BG113056A - Интегрален сензор на хол - Google Patents

Abstract

Интегралният сензор на Хол съдържа четири еднакви полупроводникови подложки с n-тип примесна проводимост и правоъгълна форма - първа (1), втора (2), трета (3) и четвърта (4). Върху една от страните на всяка подложка (1, 2, 3 и 4) са формирани отляво надясно последователно и на равни разстояния по три правоъгълни омични контакта - първи (5, 6, 7 и 8), втори (9, 10, 11 и 12) и трети (13, 14, 15 и 16), като първите (5, 6, 7 и 8) и третите контакти (13, 14, 15 и 16) са крайни, а вторите контакти (9, 10, 11 и 12) са централни. Подложките (1, 2, 3 и 4) лежат в една равнина, като контактите (6, 7, 8, 10, 11, 12, 14, 15 и 16) са успоредни както на дългите си страни, така и на дългите страни на контактите (5, 9 и 13) на първата подложка (1). Всички контакти (5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15 и 16) са разположени или само на горната или само на долната повърхност на подложките (1, 2, 3 и 4). Контактите (9 и 11) на първата (1) и третата (3) подложка са свързани с токоизточник (17). Контактът (5) на подложката (1) е свързан с контакта (14) на втората подложка (2), контактът (13) на подложката (1) е съединен с контакта (8) на четвъртата подложка (4), контактът (6) на подложката (2) е свързан с контакта (15) на третата подложка (3), а контактът (7) на подложката (3) е съединен с контакта (16) на четвъртата подложка (4). Диференциалният изход (18) на сензора са контактите (10 и 12), като измерваното магнитно поле е успоредно на равнината на подложките (1, 2, 3 и 4) и на дългите страни на контактите (5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15 и 16).

Description

ИНТЕГРАЛЕН СЕНЗОР НА ХОЛ

ОБЛАСТ НА ТЕХНИКАТА

Изобретението се отнася до интегрален сензор на Хол, приложимо в областта на роботиката, включително роботизираната, минимално инвазивната хирургия и телемедицината; квантовата комуникация; сензориката; системите за сигурност е изкуствен интелект; безконтактното измерване на линейни и ъглови премествания; слабополевата магнитометрия; електромобилите и хибридните превозни средства; безконтактната автоматика; навигацията; мултироторните безпилотни системи, космическите изследвания и военното дело; контратероризма в това число подводно, наземно и въздушно наблюдение и превенция, и др.

ПРЕДШЕСТВАЩО СЪСТОЯНИЕ НА ТЕХНИКАТА

Известен е интегрален сензор на Хол, съдържащ полупроводникова подложка с правоъгълна форма и п-тип примесна проводимост, върху едната страна на която са формирани на равни разстояния три правоъгълни омични контакти, успоредни на дългите си страни - един централен и два крайни. Крайните контакти са симетрични спрямо 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 сензора на Хол са крайните контакти като измерваното магнитно поле е успоредно на равнината на подложката и на дългите страни на контактите, [1 - 12].

Недостатък на този интегрален сензор на Хол с равнинна чувствителност е наличието на паразитно напрежение на изхода в отсъствие на магнитно поле (офсет) поради геометрична и електрична асиметрия, възникваща от несъосност в разположението на крайните контакти спрямо централния, неизбежни технологични несъвършенства, механични напрежения при корпусирането на чипа, температурни изменения и др.

Недостатък е също усложнената реализация чрез интегралните силициеви технологии, използвани в микроелектрониката, изискваща различни по своята същност физикохимични процеси в изграждането на силициевата подложка с планарните контакти и при формирането на товарните резистори.

ТЕХНИЧЕСКА СЪЩНОСТ

Задача на изобретението е да се създаде интегрален сензор на Хол, който да е с редуциран офсет и опростена технологична реализация.

