本发明提供一种基于柔性基板的高稳定霍尔元件及其制备方法，该柔性的霍尔元件结构为对称的四叶草结构、缺角矩阵结构、十字星形结构等各种不同的结构。所述霍尔元件结构包括柔性基底、以真空蒸镀方式堆栈而成的两层或多层不同温度霍尔系数的薄膜层、电极以及起保护作用的壳体。所述的柔性基底为塑料或超薄铝片。本发明的一种柔性、高稳定的霍尔元件可减小温度对霍尔电压的影响，提升霍尔元件稳定性，并且它的柔性使其具有广泛的应用前景，比如可以嵌入智能纺织物，用这种纺织物制成的服装可以随时监控人体的各种功能；也可将其作为机器人的控制单元传感元件。
1.一种基于柔性基板的高稳定霍尔元件，其特征在于：包括柔性基板(1)、设置在柔性基板(1)上的半导体导电膜(2)、设置在半导体导电膜(2)端部上的电极(4)以及包覆在半导体导电膜(2)上起保护作用的壳体(3)；所述的半导体导电膜(2)是由正温度霍尔系数薄膜与负温度霍尔系数薄膜堆栈组合的两层薄膜层，或者由正温度霍尔系数薄膜与负温度霍尔系数薄膜间隔堆栈组合的多层薄膜层；所述的半导体导电膜(2)为具有四个端部的中心对称图形；柔性材料选自塑料、超薄铝片、聚酰亚胺或聚萘二甲酸乙二醇酯。
2.根据权利要求1所述的一种基于柔性基板的高稳定霍尔元件，其特征在于：所述的半导体导电膜(2)形状为十字形、缺角矩形、四叶草形或十字星形。
3.根据权利要求1所述的一种基于柔性基板的高稳定霍尔元件，其特征在于：所述的正温度霍尔系数薄膜为InAs薄膜层，负温度霍尔系数薄膜为GaAs薄膜。
4.根据权利要求1所述的一种基于柔性基板的高稳定霍尔元件，其特征在于：所述的电极(4)通过蒸镀金、铅、铟电极点或压铟、导电银胶粘的方法制得。
5.根据权利要求1所述的一种基于柔性基板的高稳定霍尔元件，其特征在于：所述的壳体(3)为非导磁性金属制成。
6.一种根据权利要求1所述的基于柔性基板的高稳定霍尔元件的制备方法，其特征在于：首先在柔性基板(1)上依次通过真空蒸镀、磁控溅射、化学气相沉积或溶胶凝胶方法制备两层或多层不同霍尔系数的薄膜层，然后通过3D打印或覆盖掩膜版的方法制备需要的半导体导电膜(2)形状，再通过刷浆、印刷方式制备电极(4)，最后制备起保护作用的壳体(3)。
7.根据权利要求6所述的基于柔性基板的高稳定霍尔元件的制备方法，其特征在于：具体包括以下步骤：
2)将烘干的柔性基板(1)转入蒸镀室采用真空蒸镀的方式蒸发正温度霍尔系数的薄膜，完成第一半导体导电薄膜的制备；
3)再将完成第一半导体导电薄膜的柔性基板(1)放入烘干箱烘干；
4)转入蒸镀室采用真空蒸镀的方式蒸发负温度霍尔系数的薄膜，完成第二半导体导电薄膜的制备；
5)再将完成第二半导体导电薄膜的柔性基板(1)放入烘干箱烘干；
6)将烘干得到载有半导体导电膜的柔性基板(1)表面进行抛光；
7)抛光完毕后在上表面覆盖曝光区域与十字架形结构重合的掩膜版，并置于UV光下曝光，曝光后刻蚀出半导体导电膜(2)所需结构区域；
8)刻蚀完毕后用相应刻蚀清洗液清洗，去除光刻胶，最后清洗柔性基板(1)，去除残留，放入烘干箱烘干；
9)通过刷银浆，再加热的方式，或金线、铝线的方式制备电极(4)；
10)用非导磁性金属材料作为起保护作用的壳体(3)；
8.根据权利要求7所述的基于柔性基板的高稳定霍尔元件的制备方法，其特征在于：步骤2)和4)中，真空蒸发薄膜材料分别为InAs和GaAs，其对应的厚度均为1-15nm。
