BG113275A - Равнинно-магниточувствителен елемент - Google Patents

Abstract

Равнинно-магниточувствителният елемент съдържа токоизточник (1) и две идентични полупроводникови правоъгълни подложки с n-тип примесна проводимост - първа (2) и втора (3), разположени успоредно една спрямо друга. Върху едната страна на всяка от подложките (2) и (3) последователно и на равни разстояния са формирани от ляво на дясно по три еднакви правоъгълни омични контакти - първи (4) и (5), втори (6) и (7), и трети (8) и (9), разположени успоредно на дългите си страни, като контактите (6) и (7) са централни. Повърхностите на двете подложки (2) и (3) между първите (4) и (5) и централните (6) и (7), както между централните (6) и (7) и третите (8) и (9) контакти са покрити с тънък диелектричен слой (10) с постоянна дебелина, върху който са образувани метални гейтови електроди - от ляво на дясно: първи (11) и втори (12) за подложката (2), и трети (13) и четвърти (14) за подложката (3). Първият (11) и вторият (12) гейтов електрод едновременно са съединени с контакта (7) на подложката (3), а третият (13) и четвъртият (14) гейтов електрод са едновременно свързани с контакта (6) на подложката (2). Третите контакта (8) и (9) са съединени, а първите (4) и (5) контакти са свързани с изводите на токоизточника (1). Контактите (6) и (7) са диференциалният изход (15) на елемента, като измерваното магнитно поле (16) е успоредно, както на равнините на подложките (2) и (3), така и на дългите страни на контактите (4), (5), (6), (7), (8) и (9).

Description

РАВНИННО-МАГНИТОЧУВСТВИТЕЛЕН ЕЛЕМЕНТ

ОБЛАСТ НА ТЕХНИКАТА

Изобретението се отнася до равнинно-магниточувствителен елемент, приложимо в областта на сензориката, медицината в това число роботизираната и минимално инвазивната хирургия, 3D телемедицината и лапароскопията, квантовата комуникация, системите за сигурност с изкуствен интелект, роботиката, мехатрониката, навигацията, микро- и нано-технологиите, безконтактната автоматика включително дистанционното измерване на ъглови и линейни премествания, космическите изследвания, контролно-измервателната технология и слабополевата магнитометрия, електромобилите и хибридните превозни средства, енергетиката, контратероризма, военното дело и др.

ПРЕДШЕСТВАЩО СЪСТОЯНИЕ НА ТЕХНИКАТА

Известен е равнинно-магниточувствителен елемент, съдържащ токоизточник и полупроводникова правоъгълна подложка с л-тип примесна проводимост, върху едната страна на която са формирани на равни разстояния един от друг последователно три правоъгълни омични контакти - първи, втори и трети, разположени успоредно на дългите си страни като вторият е централен и спрямо него симетрично от двете му дълги страни са разположени другите два контакта. Първият и третият контакт през товарните резистори са съединени с единия извод на токоизточника, другият извод на който е свързан с централния контакт. Измерваното магнитно поле е успоредно както на равнината на подложката, така и на дългите страни на правоъгълните контакти, а първият и третият контакт са изходът на елемента, [1-6].

Недостатък на този равнинно-магниточувствителен елемент е понижената преобразувателна ефективност (чувствителност) в резултат на ниската подвижност на токоносителите в използвания при технологичната му реализация полупроводник силиций.

Недостатък е също редуцираната метрологична точност поради ниската магниточувствителност, водеща до забележимо присъствие в изходното напрежение на паразитни сигнали от сензорни недостатъци като температурен дрейф, офсет, хистерезис, вътрешен 1// (фликер) шум, нелинейност и др.

ТЕХНИЧЕСКА СЪЩНОСТ

Задача на изобретението е да се създаде равнинномагниточувствителен елемент с висока чувствителност и висока метрологична точност.

