BG113292A - Двуосен магниточувствителен сензор, съдържащ елементи на хол - Google Patents

Abstract

Двуосният магниточувствителен сензор, съдържащ елементи на Хол, обхваща полупроводникова подложка (1) с р-тип проводимост. Върху едната й страна са формирани четири идентични правоъгълни структури от същия полупроводник с n-тип проводимост, разположени във форма на равностранен кръст - по часовниковата стрелка първа (2), втора (3), трета (4) и четвърта (5), образуващи елементи на Хол. Всеки от тези елементи съдържа по три омични контакта - отвън навътре на n-структурите (2, 3, 4 и 5) последователно първи (6, 7, 8 и 9), втори (10, 11, 12 и 13), и трети (14, 15, 16 и 17). Контакти (10 и 13) са свързани с токоизточник (18). Контакти (16 и 17) са съединени, контакти (11 и 12) са свързани, а контакти (14 и 15) са също съединени. Контакти (7 и 9), и съответно (6 и 8) са диференциални изходи (19 и 20) за двете ортогонални равнинни компоненти на измерваното магнитно поле (21), което е в равнината на подложката (1) и е с произволна ориентация.

Description

ДВУОСЕН МАГНИТОЧУВСТВИТЕЛЕН СЕНЗОР СЪДЪРЖАЩ ЕЛЕМЕНТИ НА ХОЛ

ОБЛАСТ НА ТЕХНИКАТА

Изобретението се отнася до двуосен магниточувствителен сензор съдържащ елементи на Хол, приложимо в областта на роботиката и мехатронните системи с изкуствен интелкт; квантовата комуникация; 3D роботизираната медицина и минимално инвазивната хирургия, включително лапароскопията; определянето на едноосен натиск чрез магнитномодулаторни система за преместване; безконтактната автоматика; контролно-измервателната технология и слабополевата магнитометрия; автомобилната промишленост, в това число хибридните превозни средства и електромобилите; енергетиката; дистанционното измерване на ъглови и линейни премествания и позиционирането на обекти в равнината; навигацията; 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 двуосен магниточувствителен сензор съдържащ елементи на Хол, обхващащ п-тип полупроводникова подложка, върху едната страна на която са формирани идентични елементи на Хол, образувани от общ централен омичен контакт с квадратна форма като на разстояния и симетрично спрямо четирите му страни има последователно по един правоъгълен вътрешен омичен контакт и по един правоъгълен външен омичен контакт. В близост до така обособената на повърхността на пподложката равностранна кръстовидна конфигурация е формиран обграждащ я дълбок р⁺-тип ринг също във форма на равностранен кръст. Четирите външни контакти са съединени и през токоизточник са свързани с централния контакт. Измерваното магнитно поле е в равнината на подложката и е с произволна орентация като всяка двойка срещуположни спрямо централния вътрешни контакти са диференциалните изходи за двете ортогонални равнинни компоненти на магнитното поле, [1 -10].

Недостатък на този двуосен магниточувствителен сензор съдържащ елементи на Хол е редуцираната чувствителност на изходите от възникване на повърхностни проводящи канали между съответните захранващи контакти - централния и външните от наличие по повърхността на положително заредени електронни състояния, примесни атоми, клъстери, адсорбирани наночастици и др., които канали шунтират потенциалите и напреженията на Хол върху изходните вътрешни контакти.

Недостатък е също понижената измервателна точност на двата изхода поради наличието между тях на паразитно междуканално влияние през обема на общата им и-подложка.

ТЕХНИЧЕСКА СЪЩНОСТ

Задача на изобретението е да се създаде двуосен магниточувствителен сензор съдържащ елементи на Хол с висока чувствителност на двата изхода и повишена измервателна точност на изходните канали, минимизирайки паразитното влияние между тях.

Тази задача се решава с двуосен магниточувствителен сензор съдържащ елементи на Хол, обхващащ полупроводникова подложка с ртип примесна проводимост. Върху едната й страна са формирани четири идентични правоъгълни структури от същия полупроводник с л-тип примесна проводимост, разположени във форма на равностранен кръст по часовниковата стрелка първа, втора, трета и четвърта, образуващи елементи на Хол. Всеки от тези елементи съдържа по три омични контакти - отвън навътре на «-структурите последователно първи, втори и трети. Вторите контакти на първата и четвъртата структура са свързани с токоизточник. Третите контакти на третата и четвъртата структура са съединени, вторите контакти на втората и третата структура са свързани, а третите контакти на първата и втората структура са също съединени. Първите контакти на втората и четвъртата структура, и съответно първите контакти на първата и третата структура са диференциалните изходи за двете ортогонални равнинни компоненти на измерваното магнитно поле, което е в равнината на подложката и е с произволна орентация.

