BG112878A - Сензор на хол с равнинна чувствителност - Google Patents

Abstract

Сензорът на Хол с равнинна чувствителност съдържа полупроводникова подложка (1) с n-тип примесна проводимост с формата на правоъгълен паралелепипед, върху едната страна на която на разстояния един от друг са формирани последователно пет правоъгълни омични контакта - първи (2), втори (3), трети (4), четвърти (5) и пети (6), всичките успоредни помежду си и токоизточник (7). Първият (2) и петият (6), и съответно вторият (3) и четвъртият (5) контакт са симетрично разположени спрямо третия (4), който е централен. Измерваното магнитно поле (8) е успоредно както на равнината на подложката (1), така и на дългите страни на контактите (2, 3, 4, 5 и 6). Вторият (3) и четвъртият (5) контакт са съединени с изводите на токоизточника (7). Първият (2) и централният (4) контакт са свързани с входа на първи измервателен усилвател (9), а централният (4) и петият (6) контакт са съединени с входа на втори измервателен усилвател (10). Първият (2) и централният (4) контакт и съответно централният (4) и петият (6) контакт са свързани едновременно само с неинвертиращите или само с инвертиращите входове на двата измервателни усилвателя (9 и 10). Изходите на усилвателите (9 и 10) са свързани с входа на диференциален усилвател (11), чийто изход (12) е изходът на сензора на Хол.

Description

СЕНЗОР НА ХОЛ С РАВНИННА ЧУВСТВИТЕЛНОСТ

ОБЛАСТ НА ТЕХНИКАТА

Изобретението се отнася до сензор на Хол с равнинна чувствителност, приложимо в областта на квантовата комуникация, медицината в това число роботизираната и минимално инвазивната хирургия, роботиката, мехатрониката, системите за сигурност с изкуствен интелект, сензориката, безконтактната автоматика включително дистанционното измерване на ъглови и линейни премествания, навигацията, микро- и нано-технологиите, космическите изследвания, електромобилите и хибридните превозни средства, енергетиката, контролно-измервателната техника и слабополевата магнитометрия, контратероризма, военното дело и др.

ПРЕДШЕСТВАЩО СЪСТОЯНИЕ НА ТЕХНИКАТА

Известен е сензор на Хол с равнинна чувствителност, съдържащ полупроводникова подложка с п-тип примесна проводимост с формата на правоъгълен паралелепипед. Върху едната й страна на разстояния един от друг са формирани последователно пет правоъгълни омични контакти първи, втори, трети, четвърти и пети - всичките успоредни помежду си. Първият и петият, и съответно вторият и четвъртият контакти са симетрично разположени спрямо третия, който е централен. Първият и петият контакт са съединени непосредствено и през токоизточник са свързани с третия контакт. Вторият и четвъртият контакт са диференциалният изход на сензора на Хол като измерваното магнитно поле е успоредно както на равнината на подложката, така и на дългите страни на омичните контакти, [1 - 8].

Недостатък на този сензор на Хол с равнинна чувствителност е понижената преобразувателна ефективност (магниточувствителност) поради използване само на едно от двете напрежения на Хол, генерирани от един и същ захранващ ток в петконтактната полупроводникова подложка.

Недостатък е също редуцираната метрологична точност от температурния дрейф на паразитния офсет и непредсказуемото изменение на стойността на чувствителността с течение на времето в резултат от процесите на стареене и миграция на легиращите примеси в подложката и на повърхността, повлияни от остатъчните термични деформации на чипа при капсулирането, неминуемите технологични несъвършенства при производството, водещи до флуктуации на концентрацията на токоносителите и нееднородната дисипация на топлината при функционирането на сензора на Хол.

ТЕХНИЧЕСКА СЪЩНОСТ

Задача на изобретението е да се създаде сензор на Хол с равнинна чувствителност с повишени магниточувствителност и метрологична точност.

