BG112669A - Сензор на хол с компенсиран офсет - Google Patents

Abstract

Сензорът на Хол с компенсиран офсет съдържа полупроводникова подложка (1) с n-тип примесна проводимост. Върху едната й страна е формиран сензор на Хол (2) като на две от срещуположните му страни има по един омичен захранващ контакт (3 и 4), а върху други две срещуположни страни, разположени на 90 градуса спрямо тези със захранващите контакти (3 и 4) - по един омичен измервателен контакт (5 и 6). Контактите (3 и 4) са свързани с двата извода на токоизточник (7), като измерваното магнитно поле (9) е перпендикулярно на равнината на подложката (1). Контактите (5 и 6) са изходът (8) на сензора на Хол с компенсиран офсет. Има още бобина (10) с малък брой навивки, формирана върху равнината на подложката (1) и обхващаща изцяло сензора (2), като генерираното от нея магнитно поле (11) е перпендикулярно на равнината на сензора (2). Последователно през комутатор (12) и регулируем резистор (13) бобината (10) е свързана с изводите на токоизточника (7).

Description

СЕНЗОР НА ХОЛ С КОМПЕНСИРАН ОФСЕТ

ОБЛАСТ НА ТЕХНИКАТА

Изобретението се отнася до сензор на Хол с компенсиран офсет, приложимо в областта на роботиката и мехатрониката; контролноизмервателната технология; слабополевата магнитометрия; навигацията; безконтактната автоматика; 2D и 3D позициониране на обекти в равнината и пространството; енергетиката; автомобилната промишленост в това число електромобилостроенето; дистанционното измерване на ъглови и линейни премествания; микро- и нано-електрониката; биомедицинските изследвания; военното дело и сигурността включително подводни, наземни и въздушни системи за наблюдение и превенция, контратероризма и др.

ПРЕДШЕСТВАЩО СЪСТОЯНИЕ НА ТЕХНИКАТА

Известен е сензор на Хол с компенсиран (нулиран) офсет (паразитно изходно напрежение в отсъствие на измерваното магнитно поле), съдържащ полупроводников сензор на Хол с п-тип примесна проводимост и с правилна симетрична форма (квадратна, ромбоидна, кръстовидна, шестогранна, октагонна и др.). Върху две срещуположни страни на сензора са формирани по един омичен захранващ контакт, а върху други две срещуположни страни, разположенини на 90° спрямо страните със захранващи контакти - по един омичен измервателен контакт. Захранващите контакти са свързани с двата извода на токоизточник, а измервателните са съединени с входа на електронен блок, изходът на който е изход на сензора като измерваното магнитно поле е перпендикулярно на равнината на сензора. Електронният блок или чрез статична схемна компенсация преди измервателната процедура, използваща множество резистори, или динамична компенсация чрез ротация с фиксирана честота на захранващия ток в процеса на измерването с едновременна последователна промяна ролята на захранващите с измервателните контакти (токов спининг), запазвайки разположението им на 90°, осъществява компенсация на офсета на изхода, [1-8].

Недостатък на този сензор на Хол с компенсиран офсет е често възникващата метрологична грешка на изхода поради появата на офсет от флуктуации на индивидуалните характеристики на сензора на Хол и/или електронните компоненти на схемите от температурата на средата или процесите на стареене, изизскваща допълнително прецизно изменение на стойностите на резисторите при статичната компенсацията, която процедура затруднява експлоатацията на сензора на Хол.

Недостатък е също твърде усложнената схемотехника, необходима за динамичната компенсация на офсета, чиято комплицираност е несъразмерна както спрямо конструкцията и технологията на реализация на самия сензор на Хол, така и на принципа му на функциониране.

ТЕХНИЧЕСКА СЪЩНОСТ

Задача на изобретението е да се създаде сензор на Хол с компенсиран офсет със съществено редуцирана метрологична грешка и опростена схемотехника за компенсацията на офсета.

Тази задача се решава със сензор на Хол с компенсиран офсет, съдържащ полупроводникова подложка с п-тип примесна проводимост. Върху едната й страна е формиран сензор на Хол като на две от срещуположните му страни има по един омичен захранващ контакт, а върху други две срещуположни страни, разположенини на 90° спрямо тези със захранващите контакти - по един омичен измервателен контакт.

Захранващите контакти са свързани с двата извода на токоизточник, а измервателните са изходът на сензора на Хол с компенсиран офсет като измерваното магнитно поле е перпендикулярно на равнината на подложката. Има още бобина с малък брой навивки, формирана технологично върху равнината на подложката и обхващаща изцяло сензора като генерираното от нея магнитно поле е перпендикулярно на равнината на сензора. Последователно през комутатор и регулируем резистор бобината е свързана с изводите на токоизточника.

Предимство на изобретението е съществено редуцираната метрологична грешка от евентуален офсет, свързан с флукуации на параметрите и изменение на температурата, осъществена чрез собственото магнитно поле на бобината, генерирано от тока през нея, който може да се управлява подходящо по стойност и посока от резистора и комутатора в схемата, за да остава офсетът компенсиран продължително време.