Тази задача се решава с интегрален сензор на Хол, съдържащ четири еднакви полупроводникови подложки с л-тип примесна проводимост и правоъгълна форма - първа, втора, трета и четвърта. Върху една от страните на всяка подложка са формирани от ляво на дясно последователно и на равни разстояния по три правоъгълни омични контакти - първи, втори и трети като първите и третите са крайни, а вторите са централни. Подложките лежат в една равнина като контактите са успоредни на дългите си страни и са разположени или само на горната или само на долната повърхност на подложките. Централните контакти на първата и третата подложка са свързани с токоизточник. Първият контакт на първата подложка е свързан с третия контакт на втората, третият контакт на първата подложка е съединен с първия контакт на четвъртата, първият контакт на втората подложка е свързан с третия контакт на третата, а първият контакт на третата подложка е съединен с третия контакт на четвъртата. Диференциалният изход на сензора на Хол са централните контакти на втората и четвъртата подложка като измерваното магнитно поле е успоредно на равнината на подложките и на дългите страни на контактите.

Предимство на изобретението е силно редуцираното паразитно изходно напрежение (офсет) на сензора поради оригиналното свързване на крайните контакти на четирите идентични подложки, водещо до окъсяване на неминуемите паразитни потенциали в структурите чрез протичане на компенсиращи токове, изравняващи електрическите условия в подложките в отсъствие на магнитно поле, включително в зоните на двата изходни контакта.

Предимство е също пълната технологична съвместимост чрез еднотипните физикохимични процеси на силициевите интегрални технологии, използвани в микроелектрониката за реализация изцяло на четирите структурни компоненти на сензора на Хол.

Предимство е още високата преобразувателна ефективност (чувствителност) в резултат на генериране в магнитно поле на допълнителни е различна полярност (знак) потенциали на Хол съответно върху втората и четвъртата подложка чрез крайните им контакти, свързващи ги с първата и третата подложка, което води до усилване на изходното напрежение на Хол.

Предимство е и повишената измервателна точност на интегралния сензор на Хол поради съществено минимизирания паразитен офсет и високата магниточувствителност.

ОПИСАНИЕ НА ПРИЛОЖЕНИТЕ ФИГУРИ

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

ПРИМЕРИ ЗА ИЗПЪЛНЕНИЕ

Интегралният сензор на Хол съдържа четири еднакви полупроводникови подложки е п-тип примесна проводимост и правоъгълна форма - първа 1, втора 2, трета 3 и четвърта 4. Върху една от страните на всяка подложка 1, 2, 3 и 4 са формирани от ляво на дясно последователно и на равни разстояния по три правоъгълни омични контакти - първи 5, 6, 7 и 8, втори 9, 10, 11 и 12, и трети 13, 14, 15 и 16 като първите 5, 6, 7 и 8 и третите 13, 14, 15 е 16 са крайни, а вторите 9, 10, 11 и 12 са централни. Подложките 1, 2, 3 и 4 лежат в една равнина като контакти 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15 и 16 са успоредни на дългите си страни и са разположени или само на горната или само на долната повърхност на подложки 1, 2, 3 и 4. Централните контакти 9 и 11 на първата 1 и третата 3 подложка са свързани с токоизточник 17. Първият контакт 5 на първата подложка 1 е свързан с третия контакт 14 на втората 2, третият контакт 13 на първата подложка 1 е съединен с първия контакт 8 на четвъртата 4, първият контакт 6 на втората подложка 2 е свързан с третия контакт 15 на третата 3, а първият контакт 7 на третата подложка 3 е съединен с третия контакт 16 на четвъртата 4. Диференциалният изход 18 на сензора на Хол са контакти 10 и 12 на втората 2 и четвъртата 4 подложка като измерваното магнитно поле 19 е успоредно на равнината на подложките 1, 2, 3 и 4 и на дългите страни на контакти 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15 и 16.

