BG113724A - Конфигурация на хол с повече от един изход - Google Patents

Abstract

Конфигурацията на Хол с повече от един изход съдържа тънка n-тип полупроводникова подложка (1) с форма на паралелепипед. Върху двете дълги странични повърхности на подложката (1) са формирани на разстояния и симетрично един срещу друг по четири омични контакта, последователно първи (2 и 3), втори (4 и 5), трети (6 и 7), и четвърти (8 и 9). Първите (2 и 3), и съответно третите (6 и 7) контакти са свързани с изводите на един източник (10) на постоянен ток. Вторите (4 и 5), и съответно четвъртите (8 и 9) контакти са диференциалните изходи (11 и 12) на конфигурацията на Хол като външното магнитно поле (13) е перпендикулярно на равнината на подложката (1).

Description

КОНФИГУРАЦИЯ НА ХОЛ С ПОВЕЧЕ ОТ ЕДИН ИЗХОД

ОБЛАСТ НА ТЕХНИКАТА

Изобретението се отнася до конфигурация на Хол с повече от един изход, приложимо в областта на роботиката и мехатрониката; квантовата комуникация; системите за сигурност с изкуствен интелект; слабополевата и високоточната магнитометрия; роботизираната, минимално инвазивната хирургия и 3D телемедицината; безконтактната автоматика; автомобилната промишленост, в това число хибридните превозни средства и елекгромобилите; позиционирането на обекти в пространството; навигацията; военното дело, включително подводни, наземни и въздушни системи за наблюдение и превенция; контратероризма и др.

ПРЕДШЕСТВАЩО СЪСТОЯНИЕ НА ТЕХНИКАТА

Известна е конфигурация на Хол с повече от един изход, съдържаща тънка н-тип полупроводникова подложка с форма на паралелепипед. Върху даете дълги странични повърхности са формирани на разстояния и симетрично един срещу друг по четири омични контакти, последователно първи, втори, трети и четвърти. Двойките първи и трети контакти са свързани съответно с по един източник на напрежение, а двойките втори и четвърти контакти са диференциалните изходи на конфигурацията на Хол. Външното магнитно поле е перпендикулярно на равнината на подложката, [1 - 4].

Недостатък на тази конфигурация на Хол е повече от един изход е понижената измервателна точност поради високите стойности на паразитните изходни напрежения в отсъствие на магнитно поле (офсети). Първоизточникът е, че вторият и четвъртият изходни контакти заемат различно (асиметрично) положение по отношение траекториите на двата захранващи тока в подложката, което генерира различни електрични потенциали върху тях. Това води до съществени начални офсети на двата диференциални изхода, влошаващи точността на сензорната структура.

Недостатък е също усложнената схема на захранване, изискваща два отделни източника на напрежение - по един за двете четворки контакти, формиращи два отделни сензора на Хол.

ТЕХНИЧЕСКА СЪЩНОСТ

Задача на изобретението е да се създаде конфигурация на Хол с повече от един изход, която да е с висока измервателна точност и с опростено схемно решение на захранването.

Тази задача се решава е конфигурация на Хол с повече от един изход, съдържаща тънка п-тип полупроводникова подложка с форма на паралелепипед. Върху двете дълги странични повърхности на подложката са формирани на разстояния и симетрично един срещу друг по четири омични контакти, последователно първи, втори, трети и четвърти. Първите и съответно третите контакти са свързани с изводите на източник на постоянен ток. Вторите и съответно четвъртите контакти са диференциалните изходи на конфигурацията на Хол като външното магнита© поле е перпендикулярно на равнината на подложката.

Предимство на изобретението е повишената измервателна точност поради съществено минимизираните офсети на двата изхода от симетрично разположените двойки изходни контакти спрямо токовите траектории между първите и третите електроди. При зова вторите контакти са в средната зона между захранващите, а четвъртите са извън тях, откъм страната на третите електроди и са симетрични спрямо зях.

Предимство е също опросената схема на захранване, съдържаща само един източник на постоянен ток.

Предимство е още температурната стабилизация на двата изхода, заключаваща се в запазване стойностите на магниточувствителностите на двата изходни канала в определен 'температурен диапазон ΔΓ ако сензорите на Хол функционират в режим на постоянен захранван) ток 1^:::: const.

ОПИСАНИЕ НА ПРИЛОЖЕНИТЕ ФИГУРИ

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

ПРИМЕРИ ЗА ИЗПЪЛНЕНИЕ

Конфигурацията на Хол с повече от един изход съдържа тънка н-тип полупроводникова подложка 1 с форма на наралелепипед. Върху двете дълги странични повърхности на подложката 1 са формирани на разстояния и симетрично един срещу друг по четири омични контакти, последователно първи 2 и 3, втори 4 и 5, трети 6 и 7, и четвърти 8 и 9, Първите 2 и 3, и съответно третите 6 и 7 контакта са свързани с изводите на източник 10 на постоянен ток. Вторите 4 и 5, и съответно четвъртите 8 и 9 контакти са диференциалните изходи 11 и 12 на конфигурацията на Хол като външното магнитно поле 13 е перпендикулярно на равнината на подложката 1.

