BG113641A

BG113641A - HALL ELEMENT

Info

Publication number: BG113641A
Application number: BG113641A
Authority: BG
Inventors: Сия ЛОЗАНОВА; Вълчева Лозанова Сия; Август ИВАНОВ; Йорданов Иванов Август; Мартин Ралчев; Лъчезаров Ралчев Мартин; Чавдар РУМЕНИН; Станоев Руменин Чавдар
Original assignee: Институт По Роботика - Бан
Priority date: 2023-01-10
Filing date: 2023-01-10
Publication date: 2024-07-15
Also published as: BG67732B1

Abstract

The Hall element contains a thin semiconductor substrate (1) with n-type impurity conductivity in the shape of an equilateral triangle. An ohmic contact (2, 3 and 4) is formed at each of its vertices, and in the center of the triangle there is another fourth ohmic contact (5) - central. The contact (5) and any one contact, for example (4) from the tips of the triangular pad (1) are connected to a current source (6). The remaining two contacts (2 and 3) are the differential output (7) of the element. The external magnetic field (8) is perpendicular to the plane of the pad (1).

Description

Изобретението се отнася до елемент на Хол, приложимо в областта на роботиката и биороботиката; мехатрониката; квантовата комуникация; системите за сигурност с изкуствен интелект; 3D роботизираната и минимално инвазивната хирургия, включително телемедицината; слабополевата магнитометрия; позиционирането на обекти в равнината и пространството; безконтактната автоматика на технологични процеси; измерването на ъглови и линейни премествания; мултироторните безпилотни апарати; навигацията; електромобилостроенето в това число ABS модулите и устройствата за позицията отворено-затворено на вратите на превозните средства; енергетиката; военното дело и контратероризма.The invention relates to a Hall element applicable in the field of robotics and biorobotics; mechatronics; quantum communication; artificial intelligence security systems; 3D robotic and minimally invasive surgery, including telemedicine; weak-field magnetometry; the positioning of objects in the plane and space; contactless automation of technological processes; the measurement of angular and linear displacements; multi-rotor unmanned aerial vehicles; navigation; electric vehicle construction, including ABS modules and devices for the open-closed position of vehicle doors; energy; military affairs and counter-terrorism.

ПРЕДШЕСТВАЩО СЪСТОЯНИЕ НА ТЕХНИКАТАPRIOR ART

Известен е елемент на Хол, съдържащ тънка полупроводникова подложка с п-тип примесна проводимост във формата на диск. Върху периферерната й повърхност на равни разстояния един от друг са реализирани три еднакви омични контакта. В центъра на диска има още един четвърти омичен контакт. Този контакт и един който и да е от периферните са свързани с токоизточник, а останалите два периферни контакта са диференциалният изход на елемента на Хол. Външното магнитно поле е перпендикулярно на равнината на подложката, [1-5].A Hall element containing a thin disc-shaped p-type impurity semiconductor substrate is known. Three identical ohmic contacts are realized on its peripheral surface at equal distances from each other. There is another fourth ohmic contact in the center of the disc. This contact and any one of the peripheral ones are connected to a current source, and the other two peripheral contacts are the differential output of the Hall element. The external magnetic field is perpendicular to the plane of the substrate, [1-5].

Недостатък на този елемент на Хол е ниската магниточувствителност поради отсъствието на гранична повърхност, върху която да се концентрират отклонените от силата на Лоренц подвижни токоносители, за да формират съществени потенциали и изходно напрежение.A disadvantage of this Hall element is the low magnetosusceptibility due to the absence of a boundary surface on which to concentrate the Lorentz-deflected mobile current carriers to form substantial potentials and output voltage.

Недостатък е също високата стойност на паразитното напрежение на изхода в отсъствие на магнитно поле (офсет) в резултат на неминуема геометрична и електрична асиметрия в разположението на изходните контакти спрямо двата захранващи електрода на елемента. Основна причина за този проблем е технологията - несъвършенства в легирането, несъосност на маските при фотолитографията, механични напрежения найчесто от метализацията и корпусирането на чипа, температурни градиенти и флуктуации, миграция на легиращите примеси, стареене и др.A disadvantage is also the high value of the parasitic voltage at the output in the absence of a magnetic field (offset) as a result of unavoidable geometric and electrical asymmetry in the location of the output contacts relative to the two supply electrodes of the element. The main cause of this problem is the technology - imperfections in alloying, misalignment of masks in photolithography, mechanical stresses mostly from the metallization and casing of the chip, temperature gradients and fluctuations, migration of alloying impurities, aging, etc.