Предимство на изобретението е високата магниточувствителност на двата изхода, тъй като първите (изходните) контакти на четирите структури са извън зоните през които протичат захранващите токове и шунтиращото им негативно влияние върху двата изхода е отстранено.

Предимство е също съществено редуцираното паразитно напрежение на двата изхода в отсъствие на магнитно поле (офсети) в резултат на оригиналното последователно свързване на третите контакти на елементите на Хол, което води до усредняване и компенсиране на евентуални негативни сигнали, свързани с геометрични и технологични несъвършенства, нарушаващи симетрията на отделните структури.

Предимство е още високата измервателна точност на двата сензорни канала, тъй като отсъства взаимно паразитно влияние между изходите в резултат на отделно формираните елементи на Хол, генериращи информационните напрежения единствено за ортогоналните компоненти на магнитното поле както и редуцирания офсет.

Предимство е и повишената резолюция при измерване на минималната магнитна индукция, поради високата чувствителност, понижения офсет и намаленият вътрешен 1// (фликер) шум по причина, че захранващите токове не протичат през зоните с първите (изходните) контакти.

ОПИСАНИЕ НА ПРИЛОЖЕНИТЕ ФИГУРИ

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

ПРИМЕРИ ЗА ИЗПЪЛНЕНИЕ

Двуосният магниточувствителен сензор съдържащ елементи на Хол, обхваща полупроводникова подложка 1 с р-тип примесна проводимост. Върху едната й страна са формирани четири идентични правоъгълни структури от същия полупроводник с п-тип примесна проводимост, разположени във форма на равностранен кръст - по часовниковата стрелка първа 2, втора 3, трета 4 и четвърта 5, образуващи елементи на Хол. Всеки от тези елементи съдържа по три омични контакти - отвън навътре на пструктурите (2), (3), (4) и (5) последователно първи 6, 7, 8 и 9, втори 10,11, 12 и 13, и трети 14, 15, 16 и 17. Вторите контакти 10 и 13 на първата 2 и четвъртата 5 структура са свързани с токоизточник 18. Третите контакти 16 и 17 на третата 4 и четвъртата 5 структура са съединени, вторите контакти 11 и 12 на втората 3 и третата 4 структура са свързани, а третите контакти 14 и 15 на първата 2 и втората 3 структура са съединени. Първите контакти 7 и 9 на втората 3 и четвъртата 5 структура, и съответно първите контакти 6 и 8 на първата 2 и третата 4 са диференциалните изходи 19 и 20 за двете ортогонални равнинни компоненти на измерваното магнитно поле 21, което е в равнината на подложката 1 и е с произволна орентация.

Действието на двуосния магниточувствителен сензор съдържащ елементи на Хол, съгласно изобретението, е следното. При свързване на контактите 16 - 17, 11 - 12 и 14 - 15 на четирите п-тип правоъгълни структури 2, 3, 4 и 5 се осъществява последователно свързване на тези идентични елементи на Хол с равнинна чувствителност. Ето защо след съединяването на контакти 10 и 13 с изводите на токоизточника 18, и структурната симетрия на така формираните идентични микросензори протичат четири еднакви компоненти /щдд = /15,11 = /12,16 = /13,17 = /18· Характерна особеност на токовите траектории е, че те първоначално са перпендикулярни към горната повърхност на подложката 1, понеже захранващите контакти 10, 14, 11, 15, 12, 16, 13 и 17 в отсъствие на магнитно поле, В = 0, 21 представляват еквипотенциални равнини. Токовите линии проникват в обема на структурите 2, 3, 4 и 5, след което ефективните им траектории са успоредни на горната повърхност на подложката 1. Освен това чрез така осъщественото свързване, токовете в елементите на Хол 2 и 4, и съответно 3 и 5 са с противоположни посоки: /ю,14 = |- /12,10! и /_15>ц = |- /13,17). В отсъствие на магнитно поле, 1? = 0, 21 на изходите 19 и 20 възникват паразитни изходни напрежения - офсети, несвързани с метрологичното предназначение на сензора. В резултат измервателната точност съществено се редуцира. Този недостатък, например, за изхода 19, е в резултат на електрическата асиметрия, причинена основно от геометрична несъосност в разположението на контактите 6, 10, 14 и 8, 12, 16 на срещуположно разположените елементи на Хол спрямо центъра на конфигурацията 2, 3, 4 и 5. Първопричината е технологична - неминуеми несъвършенства в легирането, несъосност на маските при фотолитографията, механични напрежения най-често от метализацията и корпусирането на чипа, температурни градиенти и флуктуации, стареене и др. Същият анализ е в сила и за другия сензорен канал - 20, формиран от контакти 3, 11, 15 и съответно 9, 13, 17 на структури 3 и 5. В конфигурацията на Фигура 1 в отсъствие на магнитно поле, В = 0, 21 офсетите са минимизирани благодарение на осъщестените връзки между контакти 16 - 17, 11 - 12 и 14 - 15 на структури 2, 3, 4 и 5. В резултат потенциалната асиметрия в зоните с изходни контакти 6 и 8, и съответно 7 и 9 е практически компенсирана. Фактически се усредняват и минимизират евентуалните паразитни сигнали, произтичащи от геометрични и технологични несъвършенства, включително температурен дрейф на офсетите. Интегралната реализация на и-тип структурите 2, 3, 4 и 5, формирани върху р-подложката 1 обезпечава пълната електрическа изолация между тях. По тази причина се предотвратява паразитното междуканално влияние на двата изхода 19 и 20 както това е в известното решениие, повишавайки измервателната точност.

