BG112808A - Микросензор на хол с равнинна чувствителност - Google Patents

Abstract

Микросензорът на Хол с равнинна чувствителност, съдържа правоъгълна полупроводникова подложка (1) с n-тип примесена проводимост, върху едната й страна са формирани последователно и на равни разстояния три правоъгълни омични контакти - първи (4), втори (5) и трети (6), като първият (4) и третият (6) са крайни, а вторият (5) - централен, всичките успоредни на дългите си страни. Измерваното магнитно поле (13) е успоредно на равнината на подложката (1) и на дългите страни на контакти (4), (5) и (6). Единият извод на токоизточник (11) е свързан с централния контакт (5) на подложката (1). Има още други две еднакви помежду си полупроводникови подложки (1) и (3), върху една от страните на които и на едно и също разстояние има по два омични контакта - последователно от ляво на дясно първи (7) и (9), и съответно втори (8) и (10). Контакти (4), (5), (6), (7), (8), (9) и (10) на подложките (1), (2) и (3) са успоредни на дългите си страни. Контакт (7) от подложка (1) и контакт (9) от подложка (3) са свързани с другия извод на токоизточника (11). Контакт (8) на подложка (1) и контакт (4) на подложка (2), както контакт (6) на подложка (2) и контакт (9) на подложка (3) са съответно свързани помежду си като връзките между контакти (8) и (4), и респективно (6) и (9) образуват диференциалния изход (12) на микросензора на Хол.

Description

МИКРОСЕНЗОР НА ХОЛ С РАВНИННА ЧУВСТВИТЕЛНОСТ

ОБЛАСТ НА ТЕХНИКАТА

Изобретението се отнася до микросензор на Хол с равнинна чувствителност, приложимо в областта на роботиката и мехатрониката; безконтактната автоматика; измерването на ъглови и линейни премествания; слабополевата магнитометрия; мултироторните безпилотни апарати; навигацията; 3D роботизираната и минималноинвазивната хирургия, включително телемедицината; електромобилостроенето; енергетиката; позиционирането на обекти в равнината и пространството; интелигентните системи за квантова комуникация; военното дело; контратероризма и сигурността, и др.

ПРЕДШЕСТВАЩО СЪСТОЯНИЕ НА ТЕХНИКАТА

Известен е микросензор на Хол с равнинна чувствителност, съдържащ полупроводникова подложка с и-тип примесна проводимост, върху едната страна на която са формирани на равни разстояния един от друг три правоъгълни омични контакти - един централен и два крайни. Крайните контакти са симетрични спрямо дългите страни на централния. С по един товарен резистор крайните контакти са свързани с единия извод на токоизточник, другият извод на който е съединен с централния контакт. Диференциалният изход на микросензора на Хол са крайните контакти като измерваното магнитно поле е успоредно на равнината на подложката и на дългите страни на контактите, [1-8].

Недостатък на този микросензор на Хол с равнинна чувствителност е усложнената му реализация чрез интегралните силициеви технологии, използвани в микроелектрониката, изискваща различни по своята същност физикохимични процеси за формирането на контактите върху подложката от една страна, и при осъществяването на двата товарни резистори от друга.

Недостатък на микросензора е също понижената метрологична точност в резултат на значителен температурен дрейф на изходното напрежение поради различните температурни коефициенти на подложката и товарните резистори.

ТЕХНИЧЕСКА СЪЩНОСТ

Задача на изобретението е да се създаде микросензор на Хол с равнинна чувствителност, който да е с опростена технологична реализация и с висока метрологична точност.

Тази задача се решава с микросензор на Хол с равнинна чувствителност, съдържащ три полупроводникови подложки с и-тип примесна проводимост и правоъгълна форма — последователно първа, втора и трета, разположени успоредно помежду си. Върху едната страна на втората подложка са формирани на равни разстояния три правоъгълни омични контакти — първи, втори и трети като първият и третият са крайни, а вторият е централен. Също така върху едната страна на първата и третата подложка, които са еднакви има на едно и също разстояние по два омични контакти - последователно от ляво на дясно първи и втори. Контактите на всички подложките са успоредни на дългите си страни. Първият контакт от първата подложка и вторият контакт от третата са свързани с единия извод на токоизточник, другият извод на който е съединен с централния контакт на втората подложка. Вторият контакт на първата подложка и първият контакт на втората, както третият контакт на втората подложка и първият контакт на третата са съответно свързани помежду си. Връзките между тези контакти образуват диференциалния изход на микросензора на Хол като измерваното магнитно поле е успоредно на равнините на подложките и на дългите страни на контактите.