ТЕХНИЧЕСКА СЪЩНОСТTECHNICAL ESSENCE

Задача на изобретението е да се създаде елемент на Хол, който да е е висока магниточувствителност и нисък/компенсиран офсет.It is an object of the invention to create a Hall element that has high magnetic sensitivity and low/compensated offset.

Тази задача се решава с елемент на Хол, съдържащ тънка полупроводникова подложка с л-тип примесна проводимост във формата на равностранен триъгълник. На всеки от връховете му е формиран омичен контакт като в центъра на триъгълника има още един четвърти омичен контакт - централен. Централният контакт и един който и да е от върховете на триъгълната подложка са свързани с токоизточник, а останалите два контакта са диференциалният изход на елемента. Външното магнитно поле е перпендикулярно на равнината на подложката.This task is solved with a Hall element containing a thin semiconductor substrate with l-type impurity conductivity in the shape of an equilateral triangle. An ohmic contact is formed at each of its vertices, and in the center of the triangle there is another fourth ohmic contact - central. The center contact and any one of the tips of the triangular pad are connected to a current source, and the other two contacts are the differential output of the element. The external magnetic field is perpendicular to the plane of the substrate.

Предимство на изобретението е повишената магниточувствителност поради наличието на гранична повърхност - страната на триъгълната структура, съдържаща изходните контакти, върху която се концентрират отклонените от силата на Лоренц токоносители, а остроъгьлната им форма спомага за повишаване на повърхностната плътност на електроните, в резултат на тези причини потенциалите и напрежението на Хол са високи.An advantage of the invention is the increased magnetic sensitivity due to the presence of a boundary surface - the side of the triangular structure containing the output contacts, on which the current carriers deviated from the Lorentz force are concentrated, and their sharp-angled shape helps to increase the surface density of electrons, as a result of these reasons Hall's potentials and tensions are high.

Предимство е още редуцираното/компенсираното паразитно изходно напрежение (офсет) на елемента на Хол поради скъсяване на неминуемите паразитни потенциали, развиващи се върху зоните на изходните контакти чрез протичане на компенсиращи токове, които изравняват в достатъчна степен електрическите условия в отсъствие на магнитно поле.An advantage is the further reduced/compensated parasitic output voltage (offset) of the Hall element due to shortening of the unavoidable parasitic potentials developing on the output contact areas by the flow of compensating currents which sufficiently equalize the electrical conditions in the absence of a magnetic field.

Предимство е също увеличената резолюция при измерване на минималната магнитна индукция, поради високата чувствителност и минимизирания офсет, осигуряващи детайлно картографиране на равнинната и пространствената топология на магнитното поле.An advantage is also the increased resolution when measuring the minimum magnetic induction, due to the high sensitivity and minimized offset, providing detailed mapping of the planar and spatial topology of the magnetic field.

Предимство е и повишената измервателна точност на елемента на Хол поради съществено редуцирания паразитен офсет и високата чувствителност.An advantage is the increased measurement accuracy of the Hall element due to the significantly reduced parasitic offset and high sensitivity.

ОПИСАНИЕ НА ПРИЛОЖЕНИТЕ ФИГУРИDESCRIPTION OF THE ATTACHED FIGURES

По-подробно изобретението се пояснява с едно негово примерно изпълнение, дадено на приложената Фигура 1.The invention is explained in more detail with an exemplary embodiment given in the attached Figure 1.

ПРИМЕРИ ЗА ИЗПЪЛНЕНИЕIMPLEMENTATION EXAMPLES

Елементът на Хол съдържа тънка полупроводникова подложка 1 с птип примесна проводимост във формата на равностранен триъгълник. На всеки от връховете му е формиран омичен контакт 2, 3 и 4 като в центъра на триъгълника има още един четвърти централен омичен контакт 5. Централният контакт 5 и един който и да е от върховете на триъгълната подложка 1, например 4, са свързани с токоизточник 6, а останалите два контакта 2 и 3 са диференциалният изход 7 на елемента. Външното магнитно поле 8 е перпендикулярно на равнината на подложката 1.The Hall element contains a thin semiconductor substrate 1 with ptype impurity conductivity in the shape of an equilateral triangle. An ohmic contact 2, 3 and 4 is formed on each of its vertices, and in the center of the triangle there is another fourth central ohmic contact 5. The central contact 5 and any one of the vertices of the triangular pad 1, for example 4, are connected to current source 6, and the remaining two contacts 2 and 3 are the differential output 7 of the element. The external magnetic field 8 is perpendicular to the plane of the substrate 1.

