BG112007A

BG112007A - A plain magnetically sensitive hall’s effect sensor

Info

Publication number: BG112007A
Application number: BG112007A
Authority: BG
Inventors: Сия ЛОЗАНОВА; Чавдар РУМЕНИН
Original assignee: Институт По Системно Инженерство И Роботика - Бан
Priority date: 2015-05-08
Filing date: 2015-05-08
Publication date: 2016-11-30
Also published as: BG66885B1

Abstract

The plain-magnetically sensitive Hall’s effect sensor contains an electricity supplying unit (1) and an n-type rectangular semiconductor wafer (2), on the one side of which are placed evenly spaced from each other and in order five rectangular ohmic contacts-first (3), second (4), third (5), fourth (6) and fifth (7). The third contact (5) is central, as the first (3) and fifth (7), conversely the second (4) and fourth (6) are symmetrical to it. The magnetic field (10) which is measured is parallel to both the plain of the wafer (2) as well as to the long sides of the ohmic contacts (3, 4, 5, 6 and 7). One of the exits of the electricity supplying unit (1) is connected to the second contact (4) and the other to the fourth (6) contact. There are two differential exits (8 and 9), the first (3) and the central (5) contacts are one of the exits, and the central (5) and the fifth (7) contact are the other exit

Description

Изобретението се отнася до равнинно-магниточувствителен елемент на Хол, приложимо в областта на роботиката и роботизираните безпилотни летателни апарати, сензориката, енергетиката и енергийната ефективност, мехатрониката и когнитивните интелигентни системи, микро- и нано-технологиите, безконтактното измерване на ъглови и линейни премествания, електромобилите и хибридните превозни средства, биомедицината, контролно-измервателната техника, слабополевата магнитометрия, военното дело и сигурността.The invention relates to a plane-magnetosensitive Hall element, applicable in the field of robotics and robotic unmanned aerial vehicles, sensors, energy and energy efficiency, mechatronics and cognitive intelligent systems, micro- and nano-technologies, non-contact measurement of angular and linear electric vehicles and hybrid vehicles, biomedicine, control and measurement equipment, low-field magnetometry, military affairs and security.

ПРЕДШЕСТВАЩО СЪСТОЯНИЕ HA ТЕХНИКАТАBACKGROUND OF THE INVENTION

Известен е равнинно-магниточувствителен елемент на Хол, съдържащ токоизточник и правоъгълна полупроводникова подложка с птип примесна проводимост, върху едната страна на която последователно и на разстояния един от друг са формирани пет правоъгълни омични контакти - първи, втори, трети, четвърти и пети. Третият контакт е централен като първият и петият, и съответно вторият и четвъртият контакти са симетрични спрямо него. Единият извод на токоизточника е свързан с централния, а другият - едновременно с първия и петия контакти. Диференциалният изход на елемента на Хол са вторият и четвъртият контакти като измерваното магнитно поле е успоредно както на равнината на подложката, така и на дългите страни на контактите, [1,2,3,4,5,6].A plane-magnetosensitive Hall element is known, containing a current source and a rectangular semiconductor substrate with impurity conductivity, on one side of which five rectangular ohmic contacts are formed sequentially and at distances from each other - first, second, third, fourth and fifth. The third contact is central as the first and fifth, and the second and fourth contacts are symmetrical to it, respectively. One terminal of the current source is connected to the central and the other to both the first and fifth contacts. The differential output of the Hall element are the second and fourth contacts as the measured magnetic field is parallel to both the plane of the substrate and the long sides of the contacts, [1,2,3,4,5,6].

О Недостатък на този равнинно-магниточувствителен елемент на Хол е понижената му чувствителност, тъй като се използва само половината от захранващия ток за генериране на противоположните по знак потенциали на Хол върху втория и четвъртия контакти, формиращи диференциалния изход на елемента.О The disadvantage of this plane-magnetic Hall element is its reduced sensitivity, as only half of the supply current is used to generate opposite Hall potentials on the second and fourth contacts forming the differential output of the element.

