BG113807A - Двумерен микросензор на хол - Google Patents

Abstract

Двумерният микросензор на Хол съдържа правоъгълна полупроводникова подложка (1) с n-тип примесна проводимост. От едната й страна в централната област са формирани централен омичен контакт (2) и симетрично на него по един друг омичен контакт (3) и (4), като разположението на трите (2), (3), (4) е успоредно на късите страни на подложката (1). Трите контакта (2), (3), (4) са обградени с дълбок р-тип ринг (5). На равни разстояния от двете страни на централния контакт (2) и успоредно на късите страни на подложката (1) са разположени последователно по един вътрешен омичен контакт (6) и (7), и по един външен омичен контакт (8) и (9). Контакти (6), (7), (8) и (9) също са обградени с дълбок р-тип ринг (10), съединен с първия (5). Другата срещуположна страна на подложката (1) съдържа високопроводящ слой (11). Централният контакт (2) през токоизточник (12) е свързан с двата вътрешни контакта (6) и (7). Измерваното магнитно поле (13) е в равнината на подложката (1) и е с произволна ориентация. Двойките контакти - едната контакти (3) и (4), а другата - съдържаща контакти (8) и (9) са диференциалните изходи (14) и (15) за двете ортогонални равнинни компоненти на магнитното поле (13).

Description

ДВУМЕРЕН МИКРОСЕНЗОР НА ХОЛ

ОБЛАСТ НА ТЕХНИКАТА

Изобретението се отнася до двумерен микросензор на Хол, приложимо в областта на роботиката и мехатрониката; контролноизмервателната технология; навигацията; слабополевата и високоточната магнитометрия; електромобилостроенето; дистанционното измерване на ъглови и линейни премествания; позиционирането на обекти в равнината; медицината в това число роботизираната и минимално инвазивната хирургия; управлението на процеси и устройства, включително безконтактната автоматика; енергетиката; военното дело и сигурността наземни въздушни и подводни системи за наблюдение и превенция; контратероризма и др.

ПРЕДШЕСТВАЩО СЪСТОЯНИЕ НА ТЕХНИКАТА

Известен е двумерен микросензор на Хол, измерващ едновременно и независимо двете равнинни компоненти на магнитното поле, съдържащ и-тип полупроводникова (силициева) подложка, върху едната страна на която са формирани централен омичен контакт с квадратна форма. На разстояния и симетрично спрямо четирите му страни има последователно по един правоъгълен вътрешен омичен контакт и по един правоъгълен външен омичен контакт, които са еднакви. Четирите външни контакта са електрически съединени и през токоизточник са свързани с централния контакт. Измерваното магнитно поле е в равнината на подложката и е с произволна ориентация. Двойките срещуположни спрямо централния вътрешни контакти са изходите за двете ортогонални равнинни компоненти на магнитното поле, [1- 7].

Недостатък на този двумерен микросензор на Хол е ниската магниточувствителност в резултат от разтичане по повърхността на подложката с контактите на част от захранващия ток между централния и крайните електроди и неучастващ в преобразуването на магнитното поле чрез силите на Лоренц в изходни Холови напрежения.

Недостатък са също съществените метрологични грешки в двете изходни напрежения, генерирани от равнинните компоненти на магнитното поле поради паразитното междуканално влияние от разтичането по повърхността на подложката на част от захранващите токове.

ТЕХНИЧЕСКА СЪЩНОСТ

Задача на изобретението е да се създаде двумерен микросензор на Хол с висока магниточувствителност на двата изхода чрез премахване на повърхностния ток и редуциране на метрологичните грешки от паразитното междуканално влияние.