Действието на елемента на Хол, съгласно изобретението, се основава на генериране на ефекта на Хол с перпендикулярно на полупроводниковата триъгълна подложка 1 магнитно поле В 8. При включване на токоизточника E_s 6, Фигура 1, и в отсъствие на поле 8, В = 0, токовите линии Ц_>5 стартират от единия омичен контакт 4, и завършват в централния 5. Предвид правилната геометрична форма на структурата 1, т.е. равностранната й триъгълна конфигурация и разположението на контакти 4 и 5, токовите линии /_4>5 са криволинейни. В резултат на евентуална асиметрия, на изхода V₇(B=0) У₂₃(В=0) 7, формиран от другите два остроъгълни контакта 2 и 3 възниква паразитно изходно напрежение 7 - офсет, У₇(Т?=0) # 0. В предложеното решение, Фигура 1, преодоляването на този сериозен сензорен недостатък се постига чрез окъсяване на неминуемите паразитни потенциали V₂(0) и У₃(0). Те се развиват върху зоните на изходните остроъгълни контакти 2 и 3. Чрез протичане на компенсиращи токове, основно по граничната повърхност с контакти 2 и 3, се постига в достатъчна степен изравняване на електрическите условия. Предложеният в решението подход за минимизиране на офсета, в сравнение със сложната динамична компенсация или т.н. токов спининг [6,7], е съществено опростен и е иманентен на сензорния елемент. Крайните резултати и в двата случая са близки. Следователно при минимизиран офсет У₇ = 0) ~ 0 измервателната точност на триъгълната конфигурация нараства.The operation of the Hall element, according to the invention, is based on the generation of the Hall effect with a magnetic field B 8 perpendicular to the semiconductor triangular substrate 1. When the current source E _s 6 is turned on, Figure 1, and in the absence of field 8, B = 0 , the current lines C _>5 start from one ohmic contact 4, and end in the central one 5. Given the correct geometric shape of the structure 1, i.e. its equilateral triangular configuration and the arrangement of contacts 4 and 5, the current lines / _4>5 are curvilinear. As a result of a possible asymmetry, at the output V ₇ (B=0) Y ₂₃ (B=0) 7, formed by the other two acute-angle contacts 2 and 3, a parasitic output voltage 7 occurs - offset, Y ₇ (T?=0) # 0. In the proposed solution, Figure 1, the overcoming of this serious sensor drawback is achieved by shortening the unavoidable parasitic potentials V ₂ (0) and Y ₃ (0). They develop on the areas of the output acute-angle contacts 2 and 3. By flowing compensating currents, mainly along the boundary surface with contacts 2 and 3, a sufficient equalization of the electrical conditions is achieved. The offset minimization approach proposed in the solution, compared to complex dynamic compensation or so on. current spinning [6,7], is substantially simplified and is immanent to the sensor element. The final results in both cases are close. Therefore, with a minimized offset Я ₇ = 0) ~ 0, the measuring accuracy of the triangular configuration increases.