Предназначението на сензорите на Хол с повече от един изход е компенсиране на паразитния офсет чрез изваждане на изходните напрежения на два елемента на Хол, интегрирани в една и съща активна зона в чипа. В резултат сигналът на Хол нараства около два пъти, а офсетът е драстично редуциран. Действието на новата конфигурация на Хол, съгласно изобретението, е следното. При включване на контакти 2-3 и 6-7 към генератора на постоянен ток 10, както и симетрията на контактите 2-3, 4-5, 6-7 и 8-9 в стругурата L протичат два еднакви и съпосочни компонента /_2-6 ^{:::: :}= const на захранващия ток ~ const. Траекториите

7.9 и /_3;7 са криволинейни. Този факт е в резултат на еквипотенциалността на захранващите електроди 2-3 и 6-7. Токовите линии първоначално са насочени вертикално навътре в подложката 1, след което стават успоредни на дългите странични повърхности. Структурната симетрия на контактите води до реализиране на електрическа. Потенциалите върху контакти 4 и 5, и съответно 8 и 9 имат едни и съши стойности, = Г₅, и Г₈ ~ Нъ при това е в сила И₄ # Pg. В известното решение всеки контакт от двойка изходни слекфоди притежава различни по стойност потенциали, създаващи значителен паразитен офсет. Двойките изходни електроди 4-5, и 8-9 заемат еквиваленти позиции спрямо токовите линии /_2<6 и А,_7> поради което потенциалите им са практически едни и същи. Всеки изход 11 и 12 притежава минимизиран офеет поради симетричното разположение иа изходните контакти 4-5 и 8-9 спрямо токовите линии /₂.₆ и /_3>7. В резултат измервателната точност е съществено повишена за целите на слабополевата и високоточнага магнитометри^.

Наличието на външно магнитно поле В 13 води до възникване на странично отклонение от силите на Лоренц, F^ ~ qV^ х В & равнината на подложката 1 на движещите се носители /_2>6 и /ч-, където q е елементарният товар на електрона, a V_di· е векторът на средната дрейфова скорост на токоносителите. В резултат на специфичната сензорна конструкция. Фигура 1, посоките на полето В 13 и токовете и /ч₇, Лоренцовозо отклонение на успоредните токови линии на дългите странични повърхности за едната компонента, напрмер /₂,б е в режим на „свиване”, а за другата /_3>7 -- в режим на „разгъване”. Това води до генериране на допълнителни потенциали с противоположен знак в областите, където са разположени контакти 4 и 5. Фактически възниква напрежение на Хол на изход 11. Въздействието на силите на

Лоренц върху вертикалните токови траектории /₆ и В при контакта 6 и 7 генерира напрежение на Хол УшгО®) яа другия изход 12. Допълнително редуцираме на офсетите ма конфигурацията от Фигура 1 може да се осъществи ако напреженията ма двата изхода 11 и 12 се свържат само с неинвертиращите или съответно само с инвертиращите входове на два измервателни усилватели, чиито изходи са съединени с входа ма друг' диференциален/инструментален усилвател. Тази схема алгебрично сумира изходните напрежения, в които двата сигнала на Хол са е противоположен знак и фактически се сумират, а индивидуалните офсети са почти равни и са с един и същ знак, и се изваждат. В крайна сметка паразитният офсет в крайния изходен сигнал е допълнително компенсиран.

Предимство е още температурната стабилизация на двата изхода, заключаваща се в запазване стойностите на магниточувствителностите на двата изхода 11 и 12 в определен температурен интервал ΔΓ. Този резултат се постига ако двата елемента на Хол, независимо от тяхната разновидност, функционират в режим на постоянен захранващ ток ₆ = const, [5]. В предложеното решение това се постига с генератора на постоянен захранващ ток 10.

Неочакваният положителен ефект на новото техническо решение се заключава в оригиналността на избраната схемотехника и конструкция. Свързването на контакти 2-3 и 6-7 директно към един генератор на постоянен ток 10, освен опростяване на захранването, осъществява и температурна стабилизация на конфигурацията на Хол без допълнителни електронни компоненти каквато е разпространената практика. Изходи 11 и се формирани от еквивалентни в разположението си контакти съответно 4-5 и 8-9 в структурата 1, минимизиращи офсетите.

Конфигурацията на Хол с повече от един изход може да се осъществи с различните модификации на интегралната силициева технология - CMOS, BiCMOS, SOS, а при необходимост може да се използват микромашининг процеси. Новият сензор от Фигура 1 е работоспособен и в областта на ниските температури, например, температурата на кипене на течния азот Т^:::: 77 К. Това разширява сферата на приложимост¹ за целите на криотрониката, особено в слабополевата магнитометрия и контратероризма. За още по-висока чувствителност за целите на геофизиката на земния магнетизъм, чипът 1 с конфигурацият а на Хол може да се разположи между два еднакви продълговати концентратори на магнитното поле S 13 от ферит или μ-метал.

ПРИЛОЖЕНИЕ: една фигура

ЛИТЕРАТУРА

[1] Ч.С. Румения, Сензор на Хол, BG Patent № 41974 Bl/06.05.1986 г.

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

[3] R. Steiner, M. Schneider, H. Baltes, Double-Hall sensor with selfcompensated offset, Technical Digest of Intern. Electron Devive Meeting (1EDM’ 97) (1997), pp. 911-914.

[4] C. 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.

[5] S. Lozanova, A. Ivanov, M. Ralchev, C. Roumenin, In-plane sensitive Hall configuration with reduced offset, Proc, of the XXXII Intern. Scient. Conf. Electronics - ET 2023, v. 1, pp. 1-6.

Claims (1)

1. Конфигурация на Хол с повече от един изход, съдържаща тънка птип полупроводникова подложка с форма на паралелепипед, върху даете дълги странични повърхности на която са формирани на разстояния и симетрично един срещу друг по четири омични контакти, последователно първи, втори, трети, и четвърти, като външното магнитно поле е перпендикулярно на равнината на подложката, ХАРАКТЕРИЗИРАЩА СЕ с това, че има един източник (10), който е генератор на постоянен ток, първите (2) и (3), и съответно третите (6) и (7) контакти са свързани с изводите на генератора на постоянен ток (10), като вторите (4) и (5), и съответно четвъртите (8) и (9) контакти са диференциалните изходи (11) и (12) на конфигурацията на Хол