Тази задача се решава с двумерен микросензор на Хол, съдържащ правоъгълна полупроводникова подложка с и-тип примесна проводимост. От едната й страна в централната област са формирани централен омичен контакт и симетрично на него по един друг омичен контакт като разположението на трите е успоредно на късите страни на подложката. Трите контакта са обградени с дълбок р-тип ринг. На равни разстояния от двете страни на централния контакт и успоредно на късите страни на подложката са разположени последователно по един вътрешен омичен контакт и по един външен омичен контакт. Тези контакти са обградени също с дълбок р-тип ринг, съединен с първия. Другата срещуположна страна на подложката съдържа високопроводящ слой. Централният контакт през токоизточник е свързан електрически с двата вътрешни контакта. Измерваното магнитно поле е в равнината на подложката и е с произволна ориентация. Двойките контакти - едната контактите от двете страни на централния и успоредни на късите страни на подложката и другата - съдържаща външните контакти са диференциалните изходи за двете ортогонални равнинни компоненти на магнитното поле.

Предимство на изобретението е високата магниточувствителност на двата изхода, поради генериране с двойките изходни контакти на съществено повишените напрежения на Хол от ортогоналните магнитни компоненти поради ефективното действие на силите на Лоренц. Това е резултат от дълбокото проникване на захранващите токове в обема на подложката и от високопроводящия слой на срещуположната страна, включително редуцираното повърхностно разтичане на токовете от ограничителните р-тип рингове.

Предимство са още минимизираните метрологични грешки и увеличената измервателна точност в резултат на значително повишената чувствителност, минимизираните 1// шум и паразитни флуктуации на изходите, и силно редуцираното междуканално влияние от ограничителните р-тип рингове, препятстващи разтичането на захранващия ток по повърхността на подложката.

Предимство е и високата метрологична резолюция при детектиране на минималната стойност на магнитната индукция B_min чрез нарасналото отношение сигнал-шум в резултат на увеличената чувствителност, намаленото въздействие на собствения 1// шум с разположението на изходните двойки контакти извън зоните на протичане на захранващия ток, редуцираните паразитни флуктуации на напреженията на Хол от силно пониженото междуканално влияние чрез р-тип ринговете.

ОПИСАНИЕ НА ПРИЛОЖЕНИТЕ ФИГУРИ

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

ПРИМЕРИ ЗА ИЗПЪЛНЕНИЕ

Двумерният микросензор на Хол, съдържа правоъгълна полупроводникова подложка 1 с п-тип примесна проводимост. От едната й страна в централната област са формирани централен омичен контакт 2 и симетрично на него по един друг омичен контакт 3 и 4 като разположението на трите 2, 3, 4 е успоредно на късите страни на подложката 1. Трите контакта 2, 3 и 4 са обградени с дълбок р-тип ринг 5. На равни разстояния от двете страни на централния контакт 2 и успоредно на късите страни на подложката 1 са разположени последователно по един вътрешен омичен контакт 6 и 7, и по един външен омичен контакт 8 и 9.

Контакти 6, 7, 8 и 9 също са обградени с дълбок р-тип ринг 10, съединен с първия 5. Другата срещуположна страна на подложката 1 съдържа високопроводящ слой 11. Централният контакт 2 през токоизточник 12 е свързан електрически с двата вътрешни контакта 6 и 7. Измерваното магнитно поле 13 е в равнината на подложката 1 и е с произволна ориентация. Двойките контакти - едната контакти (3) и (4), а другата съдържаща външните контакти (8) и (9) са диференциалните изходи (14) и (15) за двете ортогонални равнинни компоненти на магнитното поле (13).

