BG112664A - Сензор на хол със стабилизирана магниточувствителност - Google Patents

Abstract

Сензорът на Хол със стабилизирана магниточувствителност съдържа полупроводникова подложка (1) с примесна проводимост, върху едната страна на която са формирани сензор на Хол (2) и диоден елемент (3), разположен върху сензора (2) в средната му част. Има още токоизточник (4) и операционен усилвател (5) с управляем коефициент на усилване. Изводите на токоизточника (4) са съединени със захранващи контакти (6 и 7) на сензора (2) и с тези на операционния усилвател (5). Диодният елемент (3) е включен в права посока към токоизточника (4) и е в режим генератор на ток. Двата изходни (Холови) контакта (8 и 9) на сензора (2) са съединени с входа на усилвателя (5), а към втория, управляващия му вход е свързан изход (10) на диодния елемент (3). Измерваното магнитно поле (11) е перпендикулярно на активната повърхност на подложката (1), като изходът (12) на усилвателя (5) е изход на сензора на Хол със стабилизирана магниточувствителност.

Description

СЕНЗОР НА ХОЛ СЪС СТАБИЛИЗИРАНА МАГНИТОЧУВСТВИТЕЛНОСТ

ОБЛАСТ НА ТЕХНИКАТА

Изобретението се отнася до сензор на Хол със стабилизирана магниточувствителност, приложимо в областта на роботиката и мехатрониката; позиционирането на обекти в равнината и пространството; дистанционното измерване на ъглови и линейни премествания; микро- и нано-електрониката; навигацията; контролно-измервателната технология и слабополевата магнитометрия; аналоговите и цифровите Холови микросистеми; безконтактната автоматика; 3D и теле-медицината; автомобилната промишленост, включително ‘ електромобилостроенето; сигурността, контратероризма и военното дело; енергетиката; й др.

ПРЕДШЕСТВАЩО СЪСТОЯНИЕ НА ТЕХНИКАТА

Известен е сензор на Хол със стабилизирана магниточувствителност, съдържащ полупроводникова подложка с примесен тип проводимост, върху едната страна на която са формирани сензор на Хол и терморезистори, които са разположени от страни на сензора и в близост до него. Има още токоизточник и операционен усилвател с управляем коефициент на усилване. Изводите на токоизточника са свързани със захранващите контакти на сензора, на операционния усилвател и на терморезисторите. Двата изходни (Холови) контакти на сензора са съединени с входа на усилвателя, а към втория, управляващия му вход е свързан изхода от терморезисторите. Измерваното магнитно поле е перпендикулярно на активната повърхност на сензора като изходът на усилвателя е изход на сензора на Хол със стабилизирана магниточувствителност [1 - 5].

Недостатък на този сензор на Хол със стабилизирана магниточувствителност е метрологичната · грешка, внасяна от недостатъчната компенсация на температурното влияние върху чувствителността в резултат на неминуемата обемна и повърхностна нехомогенност на полупроводниковата подложка. Това създава градиент на температурата в различните части на самия сензор и на зоните върху подложката с терморезисторите, водещ до паразитна компонента в термосигнала, управляващ операционния усилвател.

Недостатък е също ограниченият температурен интервал (около ΔΤ ~ 20 °C за полисилициевите терморезистори, използвани в интегралните CMOS сензори на Хол), в който се постига стабилизация на чувствителността, поради нелинейност на температурнозависимото напрежение от термораезисторите във важния за практическите приложения диапазон 10 - 70 °C, в който следва да се компенсира линейното изменение на чувствителността.

ТЕХНИЧЕСКА СЪЩНОСТ

Задача на изобретението е да се създаде сензор на Хол със стабилизирана магниточувствителност, който да бъде с максимално редуцирана метрологична грешка от неминуемия температурен градиент и широк температурен диапазон на стабилизирана чувствителност.

Тази задача се решава със сензор на Хол със стабилизирана магниточувствителност, съдържащ полупроводникова подложка с примесна проводимост, върху едната страна на която са формирани сензор на Хол и диоден елемент, разположен върху сензора в средната му част, има още токоизточник и операционен усилвател с управляем коефициент на усилване. Изводите на токоизточника са съединени със захранващите контакти на сензора и на операционния усилвател. Диодният елемент е включен в права посока към токоизточника и е в режим генератор на ток. Двата изходни (Холови) контакти на сензора са съединени с входа на усилвателя, а към втория, управляващия му вход е свързан изхода на диодния елемент. Измерваното магнитно поле е перпендикулярно на активната повърхност на сензора като изходът на усилвателя е изход на сензора на Хол със стабилизирана магниточувствителност.

Предимство на изобретението е максимално редуцираната метрологична грешка чрез разполагане на термопреобразувателя (диодния елемент) върху сензора на Хол в средната му част, ограничавайки драстично негативното влияние на температурния градиент върху диодния елемент, управляващ операционния усилвател.

Предимство е също широкият температурен диапазон на стабилизирана магниточувствителност в резултат на линейното термозависимо напрежение от диода, функциониращ в режим генератор на ток и корелиращо с линейната зависимост на чувствителността от температурата.