Предимство е също силно опростената конструкция, в която отсъства електронен блок, осъществяващ статична или динамична компенсация на офсета чрез токов спининг.

Предимство е още универсалността на решението за компенсация на офсета в сензорите на Хол, тъй като отпада изискването за правилна симетрична форма на структурите на Хол, ограничаващо до сега динамичната компенсация на офсета, например в най-разпространения тип сензори на Хол с правоъгълна форма както и такива от тип на Ван дер Пау.

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 с компенсиран офсет съдържа полупроводникова подложка 1 с лг-тип примесна проводимост. Върху еднатд. й страна е формиран сензор на Хол 2 като на две от срещуположните му страни има по един омичен захранващ контакт 3 и 4, а върху други две срещуположни страни, разположенини на 90° спрямо тези със захранващите контакти 3 и 4 - по един омичен измервателен контакт 5 и 6. Захранващите контакти 3 и 4 са свързани с двата извода на токоизточник 7, а измервателните 5 и 6 са изходът 8 на сензора на Хол с компенсиран офсет като измерваното магнитно поле 9 е перпендикулярно на равнината на подложката 1. Има още бобина 10 с малък брой навивки, формирана технологично върху равнината на подложката 1 и обхващаща изцяло сензора 2 като генерираното от нея магнитно поле lie перпендикулярно на равнината на сензора 2. Последователно през комутатор 12 и регулируем резистор 13 бобината 10 е свързана с изводите на токоизточника 7.

Действието на сензора на Хол е компенсиран офсет, съгласно изобретението, е следното. При свързване на захранващите контакти 3 и 4 с токоизточника 7, в полупроводниковия сензор 2 с п-тип проводимост протича захранващ ток /3 4 от електрони (за илюстрация на Фигура 1 е показан квадратен елемент на Хол 2). Независимо от геометричната форма на сензора 2 - симетрична или произволна, върху изходните контакти 5 и 6, разположени на 90° спрямо захранващите 3 и 4 в отсъствие на магнитно поле В 9 практически винаги възниква диференциално паразитно напрежение ^5,0(^ ⁼ θ) θ или офсет. За коректна метрология такъв паразитен сигнал следва да отсъства, т.е. офсетът следва да бъде компенсиран (нулиран) V₅₆(B = 0) = 0. Произходът му е както от геометричната асиметрия на изходните контакти 5 и 6 спрямо ос на симетрия, също от редица вътрешни за полупроводниковата структура 2 фактори, свързани с механични напрежения в обема и/или повърхността, технологични несъвършенства на полупроводника, дефекти в кристалната му решетка, градиент на легиращата примес и др., или от стареене основно на електронните компоненти в схемата - всички генериращи паразитното електрично изходно напрежение в отсъствие на поле В 9, В = 0. Тези почти непроменящи се с времето аномалии до сега се неутрализираха схемно както чрез статична, така и динамична компенсация на офсета, или и двете едновременно. Съществуват обаче други фактори, които са в динамика температурата Т на околната среда и неконтролируемите случайни флуктуации на параметрите на сензора 2 и на компонентите. При пълно компенсиране на офсета за дадена температура То, ако тя се измени с няколко градуса или при възникване на флуктуации налага се преустановяване на измерването и отново компенсиране на офсета. Следва допълнителна прецизна настройка на резисторната група при статичната процедура или промяна в честотата на ротация за динамичната. Отстраняването на грешките в измерването на магнитното поле В 9 изисква допълнителни усложняваши процедури.

Сензорният механизъм на измерване на магнитното поле В 9 след компенсиран офсет е ефектът на Хол. Измерваното магнитно поле В 9, перпендикулярно на равнината на подложката 1, води до възникване на странично отклоняваща електроните сила на Лоренц = gVdr-x където q е елементарният товар на електрона, a Vdr е средната дрейфова скорост на токоносителите в сензора 2, [1,5,6,8]. До неотдавна в теорията на ефекта на Хол се приемаше, че допълнителните електрони, концентрирани от силата F_l върху съответната (Холова) повърхност на сензора 2 от Фигура 1, например тази е контакт 5 на върха, са също неподвижни както „оголените” от същата сила F_L положителни донорни йони N_D+ върху срещуположната повърхност, където е контакт 6. Съгласно изследванията на Руменин, Лозанова и др. [9] е открито съществуването на магнитноуправляем повърхностен ток ΔΙ₅(Ι₀,Β) в струкурите на Хол. Той е линейна и нечетна функция от стойността и посоката на захранващия ток Z_3>4 и на магнитното поле В 9. Токът е фундаментална закономерност, доизяснаваща явлението на Хол и допринасяща за повишаване на магниточувствителността. Тя е открита в резултат на концепцията за подвижни, а не статични неравновесни токоносители (електрони), генерирани от силата на Лоренц F_L върху съответната Холова страна. Съгласно добре известната класическа теория [1,5,6,8] и новата интерпретация [9], на изхода 8 на елемента на Хол 2 при постоянен захранващ ток /_3;4 = const възниква метрологичното напрежение ± Ун5,б(Д)> право пропорционално на силата на магнитната индукция В 9 и със знак, определен от посоката на полето В 9.

