BG112426A - Равнинно-магниточувствителна микросистема на хол - Google Patents

Abstract

Равнинно-магниточувствителната микросистема на Хол съдържа три полупроводникови подложки с n-тип проводимост - от ляво на дясно първа (1), втора (2) и трета (3), разположени успоредно една спрямо друга и токоизточник (4). Върху едната страна на всяка от тях последователно и на разстояния един от друг са формирани от ляво на дясно по три правоъгълни омични контакти - първи (5), (6) и (7), втори (8), (9) и (10), и трети (11), (12) и (13), като вторите контакти (8), (9) и (10) са централни, а първите (5), (6) и (7) и третите (11), (12) и (13) са симетрични спрямо тях. Единият извод на токоизточника (4) е съединен с централния контакт (8) от първата подложка (1), а другият - със средната точка на нискоомен тример (14), крайните изводи на който са свързани с контакта (12) и контакта (7). Контактът (6) е съединен с контакта (11), а контактът (5) - с контакта (13). Диференциалният изход (15) на микросистемата на Хол са вторите контакти (9) и (10) от втората (2) и третата (3) подложка, като измерваното магнитно поле (16) е успоредно както на равнините на подложките (1), (2) и (3), така и на дългите страни на контактите (5), (6), (7), (8), (9), (10), (11), (12) и (13).

Description

РАВНИННО-МАГНИТОЧУВСТВИТЕЛНА МИКРОСИСТЕМА НА ХОЛ

ОБЛАСТ НА ТЕХНИКАТА

Изобретението се отнася до равнинно-магниточувствителна микросистема на Хол, приложимо в областта на сензориката, характеризирането на полупроводникови пластини за целите на микроелектрониката, микро- и нано-технологиите, роботиката и мехатрониката, безпилотните летателни апарати, електромобилите и хибридните превозни средства, когнитивните интелигентни системи, биомедицинските изследвания и роботизираната хирургия, енергетиката и енергийната ефективност, безконтактното измерване на ъглови и линейни премествания, контролно-измервателната техника и слабополевата магнитометрия, военното дело и сигурността.

ПРЕДШЕСТВАЩО СЪСТОЯНИЕ НА ТЕХНИКАТА

Известна е равнинно-магниточувствителна микросистема на Хол, съдържаща две еднакви полупроводникови подложки с п-тип примесна проводимост - първа и втора, разположени успоредно една спрямо друга и токоизточник. Върху едната страна на всяка от подложките последователно и на разстояния един от друг са формирани от ляво на дясно по пет правоъгълни омични контакти - първи, втори, трети, четвърти и пети. Третите контакти са централни като първите и петите, и съответно вторите и четвъртите са симетрично разположени спрямо тях. Подложките с контактите образуват микросистема с два равнинномагниточувствителни петконтактни сензора на Хол. Всички първи и пети контакти са свързани помежду си. Вторият контакт от първата подложка е съединен с четвъртия от втората, а четвъртият контакт от първата - с втория контакт от втората подложка. Изводите на токоизточника са свързани с втория и четвъртия контакт от първата подложка. Диференциалният изход на микросистемата на Хол са двата централни контакта като измерваното магнитно поле е успоредно както на равнините на подложките, така и на дългите страни на контактите, [1 - 4].

Недостатък на тази равнинно-магниточувствителна микросистема на Хол е понижената й магниточувствителност, тъй като в полупроводниковите подложки на двата микросензора се използва само половината от общия ток през съответните захранващи контакти.

Недостатък е също усложнената конструкция на микросензора, съдържащ десет контакта и общо шест връзки между тях.

ТЕХНИЧЕСКА СЪЩНОСТ

Задача на изобретението е да се създаде равнинномагниточувствителна микросистема на Хол с висока магниточувствителност и опростена конструкция - по-малък брой контакти и връзки между тях.