При включване на магнитното поле В 8 перпендикулярно на подложката 1, чрез действието на силите на Лоренц F_L;i, F_Li = <?V_dr х В в равнината на структурата 1 възниква странично (латерално) отклонение на нелинейните токови траектории по цялата им дължина, където q е елементарният товар на електрона, a V_dr е векторът на средната дрейфова скорост на токоносителите. Тази девиация е по посока или против часовниковата стрелка. В резултат на Лоренцовото отклонение, в зависимост от посоките на захранващия ток ± /_4;5 и на магнитното поле ± В 8, нелинейните траектории едновременно “се изгьват” към областта с контакт 2 или към контакта 3. Отклонението на тока /4,5 в зоната на електрод 2 или на 3 генерира допълнителни електрони, съответно възниква отрицателен Холов потенциал, например - V_m(B) или - Уцз(В). Едновременно в съответната противоположна зона, например при контакт 3, респективно при 2 допълнителният потенциал е положителен + V] 13(F) или + Vh2(#). Следователно върху контактите 2 и 3, формиращи диференциалния изход ν_Ί(Β) 7 на елемента, възниква напрежение на Хол Унг.зС#) = В резултат на нестандартната триъгълна топология на подложката 1, и особено остроъгьлната форма на контактните зони 2 и 3, едно и също количество допълнителни неравновесни електрони може да създаде различни по стойност повърхностни потенциали. Фактически потенциалът AV в изпъкнала остроъгьлна област е най-висок, тъй като ефективната му площ S с разположените там товари е най-малка, AV ~ AQ/S, където Δ0 е допълнителният общ товар, генериран от Лоренцовото отклонение F_L. При това плътността на товарите от силата F_Lе твърде неравномерно разпределена при сложни повърхности, каквато е триъгълната структура 1. Ето защо едно и също количество товари Q = const при фиксирани ток /_4>5 = const и магнитна индукция В = const ще генерира, в зависимост от формата на повърхността, различен потенциал, т.е. различно напрежение на Хол У_И1(В) 7. Следователно едновременното наличие на гранична повърхност - страната на структурата 1, съдържаща зони 2 и 3, и остроъгьлната им геометрия са причина магниточувствителностга на елемента от Фигура 1 да е значително повисока, отколкото в известното решение.When the magnetic field B 8 is turned on perpendicular to the substrate 1, through the action of the Lorentz forces F _L;i , F _Li = <?V _dr x B in the plane of the structure 1, a lateral (lateral) deviation of the nonlinear current trajectories occurs along their entire length, where q is the elementary charge of the electron, and V _dr is the average drift velocity vector of the current carriers. This deviation is clockwise or counterclockwise. As a result of the Lorentz deviation, depending on the directions of the supply current ± / _4;5 and of the magnetic field ± V 8, the non-linear trajectories simultaneously "bend" towards the region with contact 2 or towards contact 3. The current deviation /4,5 in the area of electrode 2 or 3 generates additional electrons, accordingly a negative Hall potential arises, for example - V _m (B) or - Ucs(B). At the same time, in the corresponding opposite area, for example at contact 3 or at 2, the additional potential is positive + V] 13(F) or + Vh2(#). Therefore, on the contacts 2 and 3, forming the differential output ν _Ί (Β) 7 of the element, a Hall voltage Ung.zС#) = As a result of the non-standard triangular topology of the pad 1, and especially the acute-angled shape of the contact areas 2 and 3, the same amount of extra non-equilibrium electrons can create surface potentials of different values. In fact, the potential AV in a convex acute-angled region is highest because its effective area S with the charges located there is the smallest, AV ~ AQ/S, where Δ0 is the additional total charge generated by the Lorentz deviation F _L . In addition, the density of charges from the force F _L is too unevenly distributed on complex surfaces, such as the triangular structure 1. Therefore, the same amount of charges Q = const at fixed currents / _4>5 = const and magnetic induction B = const will generate , depending on the shape of the surface, a different potential, i.e. different Hall voltage V _I1 (B) 7. Therefore, the simultaneous presence of a boundary surface - the side of structure 1 containing zones 2 and 3, and their acute-angled geometry are the reason that the magnetic susceptibility of the element from Figure 1 is significantly higher than in the known solution .

Също така високата чувствителност и редуцираният офсет увеличават: а) Резолюцията на елемента на Хол при измерване на минималната магнитна индукция F_min 8. Този важен параметър осигурява по-детайлно картографиране на равнинната и пространствената топология и градиент на магнитното поле grad(F) 8; и б) Измервателна точност на елемента разширява обхвата на приложимост в метрологичните устройства и системи.Also, the high sensitivity and reduced offset increase: a) Hall element resolution when measuring the minimum magnetic induction F _min 8. This important parameter provides more detailed mapping of the planar and spatial topology and magnetic field gradient grad(F) 8; and b) Measuring accuracy of the element expands the scope of applicability in metrological devices and systems.

Неочакваният положителен ефект на новото техническо решение е, че посредством оригиналната триъгълна конструкция 1 и остроъгълната форма на изходните контакти 2 и 3 се постига минимизиране на офсета, повишаване на чувствителността и метрлогичните характеристики на елемента на Хол.The unexpected positive effect of the new technical solution is that, by means of the original triangular construction 1 and the sharp-angled shape of the output contacts 2 and 3, the minimization of the offset, the increase of the sensitivity and the metrological characteristics of the Hall element are achieved.