Иновативното решение предлага отстраняването на офсета да стане с въздействие, което да е със същата природа както измервания параметър В 9, т.е. пак чрез ефекта на Хол. По тази причина върху подложката 1 е формирана технологично бобина 10 с малък брой навивки, обхващаща напълно сензора 2. Тя генерира върху елемента 2 постоянно магнитно поле В_о 11 с индукция и знак, които да неутрализират (нулират) паразитното офсет-напрежение V_{5 6}(B = 0) = 0. Магнитното поле В_о 11 на бобината е с радиална симетрия по отношение на навивките и силовите му линии в първо приближение пронизват вертикално равнината на сензора на Хол 2. С помощта на регулируемия резистор 13 се осъществява както режим на фиксиран ток I_w = const през бобината 10, така и възможност за прецизната му настройка. Комутаторът 12 управлява посоката на протичащия през бобината 10 ток Тю, а следователно и знака на магнитното поле В_о 11 на бобината 10. По този начин се компенсира както положително, така и отрицателно офсет-напрежение VsX# = 0) # 0 на изхода 8, Фигура 1.

Неочакваният положителен ефект на новото техническо решение е, че за първи път в сензориката на магнитното поле се предлага преодоляване на един от най-сериозните принципни недостатъци офсетът да става чрез магнитно въздействие В_о 11 върху сензора на Хол, което да е със същата природа както измервания параметър — полето В 9. Драстично е редуцирана метрологичната грешка и съществено е опростена схемотехниката за компенсация. Бобината 10 е с малък брой навивки, тъй като офсетът в CMOS микросензорите на Хол е не повече от 3-4 mV. Такова напрежение се генерира от магнитно поле В_о 11 чрез няколко ампер-навивки и сила на тока Тю от около 2-3 mA. Разполагането вътре в бобината 10 на елемента на Хол 2 позволява магнитното й Поле Bq 11 да е перпендикулярно на равнината на сензора 2, който тя напълно обхваща.

Технологично бобината 10 може да се реализира с методите на микроелектрониката, например с CMOS или BiCMOS процесите, формиращи микросензора на Хол. Важно е да се обележи, че формата на елемента 2 е без значение в новото решение, което го прави универсално. Освен симетрични структури, могат да се използват правоъгълни, конфигурации тип Ван дер Пау, кръгли и др. Достатъчно е върху елемента на Хол 2 да се въздейства с подходящо по сила и посока поле В_о 11, за да се компенсира неминуемия офсет. С новото решение (бобината 10) може да се неутрализира офсетът и в други видове магниточувствителни сензори като биполярни и MOS магнитотранзистори, диференциални магнитодиоди и магниторезистори, и др.

ПРИЛОЖЕНИЕ: една фигура

ЛИТЕРАТУРА

[1] Е. Ramsden, Hall effect sensors - Theory and application, 2^nd ed., Elsevier, Netherland, 2006.

[2] S.G. Taranov et al., Method of and apparatus for eliminating the effect of non-equipotentiality voltage on the Hall voltage, US Patent 4 037 150, 1975.

[3] J. Raman, P. Rombouts, Circuit and method for biasing a plate-shaped sensor element of semiconductor material, European Patent EP2722682, 2013.

[4] R. Racz, S. Huber, Assembly group for current measurement, US Patent 7 375 507, 2005.

[5] R. Popovic, Hall effect devices, 2^nd ed., ser. The Adam Hilger series on sensors, Bristol, IOP Publ. Ltd, 2004.

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

[8] P. Munter, A low-offset spinning-cunent Hall plate, Sensor and Actuators, A 22(1-3) (1990) 743-746.

[9] 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

   Сензор на Хол с компенсиран офсет, съдържащ полупроводникова подложка с п-тип примесна проводимост, върху едната й страна е формиран сензор на Хол като на две от срещуположните му страни има по един омичен захранващ контакт, а върху други две срещуположни страни, разположенини на 90° спрямо тези със захранващите контакти - по един омичен измервателен контакт, захранващите контакти са свързани с двата извода на токоизточник като измерваното магнитно поле е перпендикулярно на равнината на подложката, ХАРАКТЕРИЗИРАЩ СЕ с това, че измервателните контакти (5) и (6) са изходът (8) на сензора ва Хол с компенсиран офсет, има още бобина (10) с малък брой навивки, формирана технологично върху равнината на подложката (1) и обхващаща изцяло сензора (2) като генерираното от нея магнитно поле (11) е перпендикулярно на равнината на сензора (2), последователно през комутатор (12) и регулируем резистор (13) бобината (10) е свързана с изводите на токоизточника (7).