Тази задача се решава с равнинно-магниточувствителна микросистема на Хол, съдържаща три полупроводникови подложки с птип примесна проводимост - от ляво на дясно първа, втора и трета, разположени успоредно една спрямо друга и токоизточник. Върху едната страна на всяка от подложките последователно и на разстояния един от друг са формирани от ляво на дясно по три правоъгълни омични контакти - първи, втори и трети като вторите контакти са централни, а първите и третите са съответно симетрични спрямо тях. Единият извод на токоизточника е съединен с централния контакт от първата подложка, а другият - със средната точка на нискоомен тример, крайните изводи на който са свързани съответно с третия контакт от втората и първия контакт от третата подложка. Първият контакт от първата подложка е съединен с третия контакт от третата подложка, а третият контакт от първата - с първия контакт от втората подложка. Диференциалният изход на микросистемата на Хол са вторите контакти от втората и третата подложка като измерваното магнитно поле е успоредно на равнините на подложките и на дългите страни на контактите.

Предимство на изобретението е повишената два пъти магниточувствителност в резултат от сумирането на изхода на микросистемата на Ходовото напрежение, генерирано от сензорите от втората и третата подложка със цялото напрежение на Хол от сензора от първата подложка.

Предимство е също опростената конструкция на микросистемата, съдържаща общо девет, вместо десет омични контакта и само три, вместо шест връзки между тях.

Предимство е и възможността за пълно компенсиране на паразитното напрежение на несиметрия на изхода в отсъствие на магнитно поле (офсет) с помощта на нискоомния тример.

Предимство е още повишената метрологична точност и резолюцията при измерване на минималната магнитна индукция в резултат на високото ниво сигнал/шум, поради съществената магниточувствителност и компенсирания чрез тримера паразитен офсет на изхода.

ОПИСАНИЕ НА ПРИЛОЖЕНИТЕ ФИГУРИ

По-подробно изобретението се пояснява с едно негово примерно изпълнение, дадено на приложената Фигура 1, представляваща напречното сечение на микросистемата на Хол.

ПРИМЕРИ ЗА ИЗПЪЛНЕНИЕ

Равнинно-магниточувствителната микросистема на Хол съдържа три полупроводникови подложки с и-тип примесна проводимост - от ляво на дясно първа 1, втора 2 и трета 3, разположени успоредно една спрямо друга и токоизточник 4. Върху едната страна на всяка от подложките 1, 2 и 3 последователно и на разстояния един от друг са формирани от ляво на дясно по три правоъгълни омични контакти - първи 5, 6 и 7, втори 8, 9 и 10, и трети 11, 12 и 13 като вторите контакти 8, 9 и 10 са централни, а първите 5, 6 и 7 и третите 11, 12 и 13 са съответно симетрични спрямо тях. Единият извод на токоизточника 4 е съединен с централния контакт 8 от първата подложка 1, а другият - със средната точка на нискоомен тример 14, крайните изводи на който са свързани съответно с третия контакт 12 от втората 2 и първият контакт 7 от третата подложка 3. Първият контакт 5 от първата подложка 1 е съединен с третия контакт 13 от третата подложка 3, а третият контакт 11 от първата 1 - с първия контакт 6 от втората подложка 2. Диференциалният изход 15 на микросистемата на Хол са вторите контакти 9 и 10 от втората 2 и третата 3 подложка като измерваното магнитно поле 16 е успоредно на равнините на подложките 1, 2 и 3, и на дългите страни на контактите 5, 6, 7, 8, 9 10, 11, 12 и 13.