Тази задача се решава със сензор на Хол с равнинна чувствителност, съдържащ полупроводникова подложка с п-тип примесна проводимост с формата на правоъгълен паралелепипед, върху едната страна на която на разстояния един от друг са формирани последователно пет правоъгълни омични контакти - първи, втори, трети, четвърти и пети, всичките успоредни помежду си. Първият и петият, и съответно вторият и четвъртият контакт са симетрично разположени спрямо третия, който е централен. Измерваното магнитно поле е успоредно както на равнината на подложката, така и на дългите страни на контактите. Вторият и четвъртият контакт са съединени с изводите на токоизточник. Първият и централният контакт са свързани с входа на първи измервателен усилвател. Централният и петият контакт са съединени с входа на втори измервателен усилвател. Първият и централният контакт и съответно централният и петият контакт са свързани едновременно само с неинвертиращите или само с инвертиращите входове на двата измервателни усилватели. Изходите на тези усилватели са свързани с входа на диференциален усилвател, чийто изход е изходът на сензора на Хол.

Предимство на изобретението е повишената чувствителност поради сумиране на двете генерирани от един и същ захранващ ток напрежения на Хол в полупроводниковата подложка, което повишава преобразувателната ефективност на сензора.

Предимство е също увеличената измервателна точност от минимизираните както температурен дрейф на остатъчния паразитен офсет, така и изменение с времето на магниточувствителността поради: практически едно и също поведение на индивидуалните дрейфове на изходите и при изваждане на тези два паразитни сигнала с диференциалния усилвател остатъчният дрейф на офсета се редуцира съществено; чрез двойно нарастналата преобразувателна ефективност непредсказуемото изменение с времето на чувствителността остава значително под общата стандартна грешка на този клас сензори за магнитно поле.

Предимство е още редуцираната стойност на паразитния офсет на сензора на Хол с равнинна чувствителност, тъй като: двата изходни сигнала на полупроводниковата конфигурация се генерират от области, осъществени в единен технологичен цикъл и са с изравнени електрофизични характеристики; паразитните офсети на изходите са с еднакъв знак и са приблизително равни по стойност и след изваждане на изходните сигнали с диференциалния усилвател остатъчният офсет е компенсиран (нулиран), а „чистите” напрежения на Хол са сумирани.

Предимство е и подобрената резолюция на сензора на Хол за детектиране на минималната магнитна индукция в резултат на повишеното отношение сигнал/шум от драстично редуцираните паразитен офсет и температурен дрейф както и двойно нарастналата магниточувствителност, осигуряващи по-детайлно измерване на топологията на магнитното поле.

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 равнинна чувствителност съдържа полупроводникова подложка 1 с п-тип примесна проводимост с формата на правоъгълен паралелепипед, върху едната страна на която на разстояния един от друг са формирани последователно пет правоъгълни омични контакти - първи 2, втори 3, трети 4, четвърти 5 и пети 6 - всичките успоредни помежду си. Първият 2 и петият 6, и съответно вторият 3 и четвъртият 5 контакт са симетрично разположени спрямо третия 4, който е централен. Измерваното магнитно поле 7 е успоредно както на равнината на подложката 1, така и на дългите страни на контакти 2, 3, 4, 5 и 6. Вторият 3 и четвъртият 5 контакт са съединени с изводите на токоизточник 8. Първият 2 и централният 4 контакт са свързани с входа на първи измервателен усилвател 9. Централният 4 и петият 6 контакт са съединени с входа на втори измервателен усилвател 10. Първият 2 и централният 4 контакт и съответно централният 4 и петият 6 контакт са свързани едновременно само с неинвертиращите или само с инвертиращите входове на двата измервателни усилватели 9 и 10. Изходите на тези усилватели 9 и 10 са свързани с входа на диференциален усилвател 11, чийто изход 12 е изходът на сензора на Хол.

