BG113812A - Двуосен векторен микросензор на хол - Google Patents

Abstract

Двуосният векторен микросензор на Хол съдържа токоизточник (1) в режим генератор на постоянен ток и квадратна полупроводникова подложка (2) е n-тип примесна проводимост. От едната й страна в централната област е формиран квадратен омичен контакт (3). Спрямо четирите му страни и на равни разстояния от тях е разположен по един правоъгълен омичен контакт съответно (4), (5), (6) и (7), чиято дължина е равна на страната на квадратния 3. Четирите контакта (4), (5), (6) и (7) са обхванати от вграден в подложката (2) ринг (8) от същия полупроводник с р-тип проводимост, проникващ в обема и е форма на симетричен малтийски кръст. Срещуположната страна на тази с контактите (4), (5), (6) и (7) и ринга (8) съдържа високопроводящ слой (9), представляващ омичен контакт. Квадратният контакт (3) през токоизточника (1) е свързан електрически със слоя (9). Двойките срещуположни контакти (4) и (6), и съответно (5) и (7) спрямо квадратния (3) са диференциалните изходи (10) и (11) за двете ортогонални равнинни компоненти на магнитното поле (12), което е в равнината на подложката (2) и е с произволна ориентация.

Description

ДВУОСЕН ВЕКТОРЕН МИКРОСЕНЗОР НА ХОЛ

ОБЛАСТ НА ТЕХНИКАТА

Изобретението се отнася до двуосен векторен микросензор на Хол, приложимо в областта на медицината в това число роботизираната и минимално инвазивната хирургия; роботиката и мехатрониката; системите с изкуствен интелект; слабополевата и високоточната магнитометрия; навигацията; управлението на процеси и устройства, включително безконтактната автоматика; контролно-измервателната технология; 2D позициониране на обекти в равнината; електромобилостроенето; дистанционното измерване на ъглови и линейни премествания; военното дело и сигурността - наземни въздушни и подводни системи за наблюдение и превенция; контратероризма и др.

ПРЕДШЕСТВАЩО СЪСТОЯНИЕ НА ТЕХНИКАТА

Известен е двуосен векторен микросензор на Хол, измерващ едновременно и независимо двете равнинни компоненти на магнитното поле, съдържащ квадратна /г-тип полупроводникова (силициева) подложка, върху едната й страна в централната област е формиран 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, всичките с еднакви размери. Четирите външни контакта са електрически съединени и през токоизточник в режим генератор на постоянно напрежение 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, [1-6].

Недостатък на този двуосен векторен микросензор на Хол е ниската измервателна точност в резултат на паразитното междуканално влияние и хаотичните флуктуации в Холовите напрежения, внасящи метрологични грешки в двата изхода вследствие нерегламентираното разтичане по повърхността на подложката на част от захранващия ток.

Недостатък е също понижената магниточувствителност на двата канала при захранване генератор постоянно напрежение от: 1. разтичането по повърхността на подложката на част от захранващия ток, неучастващ във формирането на преобразувателната ефективност (чувствителността) на микросензора, и 2. зависимостта на чувствителността от изменението на температурата на околната среда, променяща подвижността и концентрацията на електроните в подложката.

ТЕХНИЧЕСКА СЪЩНОСТ

Задача на изобретението е да се създаде двуосен векторен микросензор на Хол с висока измервателна точност и магниточувствителност на двата изходни канала чрез редуциране на повърхностния ток, междуканалното влияние, флуктуациите както и температурно стабилизиране на преобразувателната ефективност.

Тази задача се решава с двуосен векторен микросензор на Хол, съдържащ токоизточник в режим генератор на постоянен ток и квадратна полупроводникова подложка с и-тип примесна проводимост. От едната й страна в централната област е формиран квадратен омичен контакт. Спрямо четирите му страни и на равни разстояния от тях е разположен по един правоъгълен омичен контакт, чиято дължина е равна на страната на квадратния. Четирите контакта са обхванати от вграден в подложката ринг от същия полупроводник с р-тип проводимост, проникващ в обема и с форма на симетричен малтийски кръст. Срещуположната страна на тази с контактите и ринга съдържа високопроводящ слой, представляващ омичен контакт. Квадратният контакт през токоизточника е свързан електрически с високопроводящия слой. Двойките срещуположни контакти спрямо квадратния са диференциалните изходи за двете ортогонални равнинни компоненти на магнитното поле, което е в равнината на подложката и е с произволна ориентация.

