BG113826A

BG113826A - Сдвоен вертикален микросензор на хол

Info

Publication number: BG113826A
Application number: BG113826A
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: 2023-12-13
Filing date: 2023-12-13
Publication date: 2025-06-30
Also published as: BG67809B1

Abstract

Сдвоеният вертикален микросензор на Хол съдържа токоизточник (1) в режим на постоянен ток и две идентични паралелепипедни полупроводникови подложки с n-тип примесна проводимост - първа (2) и втора (3), разположени успоредно на дългите си страни. Върху едната страна на всяка от подложките (2) и (3) последователно са формирани от ляво на дясно по три правоъгълни омични контакти - първи (4) и (5), втори (6) и (7), и трети (8) и (9), успоредни на дългите си страни. Всяка от срещуположните страни на тези с контактите (4), (5), (6), (7), (8) и (9) съдържа високопроводящ слой (10). Третите контакти (8) и (9) са разположени в близост до вторите (6) и (7). Първите контакти (4) и (5) са съединени с изводите на токоизточника (1), а вторите (6) и (7) са свързани помежду си. Двата трети контакта (8) и (9) са диференциалният изход (11) на сдвоения вертикален микросензор, като измерваното магнитно поле (12) е успоредно както на равнините на подложките (2) и (3), така и на дългите страни на контактите (4), (5), (6), (7), (8) и (9).

Description

СДВОЕН ВЕРТИКАЛЕН МИКРОСЕНЗОР НА ХОЛ

ОБЛАСТ НА ТЕХНИКАТА

Изобретението се отнася до сдвоен вертикален микросензор на Хол, приложимо в областта на роботиката и мехатрониката; системите за управление с изкуствен интелект; квантовата комуникация; медицината, лапароскопията, 3D телемедицината и роботизираната минимално инвазивна хирургия; навигацията; високоточната и слабополевата магнитометрия; безконтактната автоматика, включително дистанционното измерване на ъглови и линейни премествания; електромобилите и хибридните превозни средства в това число ABS системите и модулите за положение на педалите и вратите; контратероризма; военното дело и др.

ПРЕДШЕСТВАЩО СЪСТОЯНИЕ НА ТЕХНИКАТА

Известен е сдвоен вертикален микросензор на Хол, съдържащ токоизточник в режим на постоянно напрежение и две идентични паралелепипедни полупроводникови подложки с п-тип примесна проводимост - първа и втора, разположени успоредно на дългите си страни. Върху едната страна на всяка от подложките последователно са формирани на равни разстояния от ляво на дясно по три правоъгълни омични контакти първи, втори и трети, успоредно на дългите си страни. Първите контакти са непосредствено свързани и са съединени с единия извод на токоизточника. Третите контакти също са свързани помежду си и са съединени с другия извод на токоизточника. Двата втори контакта са диференциалният изход на сдвоения микросензор като измерваното магнитно поле е успоредно както на равнините на подложките, така и на дългите страни на контактите, [1-8].

Ограничение на този сдвоен вертикален микросензор на Хол е редуцираната точност от ниското отношение сигнал/шум в резултат на хаотичните шумови флуктуации, генерирани от захранващите токове, протичащи в областите на изходните контакти и водещи до съществено присъствие в изходното напрежение на паразитни смущения като дрейф, хистерезис, вътрешен 1//(фликер) шум, пълзене на изходния сигнал, и др.

Ограничение е също ниската метрологична резолюция за детектиране на минималната магнитна индукция B_min поради малкото отношение сигнал/шум.

ТЕХНИЧЕСКА СЪЩНОСТ

Задача на изобретението е да се създаде сдвоен вертикален микросензор на Хол с висока точност, повишавайки отношението сигнал/шум чрез 1 редуциране на паразитните щумови флуктуации и висока метрологична резолюция.

Тази задача се решава със сдвоен вертикален микросензор на Хол, съдържащ токоизточник в режим на постоянен ток и две идентични паралелепипедни полупроводникови подложки с п-тип примесна проводимост - първа и втора, разположени успоредно на дългите си страни. Върху едната страна на всяка от подложките последователно са формирани от ляво на дясно по три правоъгълни омични контакти - първи, втори и трети, успоредни на дългите си страни. Всяка от срещуположните страни на тези с контактите съдържа високопроводящ слой. Третите контакти са разположени в близост до вторите. Първите контакти са съединени с изводите на токоизточника, а вторите са свързани електрически помежду си. Двата трети контакта са диференциалният изход на сдвоения вертикален микросензор като измерваното магнитно поле е успоредно както на равнините на подложките, така и на дългите страни на контактите.

Предимство на изобретението е повишената измервателна точност поради силно ограниченото ниво на паразитните сигнали - дрейф, хистерезис, хаотични шумови флуктуации, пълзене на изходното напрежение, вътрешен 1// (фликер) шум и др. в резултат на разположените изходни контакти извън зоните на протичане на двата захранващи тока.