Тази задача се решава с равнинно-магниточувствителен елемент, съдържащ токоизточник и две идентични полупроводникови правоъгълни подложки с л-тип примесна проводимост - първа и втора, разположени успоредно една спрямо друга. Върху едната страна на всяка от подложките последователно и на равни разстояния са формирани от ляво на дясно по три еднакви правоъгълни омични контакти - първи, втори и трети, разположени успоредно на дългите си страни като вторите контакти са централни. Повърхностите на двете подложки между първите и централните както между централните и третите контакти са покрити с тънък диелектричен слой с постоянна дебелина, върху който са образувани метални гейтови електроди — от ляво на дясно първи и втори за първата подложка, и трети и четвърти за втората. Първият и вторият гейтов електрод едновременно са съединени с централния контакт на втората подложка, а третият и четвъртият гейтов електрод са едновременно свързани с централния контакт на първата подложка. Двата трети контакта са съединени, а двата първи са свързани с изводите на токоизточника. Централните контакта са диференциалният изход на елемента като измерваното магнитно поле е успоредно какго на равнините на подложките, така и на дългите страни на контактите.

Предимство на изобретението е високата чувствителност поради генериране на допълнителни електрични товари със съответната полярност под диелектричния слой от двойките гейтови електроди в двете подложки, водещи до повишено изходно напрежение от тип на Хол.

Предимство е също повишената измервателна точност в резултат на високата чувствителност при непроменено ниво на сензорните паразитни сигнали - температурен дрейф, хистерезис, офсет, нелинейност, вътрешен (фликер) шум и др.

Предимство е също увеличената резолюция при измерване на минималната магнитна индукция, поради високата чувствителност едновременно с повишеното отношението сигнал/шум на елемента, което осигурява по-детайлно картографиране на равнинната и пространствената топология на магнитното поле.

Предимство е още реализацията на магниточувствителния елемент в единен цикъл, без необходимост от различни по своята природа технологични процеси, усложняващи осъществяването върху силициевия чип на товарните резистори и на двете структурни конфигурации с омичните контакти.

ОПИСАНИЕ НА ПРИЛОЖЕНИТЕ ФИГУРИ

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

ПРИМЕРИ ЗА ИЗПЪЛНЕНИЕ

Равнинно-магниточувствителният елемент съдържа токоизточник 1 и две идентични полупроводникови правоъгълни подложки с /г-тип примесна проводимост - първа 2 и втора 3, разположени успоредно една спрямо друга. Върху едната страна на всяка от подложките 2 и 3 последователно и на равни разстояния са формирани от ляво на дясно по три еднакви правоъгълни омични контакти - първи 4 и 5, втори 6 и 7, и трети 8 и 9, разположени успоредно на дългите си страни като контакти 6 и 7 са централни. Повърхностите на двете подложки 2 и 3 между първите 4 и 5 и централните 6 и 7 както между централните 6 и 7 и третите 8 и 9 контакти са покрити с тънък диелектричен слой 10 с постоянна дебелина, върху който са образувани метални гейтови електроди - от ляво на дясно първи 11 и втори 12 за първата подложка 2, и трети 13 и четвърти 14 за втората 3. Първият 11 и вторият 12 гейтов електрод едновременно са съединени с контакт 7 на втората подложка 3, а третият 13 и четвъртият 14 гейтов електрод са едновременно свързани с контакт 6 на първата подложка 2. Двата трети контакта 8 и 9 са съединени, а двата първи 4 и 5 са свързани с изводите на токоизточника 1. Контакти 6 и 7 са диференциалният изход 15 на елемента като измерваното магнитно поле 16 е успоредно както на равнините на подложките 2 и 3, така и на дългите страни на контактите 4, 5, 6, 7, 8 и 9 .