Действието на двумерния микросензор на Хол, съгласно изобретението, е следното. При включване на изводите на токоизточника 12 към централния 2 и вътрешните 6 и 7 контакти, както и симетричната конфигурация на микросензора, протичат два еднакви по стойност и противоположно насочени захранващи тока /₂,б и -/₂.7, ^2,6 = |-/_2>7|. Структурите с омични контакти 2-6-8, 2-7-9 и 2-3-4 представляват триконтактни елементи на Хол (ЗС) с равнинна магниточувствителност, известни още като вертикални, [1,3,4,7]. Функционирането на този клас сензори, включително и на новия векторен магнитометър на Хол, използва криволинейните траектории на токовите компоненти. Генезисът на формата на токовите линии е еквипотенциалността на омичните гУ-п контакти 2, 6 и 7 в отсъствие на магнитно поле В 13. Компоненти /₂, /₆ и /₇ са вертикални по отношение на горната страна на подложката 1 и проникват в обема й. Чрез формираните р-тип ограничителни рингове (зони) 5 и 10, обграждащи плътно от всички страни захранващите контакти 2, 6 и 7, токовете и -/_2>7 навлизат дълбоко в подложката 1. След това токовите линии се ориентират успоредно на равнината й. Тази кинетика на електроните е подсилена от високопроводящия слой 11 с плаващ потенциал върху срещуположната страна на структурата 1, Фигура 1. Слоят 11 редуцира в дълбочина общото съпротивление R’ на преобразувателната област, спомагайки за проникване на захранващите токови компоненти /_2>6 и -/₂₇. Нисколегираните и съединени помежду си рингове 5 и 10 с р-тип проводимост и кръстовидна като цяло форма, ограничават протичането на токове в приповърхностната област. Те редуцират скъсяването на метрологичните напрежения на Хол Унм^х) 14 и Vinsky) 15, повишавайки магниточувствителността. Същевременно р-тип ринговете 5 и 10 препятстват разтичането на захранващия ток по повърхността на подложката 1. В резултат силно се понижава междуканалното паразитно влияние, минимизирайки метрологичните грешки на двата изходни канала като точността е повишена. При това симетрията на двойките изходни контакти 3-4 и 8-9 по отношение на контакт 2 обуславя компенсирането на напрежения върху тях в отсъствие на магнитно поле 13, В = 0 (офсети). При необходимост може да се използва тример, към който да се включат вътрешните захранващи контакти 6 и 7, средната точка на който да се свърже с токоизточника 12.

Външното магнитно поле В(В^у) # 0 13 съдържа две компоненти В* и В_у, които са в равнината х-у на подложката 1. Това води до странично отклонение на електроните от силите на Лоренц, _i = gV_drx {F_xy}, където q е елементарният товар на електрона, a V_dr е векторът на средната дрейфова скорост на токоносителите. В резултат на специфичната сензорна конструкция и посоките на полето В 13 и токовете /2,6 и - 1₂р, Лоренцовото отклонение F_L(B_X), за едната, латералната, компонента В_х, осъществява, например, режим на „свиване” на захранващия ток /2 към горната повърхност с контакти 2 и 3, а за областта с електроди 2 и 4 режимът е „разширяване” на токовите линии в обратна на повърхността посока. Ето защо върху информационните Холови електроди 3 и 4 възникват равни по стойност и противоположни по знак товари, респективно генерира се напрежение на Хол УизХ-^х) 14. Едновременно този галваномагнитен механизъм създава върху токовите компоненти /₂,б и -/2,7 чрез силите на Лоренц Р_[}(В_у) режими на „свиване” и на „разширяване”. В този случай специфичната особеност за възникване на Холовото напрежение са вертикалните токови компоненти /₆ и /₇. Например, при „свиване” на токовите линии за ток /₆, върху външния контакт 8 се генерира положителен потенциал. Върху срещуположния контакт 9 режимът на Лоренцовото „разширяване” води до отрицателен потенциал. По този начин на изхода 15 възниква информационното напрежение У_Н8,9(^у)· В предложеното сензорно решение, Фигура 1, при генерацията на сигнали 14 и 15 се използва един и същ ток 1₂, подложен обаче на едновременни Лоренцови отклонения в различни равнини. Постигнатата висока чувствителност на каналите 14 и 15 е основно от минимизираното протичане на захранващите токови компоненти /₂,б и - hp по повърхността на подложката 1. Отсъствието на междуканално влияние в двата изходни сигнала Vhu^x) и ^Hi5(^y) са важният фактор за повишаване на измервателната точност. Предвид структурните особености на конфигурацията от Фигура 1, чувствителностите на двата канала се различават. Тяхното изравняване може да се осъществи на следващ етап от обработката на изходните напрежения 14 и 15 чрез интерфейс. Високата преобразувателна ефективност S увеличава допълнително отношението сигнал/шум, което определя високата метрологична резолюция при детектиране на минималната стойност на индукцията F_min 13. Позициониранено на контакти 8 и 9 извън зоните на протичане на компоненти /₂,б ^и Л,7 съществено редуцира вътрешите 1//(фликер) шумове и флуктуациите на изходите 14 и 15. Абсолютната стойност на полето В(В_х^у) 13 в равнината х-у и ъгълът Θ на вектора В спрямо фиксирана реперна ос в същата равнина, се дават с изразите: |В| = (В² + В^¹² и Θ = [2,8].