Предимство на изобретението е пълната технологична съвместимост чрез еднотипни физикохимични процеси на силициевите технологии, използвани в микроелектрониката за реализация изцяло на контактите върху подложките и резисторите на микросензора на Хол.

Предимство е също повишената измервателна точност в резултат на минималния температурен дрейф на изхода поради еднаквите температурни коефициенти на всичките и-тип полупроводникови подложки.

Предимство е и редуцираното или компенсираното (нулираното) паразитно изходно напрежение (офсет) на микросензора в отсъствие на магнитно поле поради оригиналното свързване на крайните контакти на трите подложки като при това специфично шунтиране протичат компенсиращи токове между трите структури, изравняващи електрическите потенциали в тях в отсъствие на магнитно поле, включително и в зоните на двата изходни контакти.

Предимство е още непроменената преобразувателна ефективност (чувствителност) на новото решение и на микросензора е двата товарни резистори в резултат на генериране в магнитно поле на допълнителни потенциали на Хол с един и същ знак върху съответните контакти на първата и третата подложка, свързани с крайните контакти на втората подложка, формиращи изхода.

ОПИСАНИЕ НА ПРИЛОЖЕНИТЕ ФИГУРИ

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

ПРИМЕРИ ЗА ИЗПЪЛНЕНИЕ

Микросензорът на Хол с равнинна чувствителност съдържа три полупроводникови подложки с н-тип примесна проводимост и правоъгълна форма - последователно първа 1, втора 2 и трета 3, разположени успоредно помежду си. Върху едната страна на втората подложка 2 са формирани на равни разстояния три правоъгълни омични контакти - първи 4, втори 5 и трети 6 като първият 4 и третият 6 са крайни, а вторият 5 е централен. Също така върху едната страна на първата 1 и на третата 3 подложка, които са еднакви има на едно и също разстояние по два омични контакти - последователно от ляво на дясно първи 7 и 9, и съответно втори 8 и 10. Контакти 4, 5, 6, 7, 8, 9 и 10 на подложки 1, 2 и 3 са успоредни на дългите си страни. Първият контакт 7 от първата подложка 1 и вторият контакт 9 от третата 3 са свързани с единия извод на токоизточник 11, другият извод на който е съединен е централния контакт 5 на втората подложка 2. Вторият контакт 8 на първата подложка 1 и първият контакт 4 на втората 2, както третият контакт 6 на втората подложка 2 и първият контакт 9 на третата 3 са съответно свързани помежду си. Връзките между тези контакти 8 и 4, респективно 6 и 9 образуват диференциалния изход 12 на микросензора на Хол като измерваното магнитно поле 13 е успоредно на равнините на подложките и на дългите страни на контактите 4, 5, 6, 7, 8, 9 и 10.