Действието на сензора на Хол с равнинна чувствителност, съгласно изобретението, е следното. При включване на втория и 3 и четвъртия 5 контакт към изводите на токоизточника 8, в конфигурацията (подложка 1 с контакти 2, 3, 4, 5 и 6) протича захранващ ток 1^. Омични контакти 3 и 5 представляват еквипотенциални равнини, към които в отсъствие на външно магнитно поле В 7, В = 0, токовите компоненти през тях Д и Д са винаги перпендикулярни спрямо горната страна на подложката 1, прониквайки дълбоко в обема й. Токовите линии /3 5 в останалата част от обема на подложката 1 са успоредни на горната й страна. В резултат токовата траектория /_{3 5} е криволинейна и следва да е симетрична спрямо централния контакт 4. Поради неминуема асиметрия - геометрични грешки и толеранси на маските в процеса на микроелектронното производство на контакти 3 и 5 спрямо контакт 4 възникват паразитни изходни напрежения (офсети) на двата изхода ΕΐΧθ) θ ^и У4,б(0) 0 в отсъствие на магнитно поле В 7, В - 0. Тъй като реализацията на чипа е в единен технологичен цикъл, двата паразитни офсети УгДО) и ^(О) се очаква да бъдат почти равни по стойност и да са с един и същ знак, УгДО) ~ ТдДО).

Прилагане на измерваното магнитно поле В 7 успоредно на дългите страни на правоъгълните контакти 2, 3, 4, 5 и 6 води до възникване на странично (латерално) отклонение на токовите линии /35 в обема на подложката 1 от силите на Лоренц F^ F_L = qV^ х В, където q е елементарният товар на електрона, a V_dr е векторът на средната дрейфова скорост на електроните в подложката 1. В резултат на тово Лоренцово отклонение от силите F^, траекторията /35 се “свива” и/или съответно “разширява”. В зависимост от взаимните посоки на токове /₃ и - /5 и на вектора на магнитното поле В 1, върху контакти 2 и 4, и съответно върху контакти 4 и 6 се генерират противоположни по знак и еднакви по стойност Холови потенциали. По този начин чрез ефекта на Хол, обобщен от Руменин и Лозанова за всички видове твърдотелни кристални структури, в това число и такива с равнинна магниточувствителност [5,6,7], възникват две еднакви напрежения на Хол VhmUO и - Ун4,б(Я). Към тези изходни сигнали се добавят алгебрично паразитните офсети УгДО) ~ У₄,₆(0) на двата изхода. Подаването на напреженията и V/^O) и съответно - У₄,б(Я) и ^4,б(0) на двата измервателни усилватели 9 и 10 осъществява схемотехнично развързване на изходите на сензорната архитектура от Фигура 1, минимизирайки драстично взаимното влияние на изходите. Също така е възможно с измервателните усилватели 9 и 10 да се осъществи предварително усилване на напреженията ^2,4(^) и - УдДВ). Чрез диференциалния усилвател 11 напреженията V_2j4 ^и ^4,6 се изваждат:

V₂,4- V₄,6 = [^2,4(0) + ν₂,₄(Β)] - [ V₄,₆(0) - V_4>6B)] = 2Vh(5) + [^2,4(0) - ^(O)]

Съгласно този израз, в резултат на изваждане на генерираните от двата Холови изходи сигнали V_2j4 ^и Кд, напрежението на Хол Ун(^) на изхода 12 на диференциалния усилвател 12 е удвоено 2½ [(B), а остатъчният офсет Voff(0) = ^2,4(0) - ν₄₆(0) е драстично редуциран, [9]. В известното решение изходното напрежение е редуцирано поради използване само на едно от двете генерирани в подложката 1 напрежения на Хол. Ето защо магниточувствителността на новия сензор е удвоена в сравнение с един от каналите (изходите), Фигура 1. При това остатъчният паразитен офсет е почти напълно компенсиран, Кп(0) ~ 0. Така се повишава значително измервателната точност. Предвид силно редуцираният офсет на изхода 12 на сензора, собственият му 1// (фликер) шум от двата изхода Угд и се намалява като се повишава отношението сигнал/шум. Така резолюцията за детектиране на минимална магнитна индукция B_min нараства. Дрейфовете на офсета и магниточувствителността се появяват най-вече от вътрешни в полупроводниковата подложка 1 деформации при капсулирането на чипа, реализацията на метализираните шини, тънкослойните проводящи и диелектрични слоеве по повърхността, технологични несъвършенства, дисипацията на топлина при функциониране, процесите на стареене, миграцията на примесни атоми в обема и повърхността и др. В общия случай тези дрейфови паразитни сигнали имат хаотично поведение, променяйки се с течение на времето, което прави „твърдото” им компенсиране чрез тримиране, термостатиране и др. неефективно. Посочените причини са неотстраними, но стойностите им са в определен несъществен диапазон, тъй като сензорът на Хол е реализиран в единен технологичен цикъл. Този факт удачно е използван в новото решение за: редуциране на офсета, подобряване на отношението сигнал/шум, повишаване на метрологичната точност и минимизирането на температурното влияние. Стабилизиране на преобразувателната ефективност се осъществява и с новооткрития ефект магнитноуправляемия повърхностен ток, [10].