Действието на интегралния сензор на Хол, съгласно изобретението, се основава на генериране на напрежение на Хол с магнитно поле В 19, приложено успоредно на равнината на полупроводниковите структури 1, 2, 3 и 4 (противно на общоприетото активизиране на явлението на Хол с перпендикулярно на повърхността на полупроводниците поле В (19). Тази закономерност е открита и използвана за първи път от Ч. Руменин и П. Костов, [1-8] и е доразвита от С. Лозанова, [10-12]. Сензорната конфигурация функционира чрез равнинно-магниточувствителния ефект на Хол като с нея се надгражда разнообразието от елементи и конструкции в микроелектронната сензорика, Фигура 1. На тази фигура четирите подложки 1, 2, 3 и 4 схематично са разположени в четири успоредни равнини, но при микроелектронната реализация на сензора те се формират в една равнина, тази на силициевия чип. Действието на новото решение е следното. Предвид планарността на омичните контакти 5, 6, 7, 8, 9, 11, 13, 14, 15 и 16, Фигура 1, при включване на източника E_s 17 и в отсъствие на магнитно поле 19, В = 0, те представляват еквипотенциални равнини за токовите линии. Токовите траектории през тези десет контактни повърхности 5, 6, 7, 8, 9, 11, 13, 14, 15 и 16 първоначално са насочени вертикално надолу в обема на подложките 1, 2, 3 и 4, след това стават успоредни на горните им повърхности, и накрая отново са перпендикулярни към планарните омични контакти 5, 6, 7, 8, 9, 11, 13, 14, 15 и 16. Следователно токовите линии в подложките 1, 2, 3 и 4 са криволинейни. Съгласно иновативното свързване на двойките контакти 5 14, 6 - 15, 7 - 16 и 8 - 13, през тях протичат токови компоненти ДД2 с една и съща стойност (в резултат на симетрията и еднаквите размери на еднотипните подложки 1, 2, 3 и 4), равни на половината от общия захранващ ток /₁₇ ξ /_{9 п} през централните контакти 9 и 11. Посоките на двата тока /₁₇/2 = /941/2 обаче са противоположни. В резултат на неминуема геометрична асиметрия - несъосност на маските в разположението на крайните контакти 5, 13, 6, 14, 7, 15, 8 и 16 спрямо централните 9, 10, 11 и 12, неизбежни технологични несъвършенства и структурни дефекти, механични напрежения при корпусирането на чипа и метализизацията на шините, температурни флуктуации и др., на изхода V₁₈ = Ею,12, 18, на конфигурацията от Фигура 1 в отсъствие на магнитно поле В 19, В = 0, възниква офсет Vi₈(B = 0) / 0. Фактически наличието на такова паразитно изходно напрежение У₁₈ означава, че в идентичните симетрични структури 1, 2, 3 и 4 съществува електрическа асиметрия. В новото решение преодоляването на този съществен сензорен недостатък (офсет) се постига с директното свързване на контакти 5 - 14, 6 - 15, 7 - 16 и 8 - 13 на подложки 1, 2, 3 и 4. При това нестандартно окъсяване протичат компенсиращи (изравняващи) токове между самите подложки 1, 2, 3 и 4, уеднаквяващи електрическите условия (потенциали) в тях. Ето защо в зоните на двата изходни контакта 10 и 12, в отсъствие на магнитно поле В 19, В = 0, офсетът е драстично редуциран или компенсиран (нулиран), Vi₈(5 = 0) = У₁₀,1₂(В = 0) ~ 0. Този подход в сравнение със сложната динамична компенсация на офсета чрез т.н. токов спининг 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 19 успоредно на равнината на подложките 1, 2, 3 и 4 и на дългите страни на контакти 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15 и 16 води до странично (латерално) отклонение на нелинейните токови линии по цялата им дължина. Това въздействие е в резултат на силите на Лоренц F^ = gV_dr х В, където q е елементарният товар на електрона, a V_dr е векторът на средната дрейфова скорост на движещите се електрони в обемите на подложки 1, 2, 3 и 4, [6,8,10-12]. (На Фигура 1 магнитният вектор В 19 е перпендикулярен на напречните сечения на структури 1, 2, 3 и 4). В резултат на Лоренцовото отклонение от силите F^, в зависимост от посоките на захранващите токове в подложки 1, 2, 3 и 4, и на магнитното поле В 19, нелинейните траектории се удължават и/или съответно скъсяват. По тази причина върху планарните контакти 5, 14, 6 и 15 както и върху изходния терминал 10 се генерират едновременно Холови потенциали с един и същ знак, например +Ец5(В), +Ун14(#)> +Унб(В), +Ен15(В) и +Уню(В). Върху контакти 7, 16, 13 и 8 както и върху другия изходен терминал 12 се генерират едновременно също Холови потенциали, но с противоположен знак -У_Н7(В), -УщбС·#), -Ун1з(#)> Vhs(^) и -Vhi2(^)· Следователно на диференциалния изход 18 на сензора възниква напрежение на Хол, Vi₈(B) = УюдгС®). То се генерира от противоположно протичащите захранващи токове Ι-^ и/_8;1₆ във втората 2 и четвъртата 4 подложка. Така изходното напрежение Уцщф) е резултат от Холови потенциали с противоположен знак върху контактите 10 и 12. Сигналът Vi₈(B) е линейна и нечетна функция от силата и посоката на общия захранващ ток/_9;ц и на магнитното поле В 19.