一种基于柔性基板的高稳定霍尔元件及其制备方法
技术领域
[0001] 本发明涉及磁传感器和半导体器件应用领域，具体涉及一种基于柔性基板的高稳定霍尔元件及其制备方法。
背景技术
[0002] 霍尔元件是一种基于霍尔效应的磁传感器，广泛应用于机器人及各种智能设备上、电流检测、电机中测定转子转速等诸多领域，如录像机的磁鼓，电脑中的散热风扇等，已发展成一个品种多样的磁传感器产品族。霍尔元件可采用多种半导体材料制作，如Ge(锗)、Si(硅)、InSb(锑化铟)、GaAs(砷化镓)、InAs(砷化铟)、InAsP以及多层半导体异质结构量子阱材料等。当温度改变的时候，半导体材料中的载流子浓度及电阻率都将会发生明显变化。霍尔元件的霍尔系数RH＝1/ned，其中n为半导体载流子浓度。同时霍尔系数还与载流子迁移率μ和电阻率ρ满足如下关系|RH|＝μρ。因而，温度对霍尔元件的霍尔系数及器件等输入输出阻抗有非常大的影响，进而成为影响霍尔传感器输出精度的主要因素。另外，传统的传感器为刚性材料制成，在不小心弯折或碰撞时都可能令其损坏，影响其使用寿命。因此，如何使霍尔器件具有很强的柔韧性，反复弯折时不至损坏；如何提高霍尔元件的温度稳定性，最大程度降低温度对霍尔传感器输出精度的影响是当今霍尔元件的主要研究方向。
发明内容
[0003] 为解决现有技术存在的问题，本发明提供一种基于柔性基板的高稳定的霍尔元件及其制备方法，该柔性、高稳定的霍尔元件不仅具有形状效应系数高、输出电压高，可以降低霍尔系数对温度的响应，进而提升霍尔元件电压的稳定性的特点，更为重要的是该元件轻、薄、结构灵活、具有很强的柔韧性，反复弯折时不至损坏，可立体组装，能取代很多转接部件，这种元件具有广泛的应用前景。
[0004] 为实现上述目的，本发明采用以下技术手段：
[0005] 一种基于柔性基板的高稳定霍尔元件，包括柔性基板、设置在柔性基板上的半导体导电膜、设置在半导体导电膜端部上的电极以及包覆在半导体导电膜上起保护作用的壳体；所述的半导体导电膜由正温度霍尔系数薄膜与负温度霍尔系数薄膜堆栈组合的两层薄膜层，或者由正温度霍尔系数薄膜与负温度霍尔系数薄膜间隔堆栈组合的多层薄膜层；所述的半导体导电膜为具有四个端部的中心对称图形。
[0006] 所述的基板为由柔性材料制成，如塑料、超薄铝片、聚酰亚胺、聚萘二甲酸乙二醇酯等。
[0007] 所述的半导体导电膜形状为十字形、缺角矩形、四叶草形或十字星形等。
[0008] 所述的正温度霍尔系数薄膜为InAs薄膜层，负温度霍尔系数薄膜为GaAs薄膜。
[0009] 所述的电极通过蒸镀金、铅、铟电极点或压铟、导电银胶粘的方法制得。
[0010] 所述的壳体为超薄非导磁性金属。
[0011] 一种基于柔性基板的高稳定霍尔元件的制备方法，包括在柔性基板上依次通过真空蒸镀、磁控溅射、化学气相沉积或溶胶凝胶方法制备两层或多层不同霍尔系数的薄膜层，然后通过3D打印或覆盖掩膜版的方法制备需要的半导体导电膜形状，再通过刷浆、印刷方式制备电极，最后制备起保护作用的壳体。
[0012] 作为本发明的进一步改进，具体包括以下步骤：
[0013] 1)将柔性基板清洗干净，取出后用氮气烘干；
[0014] 2)将烘干的柔性基板转入蒸镀室采用真空蒸镀的方式蒸发正温度霍尔系数的薄膜，完成第一半导体导电薄膜的制备；