Предимство е още опростената конструкция на сензора на Хол със стабилизирана магниточувствителност, съдържаща само един термопреобразувател (диоден елемент) в съчетание с еднотипни технологични процеси за формиране на сензора на Хол и диода при отсъствие на терморезистори, изискващи допълнителни Операции за тяхното реализиране.

ОПИСАНИЕ НА ПРИЛОЖЕНИТЕ ФИГУРИ

По-подробно изобретението се пояснява с едно негово примерно изпълнение, дадено на приложената Фигура 1.

ПРИМЕРИ ЗА ИЗПЪЛНЕНИЕ

Сензорът на Хол със стабилизирана магниточувствителност съдържа полупроводникова подложка 1 с примесна проводимост, върху едната страна на която са формирани сензор на Хол 2 и диоден елемент 3, разположен върху сензора 2 в средната му част, има още токоизточник 4 и операционен усилвател 5 с управляем коефициент на усилвайе. Изводите на токоизточника 4 са съединени със захранващите контакти 6 и 7 на сензора 2 и с тези на операционния усилвател 5. Диодният елемент 3 е включен в права посока към токоизточника 4 и е в режим генератор на ток. Двата изходни (Холови) контакти 8 и 9 на сензора 2 са съединени с входа на усилвателя 5, а към втория, управляващия му вход е свързан изхода 10 на диодния елемент 3. Измерваното магнитно поле 11 е перпендикулярно на активната повърхност на сензора 2 като изходът 12 на усилвателя 5 е изход на сензора на Хол със стабилизирана магниточувствителност.

Действието на сензора на Хол със стабилизирана магниточувствителност, съгласно изобретението, е следното. При свързване на захранващите контакти 6 и 7 на сензора на Хол 2 с токоизточника 4, в активната преобразувателна зона с п-тип примесна проводимост на елемента 2 протича захранващ ток /_6>7, състоящ се основно от електрони. Прилагането на измерваното магнитно поле В 11 перпендикулярно на равнината на подложката 1, т.е. на сензора 2, води до възникване на странично отклоняваща електроните сила на Лоренц Fl = gV_dr х В, където q е елементарният товар на електрона, а У*.· е средната дрейфова скорост на токоносителите, [6]. До неотдавна в теорията на ефекта на Хол се приемаше, че допълнителните електрони, концентрирани от силата F_L върху съответната Холова страна на елемента на Хол 2, например с контакт 8, Фигура 1, са неподвижни както „оголените” от същата сила F_L положителни донорни йони N_D+ на срещуположната с контакт 9. Съгласно изследванията на Руменин, Лозанова и Нойков [7] е открито съществуването на магнитноуправляем повърхностен ток AI_s(Iq,B) върху Холовите повърхности, в нашия случай тези с контактите 8 и 9. Той е линейна и нечетна функция от стойността и посоката както на захранващия ток Ι^_Ί, така и на магнитното поле В 11. Токът AZ_s(/_OrB) е фундаментална закономерност. Този ток е резултат от иновативната концепция за подвижни, а не статични неравновесни токоносители, генерирани от силата F_L. Чрез този сензорен механизъм коректно се обяснява и оптимизира магниточувствителността или преобразувателната ефективност на сензорите на Хол, включително и на показания на Фигура 1 квадратен елемент. В резултат между контакти 8 и 9 се генерира добре известното нечетно и линейно напрежение на Хол V_H8,9(7o>F)· Чувствителността S в полупроводниковите сензори за магнитно поле, включително елементите на Хол 2, притежват принципния недостатък, свързан с изменението на температурата Т на околната среда. Параметърът S линейно намалява ако температурата Т нараства, и обратно чувствителността S нараства с намаляване на температурата Т. В силициевите сензори на Хол температурният коефициент на магниточувствителността съставлява Т.С. ~ - 0.1 %/ °C, [6].