В новото решение, обаче се използва иновативен способ за допълнително повишаване на магниточувствителността на изхода Vi₈(B) с помощта на еднакви по стойност, но с противоположен знак Холови потенциали, генерирани от протичащите токове в първата 1 и третата 3 подложка. По същество структури 1 и 3 заедно с контакти 5, 9 и 13, и съответно 7, 11 и 15 представляват триконтактни равнинно-чувствителни елементи на Хол, [1-3,5,6,8-12]. Генерираните от тези сензори в магнитно поле В 19 Холови потенциали чрез директното свързване на контакти 5 14 и 6 - 15 както 7 - 16 и 8 - 13 едновременно допълнително повдигат и/или съответно понижават общото потенциално състояние на втората 2 и четвъртата 4 подложка с терминалите 10 и 12, формиращи изхода 18 на сензора. Способът на свързване и разположението на подложките 1, 2, 3 и 4, приложени в конфигурацията на Фигура 1 осъществява сумиране на изхода 18 на всички генерирани в структурите напрежения на Хол. За да се гарантира този резултат на повишаване на Ходовия сигнал V₁₈(B) всички контакти 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15 и 16 трябва да са разположени от една и съща страна на подложките 1, 2, 3 и 4, само на горната или само на долната повърхност. Така силите на Лоренц Fy, действащи върху движещите се токоносители (електроните) чрез свързването реализират върху повърхностите на подложки 2 и 4 с изходни контакти 10 и 12 допълнителни потенциали със същия знак, какъвто се формира върху тези терминали от протичането на токове /_14>6 и /₈д₆· В противен случай (при други конфигурации на свързване и разположение на подложките 1, 2, 3 и 4 с контактите) допълнителните потенциали ще редуцират изходния сигнал, а няма да го повишат. В резултат на предложения способ на свързване от Фигура 1, изходното напрежение Vi₈(B) значително се увеличава и магниточувствителността нараства. Същевременно омичните съпротивления на втората 2 и четвъртата 4 подложка изпълняват функциите на товарни резистори, включени към крайните контакти 5 и 13 на първата 1, и 7 и 15 на третата 3 подложка. По такъв начин отпада необходимостта да се използват усложняващи технологични операции и процеси за реализиране на двата товарни резистори от известното решение. Постига се пълна технологична съвместимост чрез еднотипни физикохимични процеси на силициевите технологии за реализация на новия сензор на Хол. Минимизираният паразитен офсет и нарастналата преобразувателна ефективност повишават значително измервателната точност на системата от Фигура 1.

