更為重要的是該元件輕、薄、結(jié)構(gòu)靈活、具有很強(qiáng)的柔韌性，反復(fù)彎折時(shí)不至損壞，可立體組裝，能取代很多轉(zhuǎn)接部件，這種元件具有廣泛的應(yīng)用前景。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)手段：

一種基于柔性基板的高穩(wěn)定霍爾元件，包括柔性基板、設(shè)置在柔性基板上的半導(dǎo)體導(dǎo)電膜、設(shè)置在半導(dǎo)體導(dǎo)電膜端部上的電極以及包覆在半導(dǎo)體導(dǎo)電膜上起保護(hù)作用的殼體；所述的半導(dǎo)體導(dǎo)電膜由正溫度霍爾系數(shù)薄膜與負(fù)溫度霍爾系數(shù)薄膜堆棧組合的兩層薄膜層，或者由正溫度霍爾系數(shù)薄膜與負(fù)溫度霍爾系數(shù)薄膜間隔堆棧組合的多層薄膜層；所述的半導(dǎo)體導(dǎo)電膜為具有四個(gè)端部的中心對稱圖形。

所述的基板為由柔性材料制成，如塑料、超薄鋁片、聚酰亞胺、聚萘二甲酸乙二醇酯等。

所述的半導(dǎo)體導(dǎo)電膜形狀為十字形、缺角矩形、四葉草形或十字星形等。

所述的正溫度霍爾系數(shù)薄膜為InAs薄膜層，負(fù)溫度霍爾系數(shù)薄膜為GaAs薄膜。

所述的電極通過蒸鍍金、鉛、銦電極點(diǎn)或壓銦、導(dǎo)電銀膠粘的方法制得。

所述的殼體為超薄非導(dǎo)磁性金屬。

一種基于柔性基板的高穩(wěn)定霍爾元件的制備方法，包括在柔性基板上依次通過真空蒸鍍、磁控濺射、化學(xué)氣相沉積或溶膠凝膠方法制備兩層或多層不同霍爾系數(shù)的薄膜層，然后通過光刻、3D打印或覆蓋掩膜版的方法制備需要的半導(dǎo)體導(dǎo)電膜形狀，再通過刷漿、印刷方式制備電極，最后制備起保護(hù)作用的殼體。

作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，具體包括以下步驟：

1)將柔性基板清洗干凈，取出后用氮?dú)夂娓桑?/p>

2)將烘干的柔性基板轉(zhuǎn)入蒸鍍室采用真空蒸鍍的方式蒸發(fā)正溫度霍爾系數(shù)的薄膜，完成第一半導(dǎo)體導(dǎo)電薄膜的制備；

3)再將完成第一半導(dǎo)體導(dǎo)電薄膜的基板放入烘干箱烘干；

4)將烘干的霍爾基板再轉(zhuǎn)入蒸鍍室采用真空蒸鍍的方式蒸發(fā)負(fù)溫度霍爾系數(shù)的薄膜，完成第二半導(dǎo)體導(dǎo)電薄膜的制備；

5)再將完成第二半導(dǎo)體導(dǎo)電薄膜的基板放入烘干箱烘干；

6)將烘干得到載有半導(dǎo)體導(dǎo)電膜的柔性基板進(jìn)行拋光；

7)拋光完畢后在上表面覆蓋曝光區(qū)域與十字架形結(jié)構(gòu)重合的掩膜版，并置于UV光下曝光，曝光后刻蝕出半導(dǎo)體導(dǎo)電膜所需結(jié)構(gòu)區(qū)域；

8)刻蝕完畢后用相應(yīng)刻蝕清洗液清洗，去除光刻膠，最后清洗基板，去除殘留，放入烘干箱烘干；

9)通過刷銀漿，再加熱的方式或金線、鋁線的方式制備電極；

10)用超薄非導(dǎo)磁性金屬作為起保護(hù)作用的殼體；

至此，制備得到一種基于柔性基板的高穩(wěn)定霍爾元件。

步驟2)和4)中，真空蒸發(fā)薄膜材料分別為InAs和GaAs，其對應(yīng)的厚度均為1-15nm。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下優(yōu)點(diǎn)：