Действието на микросензора на Хол с равнинна чувствителност, съгласно изобретението, се основава на генерирането на ефект на Хол чрез успоредно на полупроводниковите равнини магнитно поле (противно на общоприетото вертикално активизиране на явлението на Хол) — закономерност, открита и използвана за първи път от Ч. Руменин и П. Костов [1,2,4-6], и доразвита от С. Лозанова [8], е следното. Предвид планарността на омичните контакти 4, 5, 6, 7, 8, 9 и 10, Фигура 1, при включване на токоизточника Es 11 и отсъствие на магнитно поле В = 0, те представляват еквипотенциални равнини. Токовите траектории през тези контактни повърхности първоначално са насочени вертикално надолу в обема на подложките 1, 2 и 3, след това стават успоредни на горните им страни, и накрая отново са перпендикулярни към страните на подложките 1, 2 и 3. Следователно токовите линии са криволинейни. Съгласно иновативното свързване на двойките контакти 4 — 8,6 — 9и7 - 10, посоките на равните по стойност захранващи токове през тях са противоположно насочени. В резултат на евентуална геометрична асиметрия, технологични несъвършенства, вътрешни механични напрежения, температурни флуктуации и т.н., на изхода Ει₂ ^Ξ Е_8;9 12 на конфигурацията от Фигура 1 може да възникне офсет E_n(B = 0) # 0. Фактически съществуването на такова паразитно изходно напрежение означава, че в идентичните структури 1, 2 и 3 е възникнала електрическа асиметрия. В предложеното решение, Фигура 1, преодоляването на този сериозен сензорен недостатък се постига с директното свързване на контакти 4 — 8, 6 - 9 и 7 — 10 на подложки 1, 2 3. При такова нестандартно окъсяване протичат компенсиращи (изравняващи) токове между самите подложки 1, 2 и 3, уеднаквяващи електрическите условия (потенциали) в тях. Ето защо в зоните на двата изходни контакти 8-4и9-6в отсъствие на магнитно поле В 13, В = 0, офсетът е драстично редуциран или компенсиран (нулиран), Ei₂(B = 0) = Е₈₉(В = 0) ~ 0. Този подход в сравнение със сложната динамична компенсация на офсета или т.н. токов спининг [7], е съществено опростен и е иманентен на самото техническо решение като крайните резултати и в двата случая са твърде близки.

Прилагане на измерваното магнитно поле В 13 успоредно на подложките 1, 2 и 3 и на дългите страни на контакти 4, 5, 6, 7, 8, 9 и 10 hlu mil води до странично (латерално) отклонение на нелинейните токови линии по цялата им дължина. Това е в резултат на действието на силите на Лоренц F_L(i, F_Li = 7 Kir х В, където q е елементарният товар на електрона, а Vdr е векторът на средната дрейфова скорост на електроните в обемите на подложки 1, 2 и 3. (На Фигура 1 магнитният вектор В 13 е перпендикулярен на напречните сечения на структури 1, 2 и 3). В резултат на Лоренцовото отклонение от силите Fy, в зависимост от посоките на захранващите токове в подложки 1, 2 и 3, и на магнитното поле В 13, нелинейните траектории “се свиват” и/или съответно “разширяват”. По тази причина върху планарните контакти 4-8, 6-9 се генерират едновременно Холови потенциали, еднакви по стойност и с противоположен знак: и - Унб(^)> и УнвФ) и - Удоф)· Фактически измерваното магнитно поле В 13 нарушава цялостната електрическа симетрия на токовите траектории спрямо централния контакт 5 в подложка 2. Същевременно върху диференциалния изход 12 на микросензора възниква напрежение на Хол, Vi2(F). То се генерира от противоположно протичащите захранващи токове Λ.4 и - /5,6 във втората 2 подложка, водещи до повишаване и съответно понижаване на потенциалите на контакти 4 и 6 от действащите в противоположни посоки сили на Лоренц Рщ. Също така остава непроменена преобразувателната ефективност (чувствителност) на новото решение в сравнение с микросензора с двата товарни резистори. Причината е, че в магнитно поле В 13 се генерират допълнителни потенциали на Хол У_Н8 и - V_H9 с един и същ знак спрямо тези върху контакти 4 и 6, което стабилизира стойността на изходния сигнал Vn^)· Напрежението ΡηζΒ) е линейна и нечетна функция от силата и посоката на общия захранващ ток /₅ и полярността на магнитното поле В 13. Следва да се отбележи и ролята на повърхностния магнитноуправляемия ток в трите структури 1, 2 и 3, допълнително повишаващ изходното напрежение W), [9].

В новото решение за първи път се използват магниторезисторни структури - подложки 1 и 2 с двойки контакти 7-8 и 9-10, Фигура 1. Те заместват товарните резистори от известното решение. Ето защо както базовият магниточувствителен елемент - подложка 2 с контакти 4-5-6, така и структури 1 и 3 с контакти 7, 8, 9 и 10 се реализират в единен технологичен цикъл и с едни и същи физикохимични процеси, което съществено опростява реализацията на микросензора на Хол. Освен това в поле В 13 съпротивленията на двата резистора Ri и R₃, формирани с подложки 1 и 3 само нарастват с една и съща стойност, MR ~ В². В резултат тази промяна, която при ниски стойности на индукцията В 13 в силиция е около 1 - 2 %, не влияе на изходното напрежение Vi2(F), тъй като изходът 12 е диференциален. Едновременното допълнително нарастване на магнитосъпротивленията AR_{7 S}(B) и ДВ₉ю(В) с една и съща стойност е синфазна компонента в изхода 12.