Неочакваният положителен ефект на новото техническо решение е, че посредством оригиналната конструкция и иновативното свързване на подложките 1, 2, 3 и 4 се постига допълнително напрежение на Хол, което синфазно се сумира с изходния сигнал, генерирайки повишена чувствителност. При това едновременно драстично се редуцира един от най-сериозните недостатъци - офсетът чрез изравняващи токове, включително и съществено се опростява технологичната реализация.

Изпълнението на сензора на Хол се осъществява с CMOS или BiCMOS интегрални процеси в единен технологичен цикъл върху силициева пластина (силициев чип). Конфигурацията от четирите п-тип структури 1, 2, 3 и 4, Фигура 1, се формира в равнината на чипа като се спазва ориентацията и функционалностите на планарните омични контакти 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15 и 16, съгласно новото решение. В този случай подложките 1, 2, 3 и 4 представляват п-тип „джобове” в д-Si пластини. Те се осъществяват с йонна имплантация и са силно легирани п⁺⁺- п зони в и-Si „джобове”. Интегралните технологии позволяват едновременно формиране на същия чип и на обработващата електронна схемотехника за изходното напрежение Vi₈(5), в зависимост от конкретното приложение, включително реализирането на цифрови сензорни платформи. Конфигурацията от Фигура 1 е работоспособна и в областта на ниските температури, например, температурата на кипене на течния азот Т = 77 К, което разширява сферата на приложимост за целите на криотрониката, особено в 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, Р. Kostov, Tripole Hall sensor, Compt. Rendus ABS, 38(9) (1985) 273-279.

[3] C.S. Roumenin, Parallel-field triple Hall device, Compt. rendus ABS, 39(11)(1986) 65-68.

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

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

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

[7] C. Roumenin, Magnetic sensors continue to advance towards perfection, Sensors and Actuators, A 46-47 (1995) 273-279.

[8] C. 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.

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

[10] C.B. Лозанова, „Триконтактни силициеви сензори на Хол с паралелна ос на магниточувствителност, PhD Дисертация, София, 2006 г.; (S.V. Lozanova, „In-plane sensitive three contact silicon Hall sensors”, PhD Dissertation, Sofia, 2006).

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

[12] S.V. Lozanova, C.S. Roumenin, A three-point-probe method for measuring resistivity and the Hall coefficient using Hall devices with minimal design complexity, Measurement, 43 (2010) 385-391.

Claims (1)

1. ПАТЕНТНИ ПРЕТЕНЦИИ

   Интегрален сензор на Хол, съдържащ правоъгълна полупроводникова подложка с п-тип примесна проводимост, върху едната страна на която от ляво на дясно са формирани последователно 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 три полупроводникови подложки - втора (2), трета (3) и четвърта (4), идентични на първата (1), върху една от страните на които също от ляво на дясно са формирани последователно на равни разстояния по три правоъгълни омични контакти - първи (6), (7) и (8), втори (10), (11) и (12) и трети (14), (15) и (16) като първите (6), (7) и (8) и третите (14), (15) и (16) са крайни, а вторите (10), (11) и (12) - централни, подложките (1), (2), (3) и (4) лежат в една равнина, контакти (6), (7), (8), (10), (11), (12), (14), (15) и (16) са успоредни както на дългите си страни, така и на дългите страни на контакти (5), (9), и (13) на първата подложка (1) като всички контакти (5), (6), (7), (8), (9), (10), (11), (12), (13), (14), (15) и (16) са разположени или само на горната или само на долната повърхност на подложки (1), (2), (3) и (4), централният контакт (11) на третата подложка (3) е свързан с другия извод на токоизточника (17), първият контакт (5) на първата подложка (1) е свързан с третия контакт (14) на втората (2), третият контакт (13) на първата подложка (1) е съединен с първия контакт (8) на четвъртата (4), първият контакт (6) на втората подложка (2) е свързан с третия контакт (15) на третата (3), а първият контакт (7) на третата подложка (3) е съединен с третия контакт (16) на четвъртата (4), диференциалният изход (18) на сензора на Хол са контакти (10) и (12) на втората (2) и четвъртата (4) подложка.