Неочакваният положителен ефект на новото техническо решение се заключава във вградените р-тип рингове 5 и 10, редуциращи разтичането по повърхността на подложката 1 на паразитни токове като се елиминира междуканалното влияние. Иновацията за формиране на изходни контакти 8 и 9 извън зоните на протичане на захранващите токове /2,0 и - /2,7 осъществява значително повишаване на отношението сигнал/шум и произтичащите от това предимства за сензорните характеристики на двумерния преобразувател на Хол. Намаленият брой контакти от 9 в известното решение на 7 при новия микросензор е също преимущество, а също така връзките между контактите от 5 са редуцирани на 3.

Новият векторен магнитометър може да се реализира с различните модификации на интегралната силициева технология - CMOS, BiCMOS, SOS, а при необходимост може да се използват микромашининг процеси. Високопроводящият слой 11 се реализира както с метализация, така и с високопроводящ „вкопан” (buried layer) п⁺ -слой.

Двумерният микросензор може да функционира и в областта на криогенните температури, например, температурата на кипене на течния азот Т = 77 К. Това разширява сферата на приложимост за целите на криотрониката, особено в слабополевата и високоточната магнитометрия. За още по-висока чувствителност в геофизиката на земния магнетизъм чипът 1 може да се разположи подходящо между еднакви продълговати концентратори на магнитното поле В 13 от ферит или μ-метал.

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] C. Schot, Vertical Hall sensor, US Patent AppL, № US 2010/0133632 Al/03.06.2010.

[3] Ч.С. Руменин, П.Т. Костов, Планарен датчик на Хол, Авт. свид. № BG 37208 В2/26.12.1983.

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

[5] А. Большакова, Р.Л. Голяка, О.Ю. Маюдо, T.A. Марусенкова. Ηοβϊ конструкцп натвпровщникових тонкошпвкових 2-D и 3-D сензор1в магштного поля, списание Злектроника и связь, № 2-3, (2009) 6-10 (на украински език).

[6] С. Sander, М.-С. Vecchi, М. Cornils, О. Paul, From three-contact vertical Hall elements to symmetrised vertical Hall sensor with low offset, Sens. Actuators, A240 (2016) 92-102.

[7] C. Roumenin, Solid State Magnetic Sensors, Elsevier, AmsterdamLausanne-New York, 1994, pp. 450; ISBN: 0 444 89401.

Claims (1)

1. ПАТЕНТНИ ПРЕТЕНЦИИ

   Двумерен микросензор на Хол, съдържащ токоизточник и правоъгълна полупроводникова подложка с и-тип примесна проводимост, от едната й страна в централната област са формирани централен омичен контакт и симетрично на него омични контакти, на равни разстояния от двете страни на централния контакт и успоредно на късите страни на подложката са разположени последователно по един вътрешен омичен контакт и по един външен омичен контакт като измерваното магнитно поле е в равнината на подложката и е с произволна ориентация, единият извод на токоизточника е свързан електрически с централния контакт, ХАРАКТЕРИЗИРАЩ СЕ с това, че вътрешните контакти (6) и (7) са захранващи като другият извод на токоизточника (12) е свързан едновременно с тях, има още два омични контакти (3) и (4), симетрични на централния (2) като разположението и на трите (2), (3), (4) е успоредно на късите страни на подложката (1), тези контакти (2), (3), (4) са обградени с дълбок р-тип ринг (5) както и контакти (6), (7), (8) и (9) също са обградени с такъв р-тип ринг (10), съединен с първия (5), другата срещуположна страна на подложката (1) съдържа високопроводящ слой (11), двойките контакти - едната контактите (3) и (4), а другата - съдържаща външните контакти (8) и (9) са диференциалните изходи (14) и (15) за двете ортогонални равнинни компоненти на магнитното поле (13).