Технологичното изпълнение на сензорния елемент е на основата на силициеви CMOS или BiCMOS интегрални процеси или микромашининг. В този случай се формира нисколегиран /г-тип равностранен триъгълен „джоб” в p-Si пластина. Планарните омични контакти 2, 3, 4 и 5 се реализират с йонна имплантация и са силно легирани л⁺- зони в «-Si „джоб”. Планарните технологии позволяват едновременното осъществяване в общ силициев чип и на обработващата електронна схемотехника на изходното напрежение ν_Ί(Β) 7 в зависимост от конкретното приложение. За още по-съществена чувствителност на новия елемент на Хол следва да се използва полупроводника n-GaAs, на който подвижността на електроните при стайна температура Т = 300 К е около 8 пъти по-висока. Конфигурацията от Фигура 1 е работоспособна и в областта на криогенните температури, например, температурата на кипене на течния азот Т = 77 К, което разширява сферата на приложение, особено при контратероризма. За целите на слабополевата магнитометрия елементът на Хол може да се постави между два продълговати концентратора на магнитното поле от ферит или μ-метал.The technological implementation of the sensor element is based on silicon CMOS or BiCMOS integral processes or micromachining. In this case, a low-doped /g-type equilateral triangular "pocket" is formed in the p-Si wafer. The planar ohmic contacts 2, 3, 4 and 5 are realized by ion implantation and are heavily doped l ⁺ - zones in the «-Si "pocket". Planar technologies allow the simultaneous realization in a common silicon chip of the processing electronic circuitry of the output voltage ν _Ί (Β) 7 depending on the specific application. For even more significant sensitivity of the new Hall element, the semiconductor n-GaAs should be used, the electron mobility of which at room temperature T = 300 K is about 8 times higher. The configuration of Figure 1 is also operable in the region of cryogenic temperatures, for example, the boiling point of liquid nitrogen T = 77 K, which expands the field of application, especially in counter-terrorism. For the purposes of weak-field magnetometry, the Hall element can be placed between two oblong ferrite or μ-metal magnetic field concentrators.

ПРИЛОЖЕНИЕ: една фигураAPPENDIX: one figure

ЛИТЕРАТУРАLITERATURE

[1] D. Homentcovschi, R. Bercia, В. Murray, Analysis of a Hall-Corbino disk plate having a point current source at the centre, Sol.-State Electron., v. 186, Dec. 2021,108179; doi: 10.1016/2021.[1] D. Homentcovschi, R. Bercia, V. Murray, Analysis of a Hall-Corbino disk plate having a point current source at the center, Sol.-State Electron., v. 186, Dec. 2021,108179; doi: 10.1016/2021.

[2] S. Lozanova, A. Ivanov, C. Roumenin, The device design as enhancing sensitivity tool in Hall elements, Compt. Rendus BAS, 65(4) (2012) pp. 517-524.[2] S. Lozanova, A. Ivanov, C. Roumenin, The device design as enhancing sensitivity tool in Hall elements, Compt. Rendus BAS, 65(4) (2012) pp. 517-524.

[3] L.J. van der Pauw, A method of measuring specific resistivity and Hall effect of discs of arbitrary shape, Philips Res. Rep., v. 13(1) (1958) pp. 1-9.[3] L.J. van der Pauw, A method of measuring specific resistivity and Hall effect of discs of arbitrary shape, Philips Res. Rep., v. 13(1) (1958) pp. 1-9.

[4] W. Versnel, Analysis of a circular Hall plate with equal finite contacts, Sol.-State Electr., 24 (1981) pp. 63-68.[4] W. Versnel, Analysis of a circular Hall plate with equal finite contacts, Sol.-State Electr., 24 (1981) pp. 63-68.

[5] 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.[5] 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.

[6] P. Munter, Spining-current method for offset reduction in silicon Hall plates, Delft Univ. Press, 1992; ISBN: 90-6275-780-4/CIP.[6] P. Munter, Spinning-current method for offset reduction in silicon Hall plates, Delft Univ. Press, 1992; ISBN: 90-6275-780-4/CIP.

[7] R. Steiner-Vanha, Rotary Switch and Current Monitor by Hall-Based Microsystems, ETH-Hoenggerberg, Zurich, Switzerland, 1999; ISBN: 3-89649-446-5.[7] R. Steiner-Vanha, Rotary Switch and Current Monitor by Hall-Based Microsystems, ETH-Hoenggerberg, Zurich, Switzerland, 1999; ISBN: 3-89649-446-5.

Claims

A Hall element containing a thin semiconductor substrate is a regular geometric shape and n-type impurity conductivity, including four ohmic contacts, one of which is central - formed in the center of the substrate and a current source with the measured magnetic field perpendicular to the plane of the substrate, CHARACTERIZING CE is that the pad (1) is in the shape of an equilateral triangle, at each of its vertices there is a contact (2), (3) and (4), the central contact (5) and any one of the vertices of the triangle pad (1), for example (4), are connected to the terminals of the current source (6), and the remaining two sharp-angled contacts (2) and (3) are the differential output (7) of the element.