Действието на равнинно-магниточувствителния елемент, съгласно изобретението, е следното. След непосредственото свързване на третите контакти 8 и 9, и включването на двата първи контакта 4 и 5 към токоизточника 1, в обема на двете подложки 2 и 3 протичат две срещуположно насочени и еднакви по стойност токови компоненти и - ^9,5, Л,8 = | - ^9,51 · Захранващите планарни контакти 4 и 8, съответно 9 и 5 представляват еквипотенциални равнини, към които в отсъствие на външно магнитно поле В 16, В = 0, токовете през тях са винаги перпендикулярно насочени спрямо горните страни на подложките 2 и 3, прониквайки дълбоко в обемите им. Дълбочината на проникване в силициевите структури, какъвто е нашият случай, при фиксирана концентрация на легиращите донорни примеси N_D = const в подложки 2 и 3 зависи от съотношението между ширината на контакти 4, 8, 9 и 5 и разстоянието между тях Z₄.₈ и Z₉.₅. Максималната стойност на дълбочината при N_d ~ 10 cm' при оптимизирани геометрични параметри съставлява около 30 - 40 pm. Между контактите 4 и 8 и съответно 9 и 5 токовите линии в първо приближение са успоредни на горните страни на подложките 2 и 3, минавайки под централните контакти 6 и 7, Фигура 1. В резултат траекториите на токоносителите са криволинейни, [1-6].

Прилагането на измерваното магнитно поле В 16 успоредно на подложките 2 и 3, и на дългите страни на контакти 4, 5, 6, 7, 8 и 9 води до странично (латерално) отклонение (дефлекция) на токовите линии по цялото протежение на нелинейните им траектории. Причината за това е действието на силите на Лоренц F^, F_L = qV_dt х В, където q е елементарният товар на електрона, a V_dr е векторът на средната дрейфова скорост на електроните в подложки 2 и 3, [2,7,8]. Този способ за магнитно активизиране на елементите на Хол дава наименованието им - равнинномагниточувствителни сензори, на Фигура 1 магнитният вектор В 11 е перпендикулярен на напречните сечения на подложки 2 и 3. В резултат на Лоренцовото отклонение от силите F^, в зависимост от посоките на токовете /_4>8 и /95, и на магнитното поле В 16, нелинейните траектории в обемите на подложки 2 и 3 се “свиват” и съответно “разширяват”. По тази причина върху горните повърхности на двете равнинномагниточувствителни структури 2 и 3 се генерират едновременно равни по стойност но с противоположен знак Холови потенциали φβ(Β) и - φη(Β\ φ^Β) = |- ^7(^)|, които се регистрират с контактите 6 и 7. Фактически измерваното магнитно поле В 16 нарушава електрическата симетрия на токовите траектории. Следователно' в резултат на Лоренцовата дефлекция, върху диференциалния изход 15 на елемента възниква напрежение на Хол V₁₅(B) = Vh,6-7(^)· Този сигнал е линейна и нечетна функция от силата на токовете /_4>8 и - /₉₍₅, както и на магнитното поле В 16. Поради невисоката подвижност на електроните μ_η в силиция - основният полупроводник в интегралните микроелектронни технологии, не могат да се очакват съществени стойности на чувствителността S при стайна температура, μ_η(Τ = 300 К) ~ 1200 cm^^s¹, [2,3,5,8,9]. Както е добре известно преобразувателната ефективност или чувствителността S е право пропорционална на подвижността μ_η на електроните, S ~ μ_η, [2,8].

В новото решение на Фигура 1 е избран иновативен способ за повишаване на чувствителността. Повърхностите на двете подложки 2 и 3, намиращи се между първите 4 и 5 и централните 6 и 7, както между централните 6 и 7 и третите 8 и 9 контакти са покрити с тънък диелектричен слой 10 с постоянна дебелина, върху който са формирани металните гейтови електроди 11 и 12, и съответно 13 и 14. Те са отделени от интерфейсите на горните равнини на подложки 2 и 3 с тънък диелектричен слой 10, частите на който са с постоянна дебелина d_m ~ const. Слоят 10 е преди всичко от силициев диоксид SiO₂ както е при MOS транзисторите. Оригиналното свързване на гейтовите електроди 13 и 14 с изходен контакт 6, и съответно гейтови електроди 11 и 12 с контакт 7 индуцира чрез потенциалите -φ_Ί и +^₆ ефект на полето в така формираните MOS структури 2 и 3, [9,10]. Ако в и-тип подложка 1, какъвто е нашият случай, например гейтовият потенциал е положителен + φ^, в интерфейсните зони под електроди 13 и 14 чрез ефекта на полето от обема на подложка 3 се извличат допълнителни електрони, т.е. отрицателната компонента на полето от тип на Хол -Е_н нараства. При отрицателно гейтово напрежението -φ_Ί в приповърхностните области под гейтове 11 и 12 се реализира режим на обедняване от електрони, т.е. положителната компонента на полето нараства. Полярностите на гейтовите потенциали ±Vg са съпосочни с действието на силата на Лоренц ±F^ като на практика ефектът на полето усилва действието на силата на Лоренц. Следователно описаният процес повишава изходното напрежение на микросензора KutisC^) 15. В резултат на техническото решение от Фигура 1 магниточувствителността S и измервателната точност на полето В 15 нарастват. Същевременно високият сигнал Voutis^) 15 също води до увеличение на отношението сигнал/шум (S/N) при непроменените негативни фактори като паразитен офсет, нелинейност, температурен дрейф, вътрешен (фликер) шум и хистерезис. Следователно резолюцията при измерване на минималната магнитна индукция B_mj_n нараства, което