Измерваното магнитно поле В 21, което е в равнината х-у на подложката 1 чрез двете си взаимноперпендикулярни компоненти В_х и В_у води до възникване на съответни отклоняващи движещите се носители в токовите компоненти сили на Лоренц, F_Lj = дУщ х В, където q е елементарният товар на електрона, a V_dr е векторът на средната дрейфова скорост на електроните. Тъй като всички токови компоненти са ограничени в разположените във форма на равностранен кръст структури 2, 3, 4 и 5, действието на силите на Лоренц F\ от полета В_х и В_у е във висока степен ефективно върху всички части на траекториите. В резултат токовите линии на противоположно насочените компоненти /ю,14 и - /12,16, и съответно Zi5,ii и - /13,17 се деформират - те се “свиват” или “разширяват” като върху изходните терминали 7 и 9, респективно 6 и 8 се генерират потенциали на Хол. Това сензорно действие е проява на равнинномагниточувствителния ефект на Хол, [1 - 10]. Потенциалите формират на диференциалните изходи 19 и 20 напрежения на Хол V₁₉(J5) и Угоф), които са информационните индикатори за двете ортогонални компоненти В_х и В_у на вектора на магнитното поле В 21. Напреженията V^//?) и V₂i(T?) са линейни и нечетни функции на магнитните полета В_х и В_у. В резултат на конструкцията на двуосния магнитометър от Фигура 1 чувствителността на двата изходни канала 19 и 20 е съществено повишена. Причината е, че контакти 7 и 9, както 6 и 8 са разположени извън областите на протичане на токовете /юдд = |- /12,10! и /15,11 = |-/13,17(. При това шунтиращото действие на повърхностните електронни състояния върху Холовите потенциали е минимизирано и напреженията Vi₉(B) 19 и У₂о(^) 20 нарастват. Освен това ортогоналността на съответните токови компоненти спрямо двата равнинни вектора В_х и В_у на магнитното поле В 21 е технологично подобрена. Така силите F_L,i въздействат максимално ефективно върху компонентите, генерирайки съществени по стойност Холови потенциали върху повърхността на структурите 2, 3, 4 и 5. Абсолютната стойност на вектора на магнитното поле В 21 в равнината х-у и ъгълът Θ на полето В 21 спрямо фиксирана реперна ос в същата равнина се дават с изразите: |В| = (В_х ² + В,²)¹'² и Θ = ta«-’(V_y(B_y)/V_x(B_x)), [1 - 3].

Новото решение, Фигура 1, повишава резолюцията на сензора при измерване на минималната магнитна индукция B_min. Този резултат е следствие освен от високата чувствителност и понижения офсет, но и от намаления вътрешен 1//(фликер) шум на двата канала 19 и 20. Причината е, че захранващите токове /щдд = |- /12,10! ^и As.n = I^- /13,17! ^не протичат през зоните с първите (изходните) контакти 7-9 и 6-8, което съществено ограничава флуктуационните процеси в информационните сигнали V^B) 19 и У₂₀(В) 20, [11].

Неочакваният положителен ефект на новото техническо решение е следствие от оригиналната кръстовидна конфигурация от триконтактни елементи на Хол 2, 3, 4 и 5 и иновативното свързване на захранващите контакти 16-17,11- 12и 14-15. Постигнато е драстично ограничение на негативните въздействия и сигнали в отделните изходни канали 19 и 20. Постигнатите резултати са висока канална магниточувствителност, повишена измервателна точност, отстранено междуканално влияние и висока резолюция.