Предимство е също повишената метрологична резолюция за детектиране на минималната стойност на магнитната индукция B_min чрез нарастналото отношение сигнал-шум от локацията на изходните контакти извън областите на протичане на захранващите токове, отстранявайки хаотичните флуктуации на изходното напрежение.

Предимство е още температурната стабилност на магниточувствителността при изменението на температурата поради функциониране на микросеинзора в режим на постоянен захранващ ток.

ОПИСАНИЕ НА ПРИЛОЖЕНИТЕ ФИГУРИ

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

ПРИМЕРИ ЗА ИЗПЪЛНЕНИЕ

Сдвоеният вертикален микросензор на Хол съдържа токоизточник 1 в режим на постоянен ток и две идентични паралелепипедни полупроводникови подложки с и-тип примесна проводимост - първа 2 и втора 3, разположени успоредно на дългите си страни. Върху едната страна на всяка от подложките 2 и 3 последователно са формирани от ляво на дясно по три правоъгълни омични контакти - първи 4 и 5, втори 6 и 7, и трети 8 и 9, успоредни на дългите си страни. Всяка от срещуположните страни на тези с контактите 4, 5, 6, 7, 8 и 9 съдържа високопроводящ слой 10. Третите контакти 8 и 9 са разположени в близост до вторите 6 и 7. Първите контакти 4 и 5 са съединени с изводите на токоизточника 1, а вторите 6 и 7 са свързани електрически помежду си. Двата трети контакта 8 и 9 са диференциалният изход 11 на сдвоения вертикален микросензор като измерваното магнитно поле 12 е успоредно както на равнините на подложките 2 и 3, така и на дългите страни на контактите 4, 5, 6, 7, 8 и 9.

Действието на сдвоения вертикален микросензор на Хол (наименованието пояснява, че има две еднакви полупроводникови подложки 2 и 3 с идентични локации на омичните контакти 4, 5, 6, 7, 8 и 9), съгласно изобретението, е следното. След свързване на първите контакти 4 и 5 с токоизточника 1, функциониращ в режим на постоянен ток (режим на генератор на ток) и електрическата връзка на вторите контакти 6 и 7, в обемите на двете идентични подложки 2 и 3 протичат срещуположно насочени и еднакви по стойност токови компоненти /_4>6 и - /_5>7; /_4<6 = | - /_5;71. Захранващите планарни контакти 4 и 5, и съответно 6 и 7 в отсъствие на магнитно поле В 12, В = 0 представляват еквипотенциални равнини. Токовите линии през тях са перпендикулярно насочени спрямо горните страни на подложки 2 и 3, прониквайки дълбоко в обемите им. Дълбочината на проникване, например в силициевите структури, при фиксирана концентрация на легиращите донорни примеси N_D = и₀ = const в подложки 2 и 3, зависи от съотношението между ширината на захранващите контакти 4 и 6, 5 и 7, и разстоянието между тях Z₄.₆ и /₅.₇, като = /5.-7. Дълбочината при концентрация N_D ~ 10 cm' и оптимизирани геометрични размери съставлява около 30 pm. В определен участък токовите линии между контакти 4 и 6 и съответно 5 и 7 в първо приближение са успоредни на горните страни на подложки 2 и 3. В резултат траекториите на токоносителите в конфигурацията от Фигура 1 са криволинейни, [1,3,5,7]. Освен това високопроводящите слоеве 10 в двете подложки 2 и 3, представляващи по същество омични контакти, понижават ефективното съпротивление R* на структурите 2 и 3, способствайки също за проникване в дълбочина на токовите траектории /_4>6 и Прилагане на измерваното магнитно поле В 12 успоредно на подложките 2 и 3, и на дългите страни на контакти 4, 5, 6, 7, 8 и 9 води до странично (латерално) отклонение на нелинейните токови линии по цялата им дължина. Причината за това е действието на локалните сили на Лоренц F_l = qv^ х В, където q е елементарният товар на електрона, a Vdr е векторът на средната дрейфова скорост на електроните в подложки 2 и 3, [3,5,7,8]. В резултат на Лоренцовото отклонение от силите F_L,i, в зависимост от посоките на токовете ±/_4>6 и ±/5_>7, и на магнитното поле ±В 12, нелинейните траектории в обемите на подложки 2 и 3 се “свиват” в едната и съответно се “разширяват” в другата. От съществено значение за действието на микросензора на Хол е едновременното деформиране - отклонението в противоположни посоки на еднаквите по стойност токови компоненти /₆ и Λ, протичащи през контакти 6 и 7. В резултат се генерират равни по стойност и с противоположен знак Холови потенциали, които се регистрират с контакти 8 и 9, и - φ^Β}, като φ^(Β) ~ |- ^₉(В)|. Този резултат е ключов и се постига с иновативното схемно решение, при което чрез свързаните електроди 6 и 7 се осъществява реверсиране на протичащия ток, /₆ и |- /₇|, Фигура 1. Фактически измерваното магнитно поле В 12 нарушава електрическата симетрия на токовите траектории. Следователно в резултат на Лоренцовата дефлекция, върху диференциалния изход 11 на сдвоения микросензор възниква напрежение на Хол Уцц(В) = УндХ^)· Този сигнал е линейна и нечетна функция от силата и посоките на токовете /_4>6 и - /_5>7, така и на магнитната индукция В 12. При това преобразувателната ефективност (чувствителността) S е право пропорционална на подвижността μ_η на електроните, респективно на силата на Лоренц за съответния полупроводников материал, S ~ μ_η и S ~ Fl, [3,5].

Температурната стабилизация на чувствителността на сдвоения вертикален микросензор на Хол, т.е. запазването й при изменение на температурата Т на околната среда, е следното. Установена е експериментално закономерност в сензориката на Хол. Тя се заключава в запазване стойността на магниточувствителността Sri в широк температурен диапазон ΔΤ при условие, че елементите на Хол, независимо от тяхната разновидност, функционират в режим на постоянен захранващ ток Д = const. Новото решение за термокомпенсация е проверено с многочислени експерименти на най-различни видове сензори на Хол - вертикални (с равнинна чувствителност) и ортогонални. Резултатите са получени при постоянен ток Ц = const. Този режим най-елементарно се постига с включване в захранващата верига с токоизточника 1 на товарен резистор R, чиято стойност е най-малко един порядък по-голяма от вътрешното съпротивление Ri_n на полупроводниковата подложка 2 или 3, R » R_in. Друг разпространен подход за функциониране Д = const са добре известните за целта електронни схеми. В противовес на разпространеното схващане, че магниточувствителността или преобразувателната ефективност Sri следва да е функция на температурата Т, Sri(T), експериментите доказват, че параметърът Sri, например в течен азот Т = 77 К и при стайна температура Т = 300 К е с почти една и съща стойност в режим константен захранващ ток Д = const. Това е нестандартен резултат, тъй като ключовият фактор за магнитното въздействие - електронната подвижност μ_η, например за и-тип силиции и концентрация на токоносителите п - 10 cm , при температура 1 = 77 К нараства около 5 пъти по отношение на стайната Т = 300 К. Конкретните стойности са μ_η(Τ = 77 К) ~ 5500 cm²/Vs и μη(Τ = 300 К) ~ 1300 cm²/Vs, [9]. Освен това когато температурата Т намалява, входното съпротивление Rin на сензорната подложка 2 или 3 също се редуцира, R_in ~ 1/(μημ_η), R_in ~ 1/μ_η· Електричното поле Е^ в подложките 2 и 3 при постоянен захранващ ток Д = const и Т = 77 К също намалява в сравнение с Т = 300 К, E_s ~ /_s.R_in, F_s ~ v_n. В съответствие с добре известния израз ν_η = μ_ηΕ$, ако подвижността μ_α нарасте 5 пъти, а полето E_s намалее 5 пъти от редуциране на съпротивлението Rj_n, дрейфовата скорост v_n и концентрацията на електроните не следва да се променят. Следователно в първо приближение силата на Лоренц F_L ~ v_n х В, отговорна за генериране на чувствителността Sri, остава практически непроменена в режим Д = const. Ето защо параметърът Sri на микросензора на Хол е постоянен.

Повишената измервателна точност на сдвоения вертикален микросензор на Хол се дължи на непроменената чувствителност Sri в широк температурен диапазон. Освен това силно е редуцирано нивото на паразитните сигнали - дрейф, хистерезис, хаотични флуктуации, пълзене на изходното напрежение, вътрешен 1//(фликер) шум и др. Този важен резултат произнича от разположените изходни контакти 8 и 9 извън областите на протичане на двата захранващи тока /_4;6 и - /5,7. Причината е, че електричното поле E_s и насоченото движение на електроните, формиращи тока, по своята природа съдържат фактори, водещи до шумови флуктуационни процеси. От една страна това е свързано с повърхностните дефекти и стареенето, а от друга от спецификата на токоизточника 1. Иновативно решение, преодоляващо тези недостатъци е локацията на изходните контакти 8 и 9, Фигура 1. Те са извън обхвата на кинетичните процеси и по същество са само регистратори на допълнителните неравновесни електрични товари, генерирани от силите на Лоренц, формиращи Ходовите потенциали и напрежението Уни(®). Близкото разположение на Холовите електроди 8 и 9 до захранващите 6 и 7 формира чрез компоненти /₆ и - /₇ по-висока преобразувателна ефективност (чувствителност).