[0015] 3)再将完成第一半导体导电薄膜的基板放入烘干箱烘干；
[0016] 4)将烘干的霍尔基板再转入蒸镀室采用真空蒸镀的方式蒸发负温度霍尔系数的薄膜，完成第二半导体导电薄膜的制备；
[0017] 5)再将完成第二半导体导电薄膜的基板放入烘干箱烘干；
[0018] 6)将烘干得到载有半导体导电膜的柔性基板进行抛光；
[0019] 7)抛光完毕后在上表面覆盖曝光区域与十字架形结构重合的掩膜版，并置于UV光下曝光，曝光后刻蚀出半导体导电膜所需结构区域；
[0020] 8)刻蚀完毕后用相应刻蚀清洗液清洗，去除光刻胶，最后清洗基板，去除残留，放入烘干箱烘干；
[0021] 9)通过刷银浆，再加热的方式或金线、铝线的方式制备电极；
[0022] 10)用超薄非导磁性金属作为起保护作用的壳体；
[0023] 至此，制备得到一种基于柔性基板的高稳定霍尔元件。
[0024] 步骤2)和4)中，真空蒸发薄膜材料分别为InAs和GaAs，其对应的厚度均为1-15nm。
[0025] 本发明与现有技术相比，具有以下优点：
[0026] 本发明一种基于柔性基板的高稳定的霍尔元件，通过在柔性基板上以真空蒸镀方式堆栈而成的两层或多层不同温度霍尔系数的薄膜层(如GaAs和InAs)的结构设计、得到的霍尔元件不仅具有形状效应系数高，输出电压高，可以通过控制霍尔系数对温度的响应，进而提升霍尔元件电压的稳定性，而且该元件的组成材料均具有很强的柔韧性，反复弯折时不至损坏，这种元件具有广泛的应用前景。比如可以嵌入智能纺织物，用这种纺织物制成的服装可以随时监控人体的各种功能；也可将其作为机器人的控制单元传感元件。
[0027] 进一步，霍尔元件结构为对称的四叶草结构、缺角矩阵结构、十字星形结构等各种不同的结构，通过3D打印或覆盖掩膜版等方法形成。
[0028] 进一步，电极通过蒸镀金、铅、铟电极点、压铟、导电银胶粘等方式制备，制备方法简单。
[0029] 本发明的制备方法简单，通过在基片上依次堆栈两层或多层不同霍尔系数的薄膜层组合而成霍尔片，通过3D打印或覆盖掩膜版等方法形成多种不同的结构，再依次制备电极、和壳体。制备过程可重复性高，适合工业化推广。
附图说明
[0030] 图1为本发明一种基于柔性基板的高稳定霍尔元件的俯视效果图。其中底层黑色区域1为柔性基底，中间十字形透明区域2为半导体导电膜区域，顶层灰色区域3为壳体，中间层四端阴影区域4为电极。
[0031] 图2是本发明所述的两层或多层不同温度霍尔系数的半导体导电膜的结构示意图；图示黑色5和灰色6分别代表霍尔电压随温度升高而降低和霍尔电压随温度升高而增大的薄膜层。
具体实施方式
[0032] 下面结合附图对本发明作详细描述：
[0033] 如图1所示，一种基于柔性基板的高稳定霍尔元件，包括柔性基底1、由两层或多层不同温度霍尔系数的薄膜层通过真空蒸镀方式堆栈而成的半导体导电膜2、电极4以及起保护作用的壳体3。
[0034] 如图2所示，所述两层或多层不同温度霍尔系数的薄膜层。选用材料霍尔电压随温度增高而增大和霍尔电压随温度增高而降低的半导体导电膜。正温度霍尔系数的薄膜层随温度升高而输出霍尔电压增大，负温度霍尔系数的薄膜层随温度升高而输出霍尔电压降低。