Предимство на изобретението е високата измервателна точност на двата сензорни изхода в резултат отсъствие на междуканално влияние и хаотични флуктуации вследствие драстичното минимизиране на разтичането по повърхността на подложката на част от захранващия ток чрез вградения дълбок р-тип ринг с форма на малтийски кръст.

Предимство е също високата чувствителност (преобразувателната ефективност) на двата сензорни канала поради участие практически на целия захранващ ток в магнитоелектричната конверсия, както и конструкцията на микросензора, в която разстоянието между двата захранващи контакта е достатъчно голямо, давайки възможност силите на Лоренц да отклоняват значително количество електрони от обема на подложката към зоните с двойките изходни контакти. Освен това р-тип рингът препятства разтичане на концентрираните от силите на Лоренц токоносители в областите с изходни контакти, което също увеличава чувствителността.

Предимство е още температурно стабилизираната магниточувствителност поради режима на захранване генератор на постоянен ток, запазващ постоянство на концентрацията на електроните в транспортния и галваномагнитния процес в подложката и минимизиращ температурното изменение на подвижността им. Така се гарантира непроменена конверсия на магнитното поле в широк температурен обхват без каквито и да са допълнителни електронни схеми и компоненти.

Предимство е и повишената метрологична резолюция при детектиране на минималната стойност на магнитната индукция B_min чрез нараствалото отношение сигнал-шум в резултат на повишената чувствителност и отсъствие на паразитни флуктуации на изходните напрежения от силно редуцираното междуканално влияние.

Предимство освен това е намаленият брой контакти от 9 на 6, опростяващ технологичната реализация на 2D векторния микросензор.

ОПИСАНИЕ НА ПРИЛОЖЕНИТЕ ФИГУРИ

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

ПРИМЕРИ ЗА ИЗПЪЛНЕНИЕ

Двуосният векторен микросензор на Хол съдържа токоизточник 1 в режим генератор на постоянен ток и квадратна полупроводникова подложка 2 с и-тип примесна проводимост. От едната й страна в централната област е формиран квадратен омичен контакт 3. Спрямо четирите му страни и на равни разстояния от тях е разположен по един правоъгълен омичен контакт съответно 4, 5, 6 и 7, чиято дължина е равна на страната на квадратния 3. Контактите 4, 5, 6 и 7 са обхванати от вграден в подложката 2 ринг 8 от същия полупроводник с р-тип проводимост, проникващ в обема и с форма на симетричен малтийски кръст. Срещуположната страна на тази с контакти 4, 5, 6 и 7 и ринга 8 съдържа високопроводящ слой 9, представляващ омичен контакт. Квадратният контакт 3 през токоизточника 1 е свързан електрически с високопроводящия слой 9. Двойките срещуположни контакти 4 и 6, и съответно 5 и 7 спрямо квадратния 3 са диференциалните изходи 10 и 11 за двете ортогонални равнинни компоненти на магнитното поле 12, което е в равнината на подложката 2 и е с произволна ориентация.