Неочакваният положителен ефект на новото техническо решение се заключава във възможността чрез оригинално избраните вътрешни контакти 3 и 5 като захранващи да се изведат от структурата 1 две генерирани, при това от един и същ захранващ ток напрежения на Хол без увеличаване броя на омичните контакти. Така се реализирани два еднакви функционално интегрирани в общ чип субелементи на Хол с равнинна чувствителност, от съвместното действие на които се постигат нови положителни свойства, екстрахирани чрез трите операционни усилватели 9, 10 и 11. Така офсетът и температурният му дрейф са редуцирани драстично, резолюцията и магниточувствителността са повишени качества, отсъстващи в известното решение. В резултат на новото решение метрологичната точност на сензора на Хол от Фигура 1 е значително повишена.

Сензорът на Хол с равнинна чувствителност може да се реализира с CMOS или BiCMOS технологии, като преобразувателната зона на структурата представлява дълбок л-тип силициев джоб 1. Интегралната микроелектронна технология позволява всички елементи, свързани с новия сензор на Хол, включително усилвателите 9, 10 и 11 да се реализират върху общ силициев чип, формирайки интелигентна микросистема (MEMS). Функционирането на предложения сензор е осъществимо в широк температурен интервал, включително при криогенни температури. За още по-висока чувствителност за целите на слабополевата магнитометрия и сигурността, чипът се разполага между два еднакви продълговати концентратори на магнитното поле В 8 от ферит или μметал.

ПРИЛОЖЕНИЕ: една фигура

ЛИТЕРАТУРА

[1] Ч.С. Руменин, П.Т. Костов, Полупроводников елемент на Хол, Авт. свидетелство BG № 39283 с приоритет от 08.01.1985.

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

[3] R. Popovic, The vertical Hall-effect device, IEEE Electron Device Letters, 5(9) (1984) pp. 357-358.

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

[5] C.S. Roumenin, P.T. Kostov, „Silicon Hall-effect microsensor”, Compt. rendus Acad. Bulg. Sci., 39(5) (1986) 63-66.

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

[7] 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.

[8] T. Kaufmann, On the offset and sensitivity of CMOS-based five-contact vertical Hall devices, MEMS Technology and Engineering, v. 21, Der Andere Verlag, 2013, p. 147; ISBN: 978-3-86247-374-8.

[9] R. Steiner, Rotary switch and current monitor by Hall-based Microsystems, Phys. Electr. Lab. Publ. (ETH) Zurich; ISBN: 3-89649-446-5.

[10] 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 равнинна чувствителност, съдържащ полупроводникова подложка с п-тип примесна проводимост с формата на правоъгълен паралелепипед, върху едната страна на която на разстояния един от друг са формирани последователно пет правоъгълни омични контакти - първи, втори, трети, четвърти и пети, всичките успоредни помежду си и токоизточник, първият и петият, и съответно вторият и четвъртият контакт са симетрично разположени спрямо третия контакт, който е централен като измерваното магнитно поле е успоредно както на равнината на подложката, така и на дългите страни на омичните контакти, ХАРАКТЕРИЗИРАЩ СЕ с това, че вторият (3) и четвъртият (5) контакт са свързани с изводите на токоизточника (7), първият (2) и централният (4) контакт са свързани с входа на първи измервателен усилвател (9), централният (4) и петият (6) контакт са съединени с входа на втори измервателен усилвател (10), първият (2) и централният (4) контакт и съответно централният (4) и петият (6) контакт са свързани едновременно само с неинвертиращите или само с инвертиращите входове на двата измервателни усилватели (9) и (10), изходите на тези усилватели (9) и (10) са свързани с входа на диференциален усилвател (11), чийто изход (12) е изходът на сензора на Хол.