[0035] 所述的霍尔元件结构为对称的四叶草结构、缺角矩阵结构、十字星形结构等各种不同的结构，通过3D打印或覆盖掩膜版等方法形成。其上的半导体导电膜由两层或多层不同霍尔系数的薄膜层形成，可通过真空蒸镀方法制备；
[0036] 所述的电极通过蒸镀金、铅、铟电极点、压铟、导电银胶粘等方式制备；
[0037] 所述的起保护作用的壳体3为超薄非导磁性金属。
[0038] 本发明一种基于柔性基板的高稳定霍尔元件的具体制备过程如下，现以部分材料为例进行说明当然不限于以下材料。
[0039] 柔性基底为塑料或超薄铝片。霍尔元件中半导体导电膜为两层或多层霍尔系数随温度变化不同的半导体材料薄膜堆栈组合而成。
[0040] 采用具体材料为：柔性基底采用塑料；霍尔元件半导体导电膜采用两层或多层不同霍尔系数的半导体材料堆栈组合而成，具体结构如图2所示，再通过3D打印或覆盖掩膜版制备出不同形状的结构(如，四叶草形、缺角矩阵、十字星形等)，如图1。霍尔元件半导体导电膜选用的材料分别为霍尔电压随温度增大而降低的GaAs薄膜层和霍尔电压随温度升高而增大的InAs薄膜层；电极选用含金、铅、铟、银的金属材料；起保护作用的壳体3选用超薄非导磁性金属。
[0041] 所述的不同温度霍尔系数的薄膜材料选用霍尔电压随温度增高而降低的GaAs和霍尔电压随温度增高而增大的InAs，两种材料温度稳定性较高，且具有较宽的使用温度(-55℃—150℃)。
[0042] 实施例1
[0043] 一种基于柔性基板的高稳定霍尔元件制备过程如下：
[0044] 1、将柔性基底1依次放入洗洁精、丙酮、酒精、去离子水中分别超声清洗，取出后用氮气烘干；
[0045] 2、将烘干的柔性基底1转入蒸镀室采用真空蒸镀的方式蒸发霍尔电压随温度升高而降低的GaAs薄膜(厚度为1-20nm)，完成第一半导体导电膜的制备；
[0046] 3、再将完成第一半导体导电膜的基板1放入烘干箱烘干；
[0047] 4、将烘干的霍尔基板1再转入蒸镀室采用真空蒸镀的方式蒸发霍尔电压随温度升高而增大的InAs薄膜(厚度为1-20nm)，完成第二半导体导电膜的制备；
[0048] 5、再将完成第二半导体导电膜的基板1放入烘干箱烘干；
[0049] 6、将烘干得到载有半导体导电膜的柔性基板1使用抛光机对薄膜表面进行抛光；
[0050] 7、抛光完毕后在上表面覆盖曝光区域与所需结构重合的掩膜版，并置于UV光下曝光，曝光后用KOH溶液刻蚀所需结构区域；
[0051] 8、刻蚀完毕后用相应刻蚀清洗液清洗，去除光刻胶，最后用去离子水清洗基板1，去除残留，放入烘干箱烘干；
[0052] 9、通过蒸镀金、铅、铟电极点、压铟、导电银胶粘等方式制备电极；
[0053] 10、用超薄非导磁性金属作为起保护作用的壳体3。
[0054] 至此，一种基于柔性基板的高稳定霍尔元件制备完成。
[0055] 步骤2)和4)中，真空蒸发半导体导电膜材料分别为InAs和GaAs材料，其对应的厚度分别为：1-15nm；步骤6)中，抛光液选用SiO2水溶液，抛光温度为15-30℃。
[0056] 当半导体导电膜2为三层及以上时，半导体导电膜2由正温度霍尔系数薄膜与负温度霍尔系数薄膜间隔堆栈组合的多层薄膜层。
[0057] 以上，仅为本发明的较佳实施例，并非仅限于本发明的实施范围，凡依本发明专利范围的内容所做的等效变化和修饰，都应为本发明的技术范畴。