Недостатък е също понижената метрологична точност от редуцираното отношение сигнал/шум поради: високото ниво на собствения вътрешен шум (фликер шум), създаден основно от протичащия по повърхността захранващ ток в зоните, където са разположени изходните втори и четвърти контакти; намалената магниточувствителност; и непредсказуемото хаотично изменение стойността на дрейфа на офсета на изхода в отсъствие на магнитно поле с течение на времето в резултат от процесите на стареене и миграция на легиращите примеси на повърхността.Another disadvantage is the reduced metrological accuracy of the reduced signal-to-noise ratio due to: the high level of intrinsic internal noise (flicker noise), created mainly by the supply current flowing on the surface in the areas where the output second and fourth contacts are located; reduced magnetic sensitivity; and the unpredictable chaotic change in the drift value of the output offset in the absence of a magnetic field over time as a result of the aging and migration processes of the surface alloying impurities.

ТЕХНИЧЕСКА СЪЩНОСТTECHNICAL ESSENCE

Задача на изобретението е да се създаде равнинномагниточувствителен елемент на Хол с висока чувствителност и висока метрологична точност.The objective of the invention is to create a plane-magnetic Hall element with high sensitivity and high metrological accuracy.

Тази задача се решава с равнинно-магниточувствителен елемент на Хол, съдържащ токоизточник и правоъгълна полупроводникова подложка с п-тип примесна проводимост, върху едната страна на която последователно и на разстояния един от друг са формирани пет правоъгълни омични контакти - първи, втори, трети, четвърти и пети. Третият контакт е централен като първият и петият, и съответно вторият и четвъртият контакти са симетрични спрямо него. Единият извод на токоизточника е свързан с втория, а другият - с четвъртия контакт. Елементът на Хол притежава два диференциални изхода - първият и централният контакти са единият, а централният и петият контакти са другият. Измерваното магнитно поле е успоредно както на равнината на подложката, така и на дългите страни на омичните контакти.This problem is solved with a plane-magnetosensitive Hall element containing a current source and a rectangular semiconductor substrate with p-type impurity conductivity, on one side of which five rectangular ohmic contacts are formed sequentially and at distances from each other - first, second, third, fourth and fifth. The third contact is central as the first and fifth, and the second and fourth contacts are symmetrical to it, respectively. One terminal of the current source is connected to the second and the other to the fourth contact. The Hall element has two differential outputs - the first and central contacts are one, and the central and fifth contacts are the other. The measured magnetic field is parallel to both the plane of the substrate and the long sides of the ohmic contacts.

Предимство на изобретението е високата магниточувствителност в резултат от едновременното генериране върху всеки един от диференциалните изходи на елемента на напрежения на Хол от целия захранващ ток.An advantage of the invention is the high magnetic sensitivity as a result of the simultaneous generation on each of the differential outputs of the Hall voltage element of the entire supply current.

Предимство е също високата метрологичната точност от високото ниво сигнал/шум поради: високата магниточувствителност; редуцирането на собствения вътрешен шум (фликер шум) от разполагане на изходните контакти - първи и пети извън зоната на протичане на захранващия ток; и минимизиране ролята на процесите на стареене и миграция на легиращите примеси по повърхността.The advantage is also the high metrological accuracy from the high signal / noise level due to: the high magnetic sensitivity; the reduction of the own internal noise (flicker noise) from the location of the output contacts - first and fifth outside the flow zone of the supply current; and minimizing the role of aging and migration of alloying impurities on the surface.

Предимство е още наличието на два отделни изхода - всеки с двукратно по-висока магниточувствителност, което разширява съществено функционаните предимства за приложенията на този елемент на Хол.Another advantage is the presence of two separate outputs - each with twice the magnetic sensitivity, which significantly expands the functional advantages for the applications of this Hall element.