本發(fā)明一種基于柔性基板的高穩(wěn)定的霍爾元件，通過在柔性基板上以真空蒸鍍方式堆棧而成的兩層或多層不同溫度霍爾系數(shù)的薄膜層(如GaAs和InAs)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、得到的霍爾元件不僅具有形狀效應(yīng)系數(shù)高，輸出電壓高，可以通過控制霍爾系數(shù)對溫度的響應(yīng)，進(jìn)而提升霍爾元件電壓的穩(wěn)定性，而且該元件的組成材料均具有很強(qiáng)的柔韌性，反復(fù)彎折時(shí)不至損壞，這種元件具有廣泛的應(yīng)用前景。比如可以嵌入智能紡織物，用這種紡織物制成的服裝可以隨時(shí)監(jiān)控人體的各種功能；也可將其作為機(jī)器人的控制單元傳感元件。

進(jìn)一步，霍爾元件結(jié)構(gòu)為對稱的四葉草結(jié)構(gòu)、缺角矩陣結(jié)構(gòu)、十字星形結(jié)構(gòu)等各種不同的結(jié)構(gòu)，通過光刻、3D打印或覆蓋掩膜版等方法形成。

進(jìn)一步，電極通過蒸鍍金、鉛、銦電極點(diǎn)、壓銦、導(dǎo)電銀膠粘等方式制備，制備方法簡單。

本發(fā)明的制備方法簡單，通過在基片上依次堆棧兩層或多層不同霍爾系數(shù)的薄膜層組合而成霍爾片，通過光刻、3D打印或覆蓋掩膜版等方法形成多種不同的結(jié)構(gòu)，再依次制備電極、和殼體。制備過程可重復(fù)性高，適合工業(yè)化推廣。

【附圖說明】

圖1為本發(fā)明一種基于柔性基板的高穩(wěn)定霍爾元件的俯視效果圖。其中底層黑色區(qū)域1為柔性基底，中間十字形透明區(qū)域2為半導(dǎo)體導(dǎo)電膜區(qū)域，頂層灰色區(qū)域3為殼體，中間層四端陰影區(qū)域4為電極。

圖2是本發(fā)明所述的兩層或多層不同溫度霍爾系數(shù)的半導(dǎo)體導(dǎo)電膜的結(jié)構(gòu)示意圖；圖示黑色5和灰色6分別代表霍爾電壓隨溫度升高而降低和霍爾電壓隨溫度升高而增大的薄膜層。

【具體實(shí)施方式】

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作詳細(xì)描述：

如圖1所示，一種基于柔性基板的高穩(wěn)定霍爾元件，包括柔性基底1、由兩層或多層不同溫度霍爾系數(shù)的薄膜層通過真空蒸鍍方式堆棧而成的半導(dǎo)體導(dǎo)電膜2、電極4以及起保護(hù)作用的殼體3。

如圖2所示，所述兩層或多層不同溫度霍爾系數(shù)的薄膜層。選用材料霍爾電壓隨溫度增高而增大和霍爾電壓隨溫度增高而降低的半導(dǎo)體導(dǎo)電膜。正溫度霍爾系數(shù)的薄膜層隨溫度升高而輸出霍爾電壓增大，負(fù)溫度霍爾系數(shù)的薄膜層隨溫度升高而輸出霍爾電壓降低。

所述的霍爾元件結(jié)構(gòu)為對稱的四葉草結(jié)構(gòu)、缺角矩陣結(jié)構(gòu)、十字星形結(jié)構(gòu)等各種不同的結(jié)構(gòu)，通過光刻、3D打印或覆蓋掩膜版等方法形成。其上的半導(dǎo)體導(dǎo)電膜由兩層或多層不同霍爾系數(shù)的薄膜層形成，可通過真空蒸鍍方法制備；

所述的電極通過蒸鍍金、鉛、銦電極點(diǎn)、壓銦、導(dǎo)電銀膠粘等方式制備；

所述的起保護(hù)作用的殼體3為超薄非導(dǎo)磁性金屬。

本發(fā)明一種基于柔性基板的高穩(wěn)定霍爾元件的具體制備過程如下，現(xiàn)以部分材料為例進(jìn)行說明當(dāng)然不限于以下材料。

柔性基底為塑料或超薄鋁片?；魻栐邪雽?dǎo)體導(dǎo)電膜為兩層或多層霍爾系數(shù)隨溫度變化不同的半導(dǎo)體材料薄膜堆棧組合而成。

采用具體材料為：柔性基底采用塑料；霍爾元件半導(dǎo)體導(dǎo)電膜采用兩層或多層不同霍爾系數(shù)的半導(dǎo)體材料堆棧組合而成，具體結(jié)構(gòu)如圖2所示，再通過光刻、3D打印或覆蓋掩膜版制備出不同形狀的結(jié)構(gòu)(如，四葉草形、缺角矩陣、十字星形等)，如圖1?；魻栐雽?dǎo)體導(dǎo)電膜選用的材料分別為霍爾電壓隨溫度增大而降低的GaAs薄膜層和霍爾電壓隨溫度升高而增大的InAs薄膜層；電極選用含金、鉛、銦、銀的金屬材料；起保護(hù)作用的殼體3選用超薄非導(dǎo)磁性金屬。

所述的不同溫度霍爾系數(shù)的薄膜材料選用霍爾電壓隨溫度增高而降低的GaAs和霍爾電壓隨溫度增高而增大的InAs，兩種材料溫度穩(wěn)定性較高，且具有較寬的使用溫度(-55℃—150℃)。

實(shí)施例1

一種基于柔性基板的高穩(wěn)定霍爾元件制備過程如下：

1、將柔性基底1依次放入洗潔精、丙酮、酒精、去離子水中分別超聲清洗，取出后用氮?dú)夂娓桑?/p>

2、將烘干的柔性基底1轉(zhuǎn)入蒸鍍室采用真空蒸鍍的方式蒸發(fā)霍爾電壓隨溫度升高而降低的GaAs薄膜(厚度為1-20nm)，完成第一半導(dǎo)體導(dǎo)電膜的制備；

3、再將完成第一半導(dǎo)體導(dǎo)電膜的基板1放入烘干箱烘干；

4、將烘干的霍爾基板1再轉(zhuǎn)入蒸鍍室采用真空蒸鍍的方式蒸發(fā)霍爾電壓隨溫度升高而增大的InAs薄膜(厚度為1-20nm)，完成第二半導(dǎo)體導(dǎo)電膜的制備；

5、再將完成第二半導(dǎo)體導(dǎo)電膜的基板1放入烘干箱烘干；

6、將烘干得到載有半導(dǎo)體導(dǎo)電膜的柔性基板1使用拋光機(jī)對薄膜表面進(jìn)行拋光；

7、拋光完畢后在上表面覆蓋曝光區(qū)域與所需結(jié)構(gòu)重合的掩膜版，并置于UV光下曝光，曝光后用KOH溶液刻蝕所需結(jié)構(gòu)區(qū)域；

8、刻蝕完畢后用相應(yīng)刻蝕清洗液清洗，去除光刻膠，最后用去離子水清洗基板1，去除殘留，放入烘干箱烘干；

9、通過蒸鍍金、鉛、銦電極點(diǎn)、壓銦、導(dǎo)電銀膠粘等方式制備電極；

10、用超薄非導(dǎo)磁性金屬作為起保護(hù)作用的殼體3。

至此，一種基于柔性基板的高穩(wěn)定霍爾元件制備完成。

步驟2)和4)中，真空蒸發(fā)半導(dǎo)體導(dǎo)電膜材料分別為InAs和GaAs材料，其對應(yīng)的厚度分別為：1-15nm；步驟6)中，拋光液選用SiO₂水溶液，拋光溫度為15-30℃。

當(dāng)半導(dǎo)體導(dǎo)電膜2為三層及以上時(shí)，半導(dǎo)體導(dǎo)電膜2由正溫度霍爾系數(shù)薄膜與負(fù)溫度霍爾系數(shù)薄膜間隔堆棧組合的多層薄膜層。

以上，僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例，并非僅限于本發(fā)明的實(shí)施范圍，凡依本發(fā)明專利范圍的內(nèi)容所做的等效變化和修飾，都應(yīng)為本發(fā)明的技術(shù)范疇。