Действието на равнинно-магниточувствителната микросистема на Хол, съгласно изобретението, е следното. При включване на централния контакт 8 към единия извод на токоизточника 4, а другият извод - към тримера 14 и контактите 7 и 12, в обемите на трите подложки 1, 2 и 3 протичат токовете Ддп? /12,6 и /_13;7. В подложка 1 поради структурната симетрия токът /₈ от контакт 8 се разделя на две равни и срещуположно насочени компоненти 1$ = 1₅ + |-/ц|, /5 = |-/ц|, Фигура 1. В резултат на оригиналното свързване на съответните планарни контакти 11 и 6, 5 и 13, в подлоки 2 и 3 протичат противоположно насочени токови компоненти /₆д₂ и - /_7>13. Траекториите на електроните и в трите подложки 1, 2 и 3 са криволинейни, тъй като в отсъствие на магнитно поле В 16 планарните омични контакти 5, 8, 11, 6, 12, 7 и 13, през които протичат токовете са еквипотенциални равнини. През тези контакти токовите линии първоначално са насочени вертикално към обема на подложките 1, 2 и 3, след което променят посоката си и в определен участък са успоредни на горните равнини на подложките 1, 2 и 3. Най-общо дълбочината на проникване w на токовите линии при фиксирана концентрация на легиращата донорна примес N_D в п-тип подложките 1, 2 и 3 зависи от съотношението М между ширината Ц на контакти , 8, 11, 6, 12, 7 и 13, и разстоянията 1₂ между тях, Μ = Ζι/Ζ₂, [4-6]. Максималната дълбочина w при най-често използваната в микроелектрониката концентрация на легиращи донорни примеси N_D ~ 10 cm' в Si съставлява около w ~ 30 - 40 pm. Подложки 2 и 3 с контакти 6, 9, 12 и съответно 7, 10 и 13 представляват по същество разсредоточен в тези подложки 2 и 3 петконтактен микросензор на Хол, в който два от контактите 12 и 7 по предназначение са еквивалентни и функционират като един. Същевременно подложка 1 с контакти 5, 8 и 11 представлява добре известният триконтактен микросензор на Хол, познат в литературата още като микросензор на Руменин, [4 - 6]. Неговите товарни резистори, които обикновено се включват в крайните електроди 5 и 11, в случая са вътрешните съпротивления R₆,₁₂ и R_7>13 на разсредоточения петконтактен микросензор на Хол. Тези резистори R₆₄₂ и R_7>13 обуславят на сензора на Хол от подложка 1 работен режим генератор на ток. Съпротивления R_6;i2 и R_7ji3 са с еднаква стойност поради структурната симетрия в разположението на контакти 6, 12 и 7,13 в структурите 2 и 3. Обикновено на диференциалния изход 15, формиран от средните контакти 9 и 10, в отсъствие на външно магнитно поле В 16, присъства несвързано с магнитната индукция В 16 паразитно напрежение или офсет. Неговата компенсация (нулиране) се осъществява чрез изменение на стойността на нискоомния тример г 14, Фигура 1. Такава възможност отсъства в известното решение.

При наличие на външно магнитно поле В 16 в триконтактния микросензор на Хол (подложка 1 с контакти 5, 8 и 11) токът/₈ през контакт 8 е подложен на отклоняващото странично действие на силата на Лоренц F_l като върху крайните електроди 5 и 11 се генерира напрежение на Хол Vh5,h(S)· Произходът му е в резултат на избраното свързване на подложки 2 и 3 с подложка 1, т.е. от съпротивленията R^ и R₇j₃ на разсредоточения в подложки 2 и 3 петконтактен микросензор на Хол. Тези съпротивления трансформират измененията на токовете А/₅(В) и А/и (В) в поле В 16 в напрежение на Хол Фн5,и(В). Тъй като съотношението М е оптимизирано да е максимално, то и сигналът Ун5,п(В) е максимален и се генерира от целия захранващ ток 7₈, а не от негова част. В двата триконтактни микросензора на Хол, реализирани на подложки 2 и 3 потенциалите на Хол Уцч(В) върху контакт 9 и - Уню(В) върху контакт 10 са равни по стойност и са с противоположен знак Vh9(B) = |-Vhio(B)|. Потенциалите V_H5(B) и Тнп(В) чрез схемното решение от Фигура 1 променят полярно потенциалите на двете подложки 2 и 3 - например, на едната нараства, а на другата намалява с една и съща стойност. По този начин напрежението Vhs,п(В), което е равно по стойност на Холовото напрежение Ун9,ю(В) от подложки 2 и 3, се добавя към изходния сигнал Vh9,io(B) = Vout(B) 15 на микросистемата. Следователно изходното диференциално напрежение V_Out(B) 15 е удвоено, т.е. магниточувствителността на равнинномагниточувствителната микросистема на Хол е двойно по-висока в сравнение с известното решение. Освен това тя съдържа девет контакта, вместо десет, а връзките са само три.