ОПИСАНИЕ НА ПРИЛОЖЕНИТЕ ФИГУРИDESCRIPTION OF THE ATTACHED FIGURES

По-подробно изобретението се пояснява с едно негово примерно изпълнение, дадено на приложената Фигура 1, представляваща напречното му сечение.The invention is illustrated in more detail by an exemplary embodiment thereof, given in the attached Figure 1, representing its cross section.

ПРИМЕРИ ЗА ИЗПЪЛНЕНИЕEXAMPLES OF IMPLEMENTATION

Равнинно-магниточувствителният елемент на Хол съдържа токоизточник 1 и правоъгълна полупроводникова подложка 2 с п-тип примесна проводимост, върху едната страна на която последователно и на разстояния един от друг са формирани пет правоъгълни омични контакти първи 3, втори 4, трети 5, четвърти 6 и пети 7. Третият контакт 5 е централен като първият 3 и петият 7, и съответно вторият 4 и четвъртият 6 контакти са симетрични спрямо него. Единият извод на токоизточника 1 е свързан с втория 4, а другият - с четвъртия 6 контакт. Елементът на Хол притежава два диференциални изхода 8 и 9 - първият 3 и централният 5 контакти са единият, а централният 5 и петият 7 контакти са другият. Измерваното магнитно поле 10 е успоредно както на равнината на подложката 2, така и на дългите страни на омичните контакти 3, 4, 5, 6 и 7.The planar magnetosensitive element of Hall contains a current source 1 and a rectangular semiconductor substrate 2 with n-type impurity conductivity, on one side of which five rectangular ohmic contacts first 3, second 4, third 5, fourth 6 are formed in series and at distances from each other. and a fifth 7. The third contact 5 is central with the first 3 and the fifth 7, and the second 4 and the fourth 6 contacts respectively, symmetrical to it. One terminal of the current source 1 is connected to the second 4 and the other to the fourth 6 contact. The Hall element has two differential outputs 8 and 9 - the first 3 and central 5 contacts are one, and the central 5 and fifth 7 contacts are the other. The measured magnetic field 10 is parallel both to the plane of the pad 2 and to the long sides of the ohmic contacts 3, 4, 5, 6 and 7.

Действието на равнинно-магниточувствителния елемент на Хол, съгласно изобретението, е следното. При включване на втория 4 и на четвъртия 6 контакти към токоизточника 1, между тях в обема на подложката 2 протича компонентата /_4>6, която е цялият захранващ ток в елемента, подаден от източника 1, а не част от него. Планарните омични контакти 4 и 6 представляват еквипотенциални равнини, към които в отсъствие на външно магнитно поле В 10, В = 0, токовете през тях Ц иЦ, Ц = Ц, са винаги перпендикулярно насочени към горната страна на подложката 2 и проникват дълбоко в обема й. Токовите линии в останалата част на подложката 2 са успоредни на горната й страна, преминавайки под контакта 5. Ето защо траекторията на токоносителите е криволинейна. В общия случай, както при всички сензори на Хол, върху двата изхода 8 и 9 в отсъствие на магнитно поле В 10, В = 0, присъства паразитно изходно напрежение, несвързано с метрологията на елемента, [4,5,6]. Произходът му най-често се дължи на неминуема асиметрия (геометрични грешки на маските в процеса на технологичното производство) на контактите 3 и 7, и съответно 4 и 6 по отношение на централния контакт 5, УЩО) = V₈(0) / 0 и У5,?(0) = Г₉(0) 0. В нашия случай минимизирането и/или отстраняването на офсетите на двата изхода 8 и 9 се постига с оптимизиране размерите на самите омични контакти 3, 4, 5, 6 и 7, и на разстоянията между тях.The action of the plane-magnetic Hall element according to the invention is as follows. _{When the second 4 and the fourth 6 contacts are connected to the current source 1, the component / 4> 6} flows between them in the volume of the substrate 2, which is the entire supply current in the element supplied by the source 1 and not a part of it. The planar ohmic contacts 4 and 6 are equipotential planes to which, in the absence of an external magnetic field B 10, B = 0, the currents through them C and C, C = C are always perpendicular to the upper side of the substrate 2 and penetrate deep into the volume. j. The current lines in the rest of the substrate 2 are parallel to its upper side, passing under the contact 5. Therefore, the trajectory of the current carriers is curvilinear. In the general case, as with all Hall sensors, on both outputs 8 and 9 in the absence of magnetic field B 10, B = 0, there is a parasitic output voltage unrelated to the metrology of the element [4,5,6]. Its origin is most often due to the inevitable asymmetry (geometric errors of the masks in the process of technological production) of contacts 3 and 7, and respectively 4 and 6 with respect to the central contact 5, TWO) = V ₈ (0) / 0 and Y5,? (0) = D ₉ (0) 0. In our case, the minimization and / or removal of the offsets of the two outputs 8 and 9 is achieved by optimizing the dimensions of the ohmic contacts 3, 4, 5, 6 and 7, and of the distances between them.