i ill it lllihl

Неочакваният положителен ефект на новото техническо решение е, че посредством оригиналната конструкция, съдържаща вместо товарни резистори магниторезистори и иновативното свързване на подложките 1, 2 и 3 се постига пълната технологична съвместимост, повишената измервателна точност в резултат на минимален температурен дрейф, редуциран или компенсиран паразитен офсет и непроменена чувствителност.

Технологичното изпълнение на микросензора на Хол с равнинна чувствителност се осъществява на основата на силициеви CMOS или BiCMOS интегрални процеси. В този случай се формират п-тип „джобове” в p-Si пластини. Планарните омични контакти 4, 5, 6, 7, 8, 9 и 10 се формират с йонна имплантация и са силно легирани п⁺- области в n-Si „джобове”. Чрез изменение на разстоянието между двойките контакти 7-8 и 9-10 на подложки 1 и 3 се постига необходимата стойност на “товарните” резистори в новото решение. Силициевите планарни технологии позволяват едновременното формиране на общ чип и на обработващата електронна схемотехника на изходното напрежение в зависимост от конкретното приложение. Конфигурацията е работоспособна и в областта на криогенните температури, например, температурата на кипене на течния азот Т= 77 К, което разширява сферата на приложение, особена при слабополевата магнитометрия и контратероризма.

ПРИЛОЖЕНИЕ: една фигура

ЛИТЕРАТУРА

[1] Ч.С. Руменин, П.Т. Костов, Планарен датчик на Хол, Авт. свид. BG№ 37208/26.12.1983.

[2] С. Roumenin, Bipolar magnetotransistor sensors - An invited review, Sensors and Actuators, A 24 (1990) 83-105.

[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.

I ill Hi i I hi

[4] C. Roumenin, Parallel-field Hall microsensors - An overview, Sensors and Actuators, A 30 (1992) 77-87.

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

[6] Ch. Roumenin, “Microsensors for magnetic field”, Chapter 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.

[7] Sander, Ch., Vecchi, M., Cornils, M„ Paul, O. From Three-contact vertical Hall elements to symmetrized vertical Hall sensors with low offset, Sens. Actuators, A 240 (2016), 92-102.

[8] S.V. Lozanova, C.S. Roumenin, Paralell-field silicon Hall effect microsensors with minimal design complexity, IEEE Sensors Journal, 9(7) (2009) 761-766.

[9] C. Roumenin, S. Lozanova, S. Noykov, Experimental evidence of magnetically controlled surface current in Hall devices, Sens. Actuators, A 175 (2012) 47-52.

Claims (1)

1. ПАТЕНТНИ ПРЕТЕНЦИИ

   Микросензор на Хол с равнинна чувствителност, съдържащ правоъгълна полупроводникова подложка с и-тип примесна проводимост, върху едната й страна са формирани последователно и на равни разстояния три правоъгълни омични контакти - първи, втори и трети като първият и третият са крайни, а вторият - централен, всичките успоредни на дългите си страни, измерваното магнитно поле е успоредно на равнината на подложката и на дългите страни на контактите, има още токоизточник, единият извод на който е свързан с централния контакт на подложката, ХАРАКТЕРИЗИРАЩ СЕ с това, че има още други две еднакви помежду си полупроводникови подложки (1) и (3), върху една от страните на които и на едно и също разстояние има по два омични контакта - последователно от ляво на дясно първи (7) и (9), и съответно втори (8) и (10), контактите (4), (5), (6), (7), (8), (9) и (10) на подложки (1), (2) и (3) са успоредни на дългите си страни, първият контакт (7) от подложка (1) и вторият контакт (9) от подложка (3) са свързани с другия извод на токоизточника (11), вторият контакт (8) на подложка (1) и първият контакт (4) на подложка (2), както третият контакт (6) на подложка (2) и първият контакт (9) на подложка (3) са съответно свързани помежду си, връзките между контакти (8) и (4), и респективно (6) и (9) образуват диференциалния изход (12) на микросензора на Хол.