Метрологичната резолюция за детектиране на минималната стойност на магнитната индукция 5_min 12 за целите на геодинамиката и контратероризма е значително повишена. Постигнатият резултат е в нарастналото отношение сигнал/шум от локацията на контакти 8 и 9 като хаотичните шумови флуктуации на напрежението Vhi 1 (В) = Vh,8.9(B) са редуцирани.

Неочакваният положителен ефект на новото техническо решение е, че в сензориката на Хол е използван нестандартен подход за повишаване на измервателната точност и резолюцията за детекция на минималната индукция 5_min 12 чрез разположение на изходните контакти 8 и 9 извън областите на протичане на захранващите токове. В не по-малка степен е от значение температурната стабилизация на магниточувствителността само чрез режимът на захранване, без допълнителна схемотехника.

Сдвоеният вертикален микросензор на Хол може технологично да се реализира с CMOS или BiCMOS процеси, като п-тип подложки 2 и 3 с п⁺-тип контактите 4, 5, 6, 7, 8 и 9 се формират в п-тип области („джобове”), разположени в р- силициеви пластини. Високопроводящите слоеве 10 се формират както с метализация, така и с нискорезистивен „вкопан п⁺-слой ” (buried n⁺-layer). Това образувание 10 по същество е захранващ електрод. Интегралната технология позволява новият микросензор заедно с обработващата сигнала V_H(B) 11 схемотехника да се осъществи върху общ силициев чип, изграждайки интелигентна микросистема (MEMS). За допълнително повишаване на чувствителността и отношенето сигнал/шум (измервателна точност и резолюция), контактите 6 и 7 в подложките 2 и 3 могат да бъдат обхванати в рингове с /?-тип примесна проводимост. С тяхна помощ драстично се минимизира разтичането на паразитните токове в повърхностните области, оказващи шунтиращо въздействие върху напрежението на Хол V_H(B) 11. Също допълнително се редуцират и шумовите флуктуации в изходния сигнал 11. Микросензорът на Хол може да функционира в широк температурен интервал, включително в криогенна среда, което подобрява негови основни характеристики, особено се намалява шума. За по-висока чувствителност за целите на слабополевата и високоточната магнитометрия чипът може да се разположи между два еднакви продълговати концентратори на магнитното поле В 12 от ферит или μ-метал.

I

ПРИЛОЖЕНИЕ: една фигура

ЛИТЕРАТУРА

[1] R. Wei, У. Du, Analysis of orthogonal coupling structure based on double three-contact vertical Hall device, Micromachines, 10(9) (2019) 610; doi.org/10.3390/mil0090610; https:/www.mdpi.com/2072-666X/10/9/610

[2] Ч.С. Руменин, П.Т. Костов, Сензор на Хол с паралелна ос на магниточувствителност, Авт. свид. № BG 37208 В1/26.12.1983.

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

[4] C. Sander, M.-C. Vecchi, M. Comils, O. Paul, From three-contact vertical Hall elements to symmetrized vertical Hall sensors with low offset, Sens. Actuators, A 240 (2016) 92-102.

[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] A.M.J. Huiser, H.P. Baltes, Numerical modeling of vertical Hall-effect devices, IEEE Electron Device Letters, 5(9) (1984) 482-484.

[7] C.S. Roumenin, Parallel-field Hall microsensors - An overview, Sens. Actuators, A 30 (1992) 77-87.

[8] C.S. Roumenin, Magnetic sensors continue to advance towards perfection, Invited paper, Sens. Actuators, A 46-47 (1995) 273-279.

[9] F.J., Morin J.P. Malta, Electrical properties of silicon containing arsenic and boron, Phys. Rev., 96(1) (1954) 28-35.

Claims

Сдвоен вертикален микросензор на Хол, съдържащ токоизточник и две идентични паралелепипедни полупроводникови подложки с п-тип примесна проводимост - първа и втора, разположени успоредно на дългите си страни, върху едната страна на всяка от подложките последователно са формирани от ляво на дясно по три правоъгълни омични контакти - първи, втори и трети, успоредни на дългите си страни като измерваното магнитно поле е успоредно както на равнините на подложките, така и на дългите страни на контактите, ХАРАКТЕРИЗИРАЩ СЕ с това, че токоизточникът (1) е в режим на постоянен ток, всяка от срещуположните страни на подложките (2) и (3) с контакти (4), (5), (6), (7), (8) и (9) съдържа високопроводящ слой (10), третите контакти (8) и (9) са разположени в близост до вторите (6) и (7), първите контакти (4) и (5) са съединени с изводите на токоизточника (1), а вторите (6) и (7) са свързани електрически помежду си, двата трети контакта (8) и (9) са диференциалният изход (11) на сдвоения микросензор.