Прилагането на измерваното магнитно поле В 10 успоредно на подложката 2 и на дългите страни на контакти 3, 4, 5, 6 и 7, дългите страни на които са успоредни на късата страна на правоъгълната подложка 2, води до странично (латерално) отклонение на токовите линии по цялото протежение на нелинейната им траектория. Това се дължи на действието на силите на Лоренц F_L,i, Fl = qУ*^x където q е елементарният товар на електрона, а У* е векторът на средната дрейфова скорост на електроните в подложката 2. На Фигура 1 магнитният вектор В 10 е перпендикулярен на напречното сечение на структурата. В резултат на Лоренцовото отклонение от силата FL, в зависимост от посоките на тока и на магнитното поле В 10, нелинейната траектория се “свива” и съответно “разширява”. По тази причина върху планарните контакти 3, 5 и 7 се генерират едновременно Холови потенциали Унз(#), - УнзФ) ^и УшФ). При това потенциалът - Ц 15(B) върху централния контакт 5 е винаги противоположен по знак спрямо Енз(В) и Фактически измерваното магнитно поле В 10 нарушава електрическата симетрия на токовата траектория /4,б спрямо централния контакт 5. Следователно върху двата диференциални изхода 8 и 9 на елемента възникват две напрежения на Хол Vhs(B) и V_iW(B). Тези сигнали са линейни и нечетни от силата на тока /_4;6 и магнитното поле В 10. В известното решение захранващият ток I се разделя на две еднакви срещуположни компоненти. Те генерират върху съответните Холови контакти два пъти по-ниски по стойност потенциали, което редуцира чувствителността в сравнение с новия равнинномагниточувствителен елемент от Фигура 1.The application of the measured magnetic field B 10 parallel to the pad 2 and to the long sides of contacts 3, 4, 5, 6 and 7, the long sides of which are parallel to the short side of the rectangular pad 2, leads to lateral (lateral) deviation of the currents. lines along their entire nonlinear trajectory. This is due to the action of Lorentz forces F _L , i, Fl = qY * ^x where q is the elementary load of the electron and Y * is the vector of the average drift velocity of the electrons in the substrate 2. In Figure 1 the magnetic vector B 10 is perpendicular to the cross section of the structure. As a result of the Lorentz deviation from the force FL, depending on the directions of the current and the magnetic field B 10, the nonlinear trajectory "shrinks" and "expands". For this reason, Hall potentials Unz (#), - UnzF) ^and UshF) are generated simultaneously on the planar contacts 3, 5 and 7. The potential - C 15 (B) on the central contact 5 is always opposite in sign to Enz (B) and the actually measured magnetic field B 10 violates the electrical symmetry of the current trajectory / 4, b to the central contact 5. Therefore on the two differential outputs 8 and 9 of the element two Hall voltages Vhs (B) and V _iW (B) occur. These signals are linear and odd due to the current / _{4; 6} and the magnetic field B 10. In the known solution, the supply current I is divided into two identical opposite components. They generate on the respective Hall contacts potentials twice lower in value, which reduces the sensitivity compared to the new plane-magnetic element of Figure 1.

