磁传感器在汽车、工业以及消费电子等众多应用领域都发挥着至关重要的作用。霍尔效应器件在磁传感器市场中占据最大份额，尤其因其可靠性高、成本低以及与互补金属氧化物半导体（CMOS）工艺兼容性好等优势而备受青睐。
据麦姆斯咨询报道，近期，荷兰代尔夫特理工大学（Delft University of Technology）和英飞凌（Infineon）的研究团队联合开发出一种基于倒金字塔结构的新型三轴霍尔效应磁传感器。该器件采用MEMS微加工技术和CMOS工艺集成制造，综合性能优异。这种新型霍尔效应磁传感器有望成为现有先进三轴磁传感器的一种有极具前景且更简易的替代方案，为位置传感、角度测量和功率监测等多种应用场景，提供精确、可靠的磁传感解决方案。相关研究成果以“Inverted pyramid 3-axis silicon Hall-effect magnetic sensor with offset cancellation”为题发表在Microsystems & Nanoengineering期刊上。
这项研究提出的三轴霍尔效应磁传感器采用八触点倒金字塔结构，其特征角为54.74°，基底为正方形（边长50 μm）。四个触点位于底边四角，另外四个触点位于各底边中点。通过掺杂斜面侧壁构建有源区，形成金字塔壳体结构。这些高掺杂区域延伸到有源区之外，便于与金属迹线连接，并避免了与斜面侧壁相关的图案化问题。整个器件被一层氧化硅钝化层覆盖。金属迹线从金字塔结构向外延伸，并以接触焊盘作为终点，以便进行后续封装。
图1 基于倒金字塔结构的三轴霍尔效应磁传感器的制造工艺流程
图2 基于倒金字塔结构的三轴霍尔效应磁传感器的SEM图像和光学显微镜图像
通过采用多种偏置-检测模式，研究团队验证了该三轴霍尔效应磁传感器可在单个紧凑结构内实现面内与面外磁场的同步检测，与电流相关的灵敏度为64.1 ~ 198 V/A/T，与电压相关的灵敏度为14.8 ~ 21.4 mV/V/T，串扰低于4.7%。结合电流旋转调制技术，可使器件偏移降低1 ~ 3个数量级，测量精度显著提升。研究团队进一步测量了该器件的噪声频谱密度（PSD），结果表明，在1.31 V时，其转折频率低于40 kHz，这意味着该器件可以使用现代CMOS技术节点旋转，且不会因旋转电路而引入额外的误差。
图3 基于倒金字塔结构的三轴霍尔效应磁传感器的传感机制
图4 基于倒金字塔结构的三轴霍尔效应磁传感器的灵敏度和串扰测量
图5 基于倒金字塔结构的三轴霍尔效应磁传感器的原始偏移与残留偏移
图6 基于倒金字塔结构的三轴霍尔效应磁传感器样品的噪声频谱密度
综上所述，这项研究工作开发了一种基于倒金字塔结构的新型三轴霍尔效应磁传感器。该器件通过MEMS微加工技术和标准CMOS工艺得以实现，综合性能优异。研究团队表示，虽然该器件的设计和工艺流程仍有改进空间，然而其无疑是极具潜力的解决方案，是现有先进三轴霍尔效应磁传感器的理想替代者。随着进一步的开发与优化，该器件有望为汽车、工业和消费电子等应用提供精确且经济高效的位置传感和角度测量服务。
论文信息：
https://doi.org/10.1038/s41378-025-00876-9