Действието на двуосния векторен микросензор на Хол, съгласно изобретението, е следното. При включване на изводите на токоизточника 1, функциониращ в режим генератор на постоянен ток /_3;9 = const, в зависимост от полярностите му, протича насочен ток ± /39 от горната повърхност с контакт 3 към омичния контакт 9, или обратно. Значителна част от електроните се движат симетрично по отношение на централната ос на симетрия на конфигурацията от Фигура 1. Оста стартира вертикално от центъра на квадратния омичен контакт 3 към високопроводящия слой 9. Основната част на тока /3 9 преминава разстояние равно на геометричната дебелина cf₃,9 на подложката 2. Фактически това е най-малкото съпротивление R_3;9 между контакти 3 и 9. Освен това слоят 9 понижава ефективното съпротивление R* на подложката 2, способствайки също за протичане на значителна част от тока /₃₉ през най-късото геометрино разстояние 0/3 9. Останалата част на токовите линии /3 9 формира в обема „ветрило”, разширяващо се към контакта 9 като траекториите на електроните са нелинейни. Същевременно поради симетрията на структурата 2 по отношение на квадратния контакт 3 в отсъствие на магнитно поле 12 (В = 0), потенциалите на двойките изходни терминали 4 и 6, и съответно 5 и 7 са еквиваленти. Ето защо потенциалите им при поле В = 0 13 са практически изравнени. Това определя минимални офсети на двойките изходни напрежения 10 и 11, Ун4,б(^=0) ~ 0 и Ун5,7(^=0) « 0. В новата векторна конфигурация, Фигура 1, от първостепенна важност е наличието на р-тип рингът (буфер) 8, който обхваща плътно конструкцията - квадратен контакт 3 и правоъгълните електроди 4, 5, 6 и 7. Фактически р-тип областта 8 с форма на симетричен малтийски кръст силно редуцира разтичането на захранващия ток ± /3,9 по повърхността на подложката 2. Практически съществена част от захранването ще формира магниточувствителността на каналите на микросензора. Същевременно хаотичните флуктуации на двете напрежение 10 и 11 ще бъдът минимизирани, включително паразитното междуканално влияние. В резултат на вградения дълбок р-тип ринг силно се ограничават причините за възникване на вътрешен 1// (фликер) шум. Позициониранено на изходните контакти 4, 5, 6 и 7 извън основната зона на протичане на тока /3 9 също редуцира вътрешите 1// (фликер) шумове и флуктуациите на изходи 10 и 11. По тези причини се постига висока измервателна точност на двата сензорни изхода 10 и 11. Също така се повишава метрологичната резолюция при детектиране на минималната стойност на магнитната индукция B_min 12 чрез повишеното отношение сигнал/шум S/N. Схемотехниката на новия двуосен микросензор е опростена, тъй като е намален броят на контактите - от 9 в известното решение на 6 в новото, Фигура 1. Така се опростява технологичната реализация и се намаляват връзките между контактите.

Измерваното магнитно поле В 12 е в равнината х-у на подложката 2, и е с произволна ориентация. Двете взаимноперпендикулярни магнитни компоненти В_х и В^ въздействат на движещите се носители ± /_3j9 чрез силите на Лоренц, ±F_L>i = ±qV& χ В, където q е елементарният товар на електрона, a Vdr е средната дрейфова скорост на електроните в полупроводниковата (силициева) подложка 2. Тъй като драстично е минимизирано повърхностното разтичане на захранващ ток, и разстоянието J3 9 между електроди 3 и 9 е съществено, отклоняващото действие на Лоренц ±F_Li е максимално ефективно. В резултат силите ±F_Lj въздействат латерално (странично) на токоносителите. Така в зоните на вътрешните страни на ринга 8 с форма на симетричен малтийски кръст, където са разположени двойките контакти 4-6 и 5-7 се концентрират допълнително положителни и отрицателни товари, които не са в състояние да се разтекат по повърхността. По този начин напреженията на Хол Vhio(^x) и Унпфу) върху изходните терминали 4-6 и 5-7 допълнително нарастват. Високата преобразувателна ефективност увеличава допълнително отношението сигнал/шум S/N, което е ключовият фактор за метрологичната резолюция за детектиране на минималната стойност на индукцията £_min 12.

Температурно стабилизираната магниточувствителност на двата сензорни канала 10 и 11 е в резултат на режима на захранване генератор на постоянен ток /3,9 = const. С този режим се запазва постоянство на концентрацията N_D ~ и на електроните в транспортния им процес в подложката 2, както и минимизиране на температурното изменение на подвижността им μ_π при фиксирано електрично поле £3 9(/3 9) в структурата 2. Така се постига запазване на чувствителността в широк температурен обхват без допълнителни електронни схеми и компоненти. Абсолютната стойност на полето В 12 в равнината х-у и ъгълът Θ на вектора В спрямо фиксирана реперна ос в същата равнина, се дават с изразите: \В\ = (В² + В,²)'¹² и Θ = lanAVJByVJBf), [2, 6].