Claims (1)

1. ПАТЕНТНИ ПРЕТЕНЦИИ

   Равнинно-магниточувствителен елемент, съдържащ токоизточник и полупроводникова правоъгълна подложка с и-тип примесна проводимост, върху едната страна на която последователно и на равни разстояния са формирани от ляво на дясно три еднакви правоъгълни омични контакти първи, втори и трети, разположени успоредно на дългите си страни като вторият контакт 7 е централен, а измерваното магнитно поле е успоредно на равнината на подложката и на дългите страни на контактите, ХАРАКТЕРИЗИРАЩ СЕ с това, че има още една втора полупроводникова подложка (2), успоредно разположена на първата (2) и идентична с нея, върху едната страна на която също са образувани на равни разстояния от ляво на дясно три еднакви правоъгълни омични контакти - първи (5), втори (7) и трети (9), разположени успоредно на дългите си страни като вторият контакт (7) също е централен, повърхностите на двете подложки (2) и (3) между първите (4) и (5) и централните (6) и (7) както между централните (6) и (7) и третите (8) и (9) контакти са покрити с тънък диелектричен слой (10) с постоянна дебелина, върху който са образувани метални гейтови електроди - от ляво на дясно първи (11) и втори (12) за първата подложка (2), и трети (13) и четвърти (14) за втората (3), първият (11) и вторият (12) гейтов електрод едновременно са съединени с контакт (7) на подложка (3), а третият (13) и четвъртият (14) гейтов електрод едновременно са свързани с контакт (6) на подложка (2), третите контакти (8) и (9) са съединени, а първите (4) и (5) са свързани с изводите на токоизточника (1) като контакти (6) и (7) са диференциалният изход (15) на елемента.

   осигурява по-детайлно определяне на топологията на магнитната индукция В 16.

   Неочакваният положителен резултат от новото техническо решение е, че в сензориката на Хол се използва нестандартен подход за повишаване на чувствителността - ефектът на полето, типичен за MOS транзисторите. Чрез този способ самите Холови потенциали +^₆ и -φ_Ί се използват за генериране на още допълнителни некомпенсирани товари с противоположен знак към тези от Лоренцовото отклонение F_Lj върху съответните части на горните повърхности на елемента. Важна особеност е, че магниточувствителният елемент се реализира в единен технологичен цикъл, като не се налагат допълнителни усложняващи процеси за формиране на товарните резистори върху силициевия чип, което е важно предимство.

   Равнинно-магниточувствителният елемент може да се реализира с CMOS или BiCMOS технологии, като преобразувателните зони на конфигурацията представляват дълбоки и-тип джобове 2 и 3 в р-тип подложка. Интегралната технология позволява новият елемент заедно с обработващата сигнала V_Out(F) 15 схемотехника да се реализират върху общ силициев чип, формирайки интелигентна микросистема (MEMS). Функционирането на предложения равнинно-магниточувствителен преобразувател е в широк температурен интервал, включително при криогенни температури. За още по-висока чувствителност за целите на слабополевата магнитометрия и контратероризма, чипът може да се разположи между два еднакви продълговати концентратори на магнитното поле В 15 от ферит или μ-метал.