Неочакваният положителен ефект на новото техническо решение се заключава в иновативната конструкция, чрез която без каквото и да е усложняване или увеличаване броя на контактите 3, 4, 5, 6 и 7, при един токоизточник 1 и захранващ ток Z_4j6 се реализират два еднакви ^Η^^^^ι)»'ίά>Τ'^ιι^ι'··ΐ· функционално-интегрирани в обща преобразувателна зона елементи на Хол. Тяхното съвместно действие води до нови положителни свойства. В резултат: магниточувствителността нараства двойно; диференциалните изходи са вече два при същия брой от пет контакта; захранващият ток не преминава под изходни контакти 3 и 7, което е причина негативното влияние върху дрейфа на офсета на фликер шумът 1//, стареенето и миграцията на примесите в приповърхностната област да се редуцира. Всичко това води до нарастване на отношението сигнал/шум и метрологичната точност на сензора на Хол от Фигура 1 е значително повишена.The unexpected positive effect of the new technical solution lies in the innovative design, through which without any complication or increase in the number of contacts 3, 4, 5, 6 and 7, with one current source 1 and supply current Z _4j6 are realized two identical ^ Η ^^^ ^ι ) »'ίά>Τ' ^ι ι ^ι '·· ΐ · functionally-integrated in a common transformation zone Hall elements. Their joint action leads to new positive properties. As a result: the magnetic sensitivity doubles; the differential outputs are already two with the same number of five contacts; the supply current does not pass under output contacts 3 and 7, which is the reason for the negative impact on the drift of the offset of the flicker noise 1 //, aging and migration of impurities in the surface area to be reduced. All this leads to an increase in the signal-to-noise ratio and the metrological accuracy of the Hall sensor in Figure 1 is significantly increased.

Двата отделни изхода 8 и 9 на новия елемент на Хол съществено разширяват функционалните му възможности в приложенията, особена в безконтактната автоматика и слабополевата магнитометрия.The two separate outputs 8 and 9 of the new Hall element significantly expand its functional capabilities in applications, especially in contactless automation and low-field magnetometry.

Равнинно-магниточувствителният елемент на Хол може да се реализира с CMOS, BiCMOS технология или микромашининг като преобразувателната зона ще представлява дълбок п-тип правоъгълен силициев джоб 2. Изборът на полупроводников джоб 2 с п-тип примесна проводимост е продиктуван от факта, че в п-тип полупроводниците подвижността на токоносителите, обуславяща скоростта Vdr, т.е. магниточувствителността, е съществено по-висока, в сравнение с р-тип материалите.The plane-magnetosensitive Hall element can be realized with CMOS, BiCMOS technology or micromachining and the conversion zone will be a deep p-type rectangular silicon pocket 2. The choice of semiconductor pocket 2 with p-type impurity conductivity is dictated by the fact that in n -type of semiconductors the mobility of the current carriers, determining the speed Vdr, ie the magnetic sensitivity is significantly higher compared to p-type materials.