Неочакваният положителен ефект на новото техническо решение се заключава във вградения /?-тип ринг (буфер) 8 с форма на малтийски кръст, отстраняващ разтичането по повърхността на подложката 2 на паразитен ток. Така се елиминира между каналното влияние и се минимизират хаотичните флуктуации на изходните напрежения 10 и 11. Режимът генератор на постоянен ток осъществява температурна стабилизация на чувствителността, постигайки висока измервателна точност. Иновацията за формиране на изходни контакти 4-6 и 5-7 извън основната област на протичане на захранващия ток осъществява повишаване на отношението сигнал/шум. Така нараства метрологичната резолюция B_min 12.

Равнинно-чувствителният микросензор на Хол може да се реализира с CMOS, BiCMOS или микромашининг микроелектронни технологии. Омичните контакти 3, 4, 5, 6 и 7 са силно легирани и⁺ области, формирани с епитаксия и дълбочина около 1 pm. Нисколегираният р-тип линг (буфер) 8, често формиран с BiCMOS, може да се заменени с т.н. „ров” или „траншея” с подходяща дълбочина (trench etch depth) чрез химично ецване. Високопроводящият слой 9 се реализира както с метализация, така и с високопроводящ „вкопан и⁺-слой ” (buried и⁺-1ауег). Това образувание 9 по същество представлява захранващ електрод. Двуосният векторен микросензор на Хол може да функционира в широк температурен интервал, включително в криогенна среда, което подобрява негови основни характеристики. За още по-висока преобразувателна ефективност за целите на слабополевата и високоточната магнитометрия, сеизмологията, контратероризма, навигацията и др„ силициевият чип с векторния микросензор на Хол може да се разположи между подходящи концентратори на магнитното поле В 12 от ферит или μ-метал. За още повисока магнитоелектрична конверсия следва да се използва полупроводникът /z-GaAs от групата А³В⁵, чиято електронна подвижност μ_η при стайна температура Т = 300 К е повече от 8 пъти по-висока от тази на n-Si.

ПРИЛОЖЕНИЕ: една фигура

ЛИТЕРАТУРА

[1] Infineon Technologies AG, Vertical Hall effect device, US Patent, US9425385 B2/23.08.2016.

[2] 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.

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

[4] А. Большакова, Р.Л. Голяка, О.Ю. Макгдо, Т.А. Марусенкова, Ηοβϊ конструкцй нап1впров1дникових тонкошпвкових 2-D и 3-D сензор1в магштного поля, списание Злектроника и связь, № 2-3, (2009) 6-10 (на украински език).

[5] 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.

[6] C. Roumenin, Solid State Magnetic Sensors - Handbook of Sensors and Actuators, Elsevier, Amsterdam-Lausanne-New York, 1994, pp. 450; ISBN: 0 444 89401.

Claims (1)

1. ПАТЕНТНИ ПРЕТЕНЦИИ

   Двуосен векторен микросензор на Хол, съдържащ токоизточник и квадратна полупроводникова подложка с и-тип примесна проводимост, от едната й страна в централната област е формиран квадратен омичен контакт, спрямо четирите му страни и на равни разстояния от тях е разположен по един правоъгълен омичен контакт, двойките срещуположни контакти спрямо квадратния са диференциалните изходи за двете ортогонални равнинни компоненти на магнитното поле, което е в равнината на подложката и е с произволна ориентация, ХАРАКТЕРИЗИРАЩ СЕ с това, че токоизточникът (1) е в режим генератор на постоянен ток, дължината на четирите правоъгълни контакти (4), (5), (6) и (7) е равна на страната на квадратния (3), контактите (4), (5), (6) и (7) са обхванати от вграден в подложката (2) ринг (8) от същия полупроводник с /7-тип проводимост, проникващ в обема и с форма на симетричен малтийски кръст, срещуположната страна на тази с контактите (4), (5), (6) и (7) и ринга (8) съдържа високопроводящ слой (9), представляващ омичен контакт, квадратният контакт (3) през токоизточника (1) е свързан електрически със слоя (9).