BG113833A - Вертикален елемент на хол - Google Patents

Abstract

Вертикалният елемент на Хол съдържа токоизточник (1) в режим на постоянен ток и полупроводникова подложка (2) с р-тип примесна проводимост и правилна геометрична форма. Върху едната й страна има още две еднакви правоъгълни области с n-тип примесна проводимост, разположени близко една до друга и проникващи дълбоко в обема на р-тип подложката (2) - първа (3) и втора (4). Всяка от тези области (3) и (4) съдържа по три омични контакта, разположени последователно на равни разстояния и симетрично един срещу друг - съответно първи (5) и (6), втори (7) и (8), и трети (9) и (10). Първият контакт (5) от област (3) е свързан с третия (10) от втората (4), а двата втори контакта (7) и (8) от двете области (3) и (4) са електрически съединени. Първият (5) и вторият (7) контакт от област (3) са свързани с изводите на токоизточника (1). Третият контакт (9) от област (3) и първият контакт (6) от втората (4) са диференциалният изход (11) на елемента на Хол. Измерваното магнитно поле (12) е успоредно на равнината на подложката (2) и перпендикулярно на дългите страни на области (3) и (4).

Description

ВЕРТИКАЛЕН ЕЛЕМЕНТ НА ХОЛ

ОБЛАСТ НА ТЕХНИКАТА

Изобретението се отнася до вертикален елемент на Хол, приложимо в областта на роботиката и мехатрониката; киберфизичните и сензорните системи с изкуствен интелект; квантовата комуникация; навигацията; автоматизация на процесите, в това число безконтактната автоматика; медицината, лапароскопията, роботизираната и минимално инвазивната хирургия; слабополевата и високоточната магнитометрия; електромобилите и хибридните превозни средства; в подводните, наземните и въздушните устройства за наблюдение и превенция; контратероризма; военното дело и др.

ПРЕДШЕСТВАЩО СЪСТОЯНИЕ НА ТЕХНИКАТА

Известен е вертикален елемент на Хол, съдържащ токоