磁傳感器在汽車、工業以及消費電子等眾多應用領域都發揮著至關重要的作用。霍爾效應器件在磁傳感器市場中占據最大份額，尤其因其可靠性高、成本低以及與互補金屬氧化物半導體（CMOS）工藝兼容性好等優勢而備受青睞。
據麥姆斯咨詢報道，近期，荷蘭代爾夫特理工大學（Delft University of Technology）和英飛凌（Infineon）的研究團隊聯合開發出一種基于倒金字塔結構的新型三軸霍爾效應磁傳感器。該器件采用MEMS微加工技術和CMOS工藝集成制造，綜合性能優異。這種新型霍爾效應磁傳感器有望成為現有先進三軸磁傳感器的一種有極具前景且更簡易的替代方案，為位置傳感、角度測量和功率監測等多種應用場景，提供精確、可靠的磁傳感解決方案。相關研究成果以“Inverted pyramid 3-axis silicon Hall-effect magnetic sensor with offset cancellation”為題發表在Microsystems & Nanoengineering期刊上。
這項研究提出的三軸霍爾效應磁傳感器采用八觸點倒金字塔結構，其特征角為54.74°，基底為正方形（邊長50 μm）。四個觸點位于底邊四角，另外四個觸點位于各底邊中點。通過摻雜斜面側壁構建有源區，形成金字塔殼體結構。這些高摻雜區域延伸到有源區之外，便于與金屬跡線連接，并避免了與斜面側壁相關的圖案化問題。整個器件被一層氧化硅鈍化層覆蓋。金屬跡線從金字塔結構向外延伸，并以接觸焊盤作為終點，以便進行后續封裝。
圖1 基于倒金字塔結構的三軸霍爾效應磁傳感器的制造工藝流程
圖2 基于倒金字塔結構的三軸霍爾效應磁傳感器的SEM圖像和光學顯微鏡圖像
通過采用多種偏置-檢測模式，研究團隊驗證了該三軸霍爾效應磁傳感器可在單個緊湊結構內實現面內與面外磁場的同步檢測，與電流相關的靈敏度為64.1 ~ 198 V/A/T，與電壓相關的靈敏度為14.8 ~ 21.4 mV/V/T，串擾低于4.7%。結合電流旋轉調制技術，可使器件偏移降低1 ~ 3個數量級，測量精度顯著提升。研究團隊進一步測量了該器件的噪聲頻譜密度（PSD），結果表明，在1.31 V時，其轉折頻率低于40 kHz，這意味著該器件可以使用現代CMOS技術節點旋轉，且不會因旋轉電路而引入額外的誤差。
圖3 基于倒金字塔結構的三軸霍爾效應磁傳感器的傳感機制
圖4 基于倒金字塔結構的三軸霍爾效應磁傳感器的靈敏度和串擾測量
圖5 基于倒金字塔結構的三軸霍爾效應磁傳感器的原始偏移與殘留偏移
圖6 基于倒金字塔結構的三軸霍爾效應磁傳感器樣品的噪聲頻譜密度
綜上所述，這項研究工作開發了一種基于倒金字塔結構的新型三軸霍爾效應磁傳感器。該器件通過MEMS微加工技術和標準CMOS工藝得以實現，綜合性能優異。研究團隊表示，雖然該器件的設計和工藝流程仍有改進空間，然而其無疑是極具潛力的解決方案，是現有先進三軸霍爾效應磁傳感器的理想替代者。隨著進一步的開發與優化，該器件有望為汽車、工業和消費電子等應用提供精確且經濟高效的位置傳感和角度測量服務。
論文信息：
https://doi.org/10.1038/s41378-025-00876-9