В рамките на съвременната интегрална силициева технология найефективният способ за решаване на този метрологичен проблем е чрез температурнозависим сигнал (напрежение) V(T) от допълнителен сензор за температура 3. Чрез напрежението V(T) подходящо се управлява коефициентът на усилване на усилвателя 5, на чийто основен вход е подаден Холовият сигнал Ц^Д/о-В). По този начин изходното напрежение 12 на операционния усилвател 5 не трябва да се промена при фиксирано магнитно поле В 11, В - const, от температурата Т. Ето защо в съществуващото решение са интегрирани от всички страни йй сензора на Хол 2 терморезисторни групи, които да регистрират температурата в областта със сензора 5. Информационният сигнал от тях се подава на управляващия вход на усилвателя 5, променяйки усилването е температурното изменение. Така се управлява магниточувствителността S и се постига нейната стабилизация. Недостатъкът на това решениае е, че в рамките на площ с размери от няколкостотин микрометра, съдържаща сензора 2 и терморезисторната група винаги съществува градиент на температурата. Произходът му е свързан както от структурната нехомогенност на обема и повърхността на подложката 1, така и от генерираната топлина от функционирането на сензора на Хол 2. В резултат термоградиентът генерира в напрежението V(T), управляващо операционния усилвател 5, паразитна компонента, внасяща метрологичната грешка. Това решение съдържа и друг недостатък нелинейността на генерираното термонапрежение от терморезисторите. Независимо от технологичните способи за оптимизация и настрзойки, проблемът с нелинейността винаги съществува. Преодоляването на описаните недостатъци в нашия случай за първи път е постигнато чрез: 1. разполагане само на един термосензор 3, обаче в средата на елемента на Хол 2, и 2. замяна на терморезисторите с диоден елемент 3, включен в права посока към токоизточника 4 в режим генератор на ток. При такова функциониране зависимостта на напрежението V(T) Vp._n(7) върху р-п прехода от температурата Т при константен ток през диода е линейна в твърде широк диапазон АТ ~ 100 °C [6]. При силициевите диоди температурният коефициент на чувствителност при захранващ ток Λ = 100 μΑ съставлява K_p._n ~ 2 mV/°C. С увеличаване на тока /₃ коефициентът К_р._п намалява. Центрирането на диодния елемент 3 върху сензора на Хол 2 обуславя отстраняване на проявите на градиентното температурно поле. Освен това размерите на диодния преобразувател Зее повече от порядък по-малък от самия Холов сензор 2, което драстично минимизира негативното въздействие на градиента на температурата. Следователно пропорционалното управление на усилването на операционния усилвател 5 чрез линейното напрежение Vp._n(T) позволява точна калибровка на температурното въздействие върху магниточувствителността и нейното стабилизиране в твърде щирок температурен диапазон. Опростяването на конструкцията се постига с използване само на един термосензор 3, а не на група терморезисторни сегменти. Освен това технологията за формиране на диодния елемент 3 е съвместима с процесите за изготвянето на сензора на Хол 2, което е също предимство.

Неочакваният положителен ефект на новото техническо решение е, че за първи път в сензориката на ефекта на Хол отстраняването на негативното влияние на температурата върху, основния метрологичен параметър - чувствителността е осъществено чрез интегрирани диоден елемент 3 и сензор на Хол 2 в иновативна конструкция. Постигнато е едновременно линейно температурно поведение както на преобразувателната ефективност S на сензора 2, така и на референтния преобразувател - диодния елемент 3. Възможно е последователно свързване на диода 3 и захранващите контакти 6 и 7 на сензора на Хол 2. Това е целесъобразно ако не се налагат високи стойности на изходния сигнал. Подобна схема опростява още конструкцията на решението.

Реализацията на новия сензор на Хол със стабилизирана магниточувствителност с процесите на CMOS и BiCMOS технологиите. Предложеното техническо решение е еднакво приложимо както към сензорите на Хол 2 с ортогонално активизиране, така и за модификациите с равнинна магниточувствителност.

ПРИЛОЖЕНИЕ: една фигура

ЛИТЕРАТУРА

[1] S.H. Lindenberger, Active stabilization of the magnetic sensitivity in CMOS Hall sensors, MEMS Engineering and Technology series, v. 26, ΪΜΤΕΚ, Uni of Freiburg, 2017.

[2] S. Huber, C. Schott, A. Laville, W. Leten, Stress sensor for measuring mechanical stress in a semiconductor chip and stress compensated Hall sensor, European Patent EP2490036, 2012.

[3] S. Huber, S. Francois, Stress and temperature compensated Hall sensor and method, US Patent US2016377690, 2015.

[4] A. Ajbl, M. Pastre, M. Kayal, A fully integrated Hall sensor microsystem for contactless current measurement, IEEE Sensors J., 13(6) (2013) 2271-2278.

[5] M. Pastre, Methodology for the digital calibration of analog circuits and systems - application to a Hall sensor microsystem, PhD dissert., EPFL, Switzerland, 2005.

[6] C. Roumenin, Microsensors for magnetic field, in „MEMS - a practical guide to design, analysis and application”, J.G. Korvink and O. Paul, eds, W. Andrew Publ., USA, pp. 453-521, 2006.

[7] C. Roumenin, S. Lozanova, S. Noykov, Experimental evidence of magnetically controlled surface current in Hall devices, Sensors and Actuators, A 175 (2012) 45-52.

Claims (1)

1. ПАТЕНТНИ ПРЕТЕНЦИИ

   4, Сензор на Хол със стабилизирана магниточувствителност, съдържащ полупроводникова подложка с примесна проводимост, върху едната страна на която са формирани сензор на Хол и термочувствителен елемент, има още токоизточник и операционен усилвател с управляем коефициент на усилване, изводите на токоизточника са съединени със захранващите контакти на сензора и на операционния усилвател, двата изходни (Холови) контакти на сензора са свързани с входа на усилвателя, а към втория, управляващия му вход е съединен изхода на термочувствителния елемент, измерваното магнитно поле е перпендикулярно на активната повърхност на подложката като изходът на усилвателя е изход на сензора на Хол със стабилизирана магниточувствителност, ХАРАКТЕРИЗИРАЩ СЕ с това, че термочувствителният елемент (3) е диод, който е разположен върху сензора (2) в средната му част, диодният елемент (3) е включен в права посока към токоизточника (4) и е в режим генератор на ток.