Неочакваният положителен ефект на новото техническо решение се заключава в оригиналната конструкция и нестандартното свързване на контактите 5 - 13, 11 - 6 и 12 - 7 на трите структури 1, 2 и 3. Чрез триконтактния сензор на Хол (подложка 1 с контакти 5, 8 и 11), който е функционално интегриран в микросистемата, магниточувствителността нараства двойно. Решението дава възможност за пълно компенсиране на паразитния офсет и подобрява отношението сигнал/шум. Едновременно с това се повишава резолюцията за детектиране на минималната магнитна индукция B_min 16.

Микросистемата на Хол се реализира с CMOS, BiCMOS или микромашининг микроелектронни технологии като трите преобразувателни зони 1, 2 и 3 представляват дълбоки и-тип силициеви джобове с дълбочина около 7 pm. Омичните контакти 5, 6, 7, 8, 9 10,11,12 и 13 са силно легирани п⁺ области, формирани с епитаксия и дълбочина около 1 pm. Микросистемата на Хол може да функционира в широк температурен интервал, включително при криогенна среда, което драстично повишава чувствителността. За още по-висока преобразувателна ефективност за целите на слабополевата магнитометрия, контратероризма и навигацията, подложките (п-тип силициевите джобове) 1, 2 и 3 могат да се разположат между два еднакви концентратора на полето В 16 от ферит или μ-метал. На основата на новото сензорно решение може да се изграждат 2D и 3D магнитометри.

ПРИЛОЖЕНИЕ: една фигура

ЛИТЕРАТУРА [1] Т. 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.

[2] R. Popovic, “Integrated Hall element”, US Patent 4 782 375/01.11.1988.

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

[4] 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.

[5] C. Sander, M.-C. Vecchi, M. Comils, O. Paul, From three-contact vertical Hall elements to symmetrized vertical Hall sensors with low offset, Sens. Actuat., A 240 (2016) pp. 92-102.

[6] S. Lozanova, C. Roumenin, Parallel-field silicon Hall effect microsensors with minimal design complexity, IEEE Sensors J., 9(7) (2009) pp. 761-766.

Claims (1)

1. /-Равнинно-магниточувствителна микросистема на Хол, съдържаща полупроводникови подложки с п-тип примесна проводимост, разположени успоредно една спрямо друга и токоизточник, върху едната страна на всяка от подложките последователно и на разстояния един от друг са формирани от ляво на дясно по еднакъв брой правоъгълни омични контакти - по един централен, и останалите симетрично разположени спрямо тях, а измерваното магнитно поле е успоредно на равнините на подложките и на дългите страни на контактите, ХАРАКТЕРИЗИРАЩА СЕ с това, че подложките са три - от ляво на дясно първа (1), втора (2) и трета (3), върху всяка от тях има по три контакта - първи (5), (6) и (7), втори (8), (9) и (10), и трети (11), (12) и (13) като вторите контакти (8), (9) и (10) са централните, а първите (5), (6) и (7) и третите (11), (12) и (13) са съответно симетрични спрямо тях, единият извод на токоизточника (4) е съединен с централния контакт (8) от първата подложка (1), а другият - със средната точка на нискоомен тример (14), крайните изводи на който са свързани съответно с третия контакт (12) от втората (2) и първия контакт (7) от третата подложка (3), първият контакт (5) от първата (1) е съединен с третия контакт (13) от третата подложка (3), а третият контакт (11) от първата (1) - с първия контакт (6) от втората подложка (2) като диференциалният изход (15) на микросистемата на Хол са вторите контакти (9) и (10) от втората (2) и третата (3) подложка.