Широк обхват на приложимост новият сензор има в комбинация с магнитномодулаторни системи, съдържащи два и повече постоянни магнити, включително ориентирани един спрямо друг с едноименните си полюси, например за измерване на едноосен натиск при пресите и др.

Двуосният магниточувствителен сензор съдържащ елементи на Хол може да се реализира с различни модификации на интегралната силициева технология - CMOS, BiCMOS, SOS, а при необходимост може да се използват микромашининг силициеви процеси. Новият 2-D микросензор функционира и в областта на криогенните температури, което повишава чувствителността и допълнително минимизира 1// шума на двата канала, особено за целите на слабополевата магнитометрия, навигацията и контратероризма.

ПРИЛОЖЕНИЕ: една фигура

ЛИТЕРАТУРА

[1] C.S. Roumenin, Microsensors for magnetic field, in „MEMS - a practical guide to design, analysis and applications”, Ch. 9, ed. by J. Korvink and O. Paul, William Andrew Publ., USA, 2006, pp. 453-523; ISBN: 0-8155-1497-2.

[2] R. Popovic, „Hall effect devices”, 2^nd ed., The Adam Hilger series on sensors, Bristol, IOP Publ. Ltd, 2004, p. 419; ISBN: 0-7503-0855-2.

[3] C. Roumenin, „Solid State Magnetic Sensors” - Handbook of Sensors and Actuators, Elsevier, Amsterdam-Lausanne-New York-OxfordShannon-Tokyo, 1994, p. 450; ISBN: 0 444 89401.

[4] C. Sander, M. Comils, M.C. Vecchi, O. Paul, Sensitivitatsoptimitechnik Kongress, 3013, pp. 559-562.

[5] C. Sander, C. Leube, O. Paul, Novel compact two-dimensional CMOS vertical Hall sensor, Proc. 18^th Intern. Conf, on Solid-State Sensors, Actuators and Microsystems, Transducers, 2015, pp. 1164-1167.

[6] R.S. Popovic, P. Kejik, S. Reymond, E. Swiss et al., Multi-axis integrated Hall magnetic sensors, Nucl. Technol. Radiat. Prot., 39(88), (2007), pp. 20-80.

[7] S. Reymond, P. Kejik, R. Popovic, True 2D CMOS integrated Hall sensor, IEEE Sens. J., (2007), pp. 860-863.

[8] M. Paranjape, L. Landsberger, M. Kahrizi, A 2-D vertical Hall magnetic field sensor using active carrier confinement and micromachining techniques, Proc, of the 8^th Intern. Confer, on Solid-State Sensors and Actuators, and Eurosensors IX, Transducers ’95, Stockholm, 1995, pp. 253-256.

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

[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.

[11] M. Madec, J.-B. Schell, J.-B. Kammerer, C. Lallement, L. Hebrard, Compact modeling of vertical hall-effect devices: electrical behavior, Analog Integr. Circ. Sig. Process, 77 (2013) pp. 183-195.

Claims (1)

1. Двуосен магниточувствителен сензор съдържащ елементи на Хол, обхващащ полупроводникова подложка, омични контакти, образуващи елементи на Хол и разположени във форма на равностранен кръст, токоизточник като измерваното външно магнитно поле е в равнината на подложката и е с произволна ориентация, ХАРАКТЕРИЗИРАЩ СЕ с това, че полупроводниковата подложка (1) е с р-тип примесна проводимост, върху едната й страна са формирани четири идентични правоъгълни структури от същия полупроводник с л-тип примесна проводимост, разположени във формата на равностранния кръст - по часовниковата стрелка първа (2), втора (3), трета (4) и четвърта (5), образуващи елементите на Хол, всеки от които съдържа по три омични контакти отвън навътре на л-структурите (2), (3), (4) и (5) последователно първи (6), (7), (8) и (9), втори (10), (11), (12) и (13), и трети (14), (15), (16) и (17), вторите контакти (10) и (13) на първата (2) и четвъртата (5) структура са свързани с токоизточника (18), третите контакти (16) и (17) на третата (4) и четвъртата (5) структура са съединени, вторите контакти (11) и (12) на втората (3) и третата (4) структура са свързани, а третите контакти (14) и (15) на първата (2) и втората (3) структура са съединени, първите контакти (7) и (9) на втората (3) и четвъртата (5) структура, и съответно първите контакти (6) и (8) на първата (2) и третата (4) са диференциалните изходи (19) и (20 за двете ортогонални равнинни компоненти на магнитното поле (21).