По-дълбоко проникване на тока в обема на подложката 2, респективно по-ефективно въздействие на силата на Лоренц F_L върху токовите линии както и дефиниране дебелината на п-тип силициевата подложка 2 в посока на магнитното поле В 10 се постигат чрез формиране с дифузия около правоъгълните омични контакти 3, 4, 5, 6 и 7 и в близост до тях на дълбок ограничителен р-тип ринг с правоъгълна форма или на обратно поляризиран р⁺-п ринг-диод. Действието на предложения елемент на Хол е осъществимо в широк температурен диапазон, включително и при криогенни температури. За още по-висока чувствителност за целите на слабополевата магнитометрия и контратероризма, подложката 2 с контакти 3, 4, 5, 6 и 7 се разполага между два еднакви продълговати концентратори на магнитното поле В 10 от ферит или μ-метал.Deeper penetration of the current into the volume of the substrate 2, respectively more effective influence of the Lorentz force F _L on the current lines as well as defining the thickness of the p-type silicon substrate 2 in the direction of the magnetic field B 10 are achieved by diffusion formation around the rectangular ohmic contacts 3, 4, 5, 6 and 7 and in the vicinity of them on a deep restrictive p-type ring with a rectangular shape or on an inversely polarized p ⁺ -n ring diode. The action of the proposed Hall element is feasible in a wide temperature range, including cryogenic temperatures. For even higher sensitivity for the purposes of low-field magnetometry and counterterrorism, the pad 2 with contacts 3, 4, 5, 6 and 7 is located between two identical elongated concentrators of the magnetic field B 10 of ferrite or μ-metal.

ПРИЛОЖЕНИЕ: една фигураAPPENDIX: one figure

ЛИТЕРАТУРАLITERATURE

[1] R. Popovic, “Integrated Hall element”, US Patent 4 782 375/01.11.1988.[1] R. Popovic, “Integrated Hall element”, U.S. Patent 4,782,375 / November 1, 1988.

[2] A.M.J. Huiser, H.P. Baltes, “Numerical modeling of vertical Hall-effect devices”, IEEE Electron Device Letters, 5(9) (1984) pp. 482-484.[2] A.M.J. Huiser, H.P. Baltes, “Numerical modeling of vertical Hall-effect devices”, IEEE Electron Device Letters, 5 (9) (1984) pp. 482-484.

3] R.S. Popovic, “The vertical Hall-effect device”, IEEE Electron Device Lett., EDL-5 (1984), pp. 357-358.3] R.S. Popovic, “The vertical Hall-effect device”, IEEE Electron Device Lett., EDL-5 (1984), pp. 357-358.

[4] T. Kaufmann, “On the offset and sensitivity of CMOS-based five-contact vertical Hall devices”, in “MEMS Technology and Engineering”, v. 21, Der Andere Verlag, 2013, p. 147.[4] T. Kaufmann, “On the offset and sensitivity of CMOS-based five-contact vertical Hall devices”, in “MEMS Technology and Engineering”, v. 21, Der Andere Verlag, 2013, p. 147.

[5] Ch. Roumenin, “Solid State Magnetic Sensors”, Elsevier, Amsterdam, 1994, p. 450; ISBN: 0 444 89401.[5] Ch. Roumenin, “Solid State Magnetic Sensors”, Elsevier, Amsterdam, 1994, p. 450; ISBN: 0 444 89401.

[6] Ch. Roumenin, “Microsensors for magnetic field”, Ch. 9, in „MEMS - a practical guide to design, analysis and applications”, ed. by J. Korvink and O. Paul, William Andrew Publ., USA, 2006, pp. 453-523; ISBN: 0-8155-1497-2.[6] Ch. Roumenin, “Microsensors for magnetic field”, Ch. 9, in “MEMS - a practical guide to design, analysis and applications”, ed. by J. Korvink and O. Paul, William Andrew Publ., USA, 2006, pp. 453-523; ISBN: 0-8155-1497-2.

Claims

/. Plane-magnetosensitive Hall element containing a current source and a semiconductor substrate with p-type impurity conductivity, on one side of which five rectangular ohmic contacts first, second, third, fourth and fifth are formed in series and at distances from each other, the third contact is central as the first and fifth, and respectively the second and fourth contacts are symmetrical to it, and the measured magnetic field is parallel to both the plane of the substrate and the long sides of the ohmic contacts, CHARACTERIZED by the fact that one terminal of the current source (1 ) is connected to the second (4) and the other to the fourth (6) contact, the differential outputs are two (8) and (9) - the first (3) and the central (5) contacts are one and the central (5) and the fifth (7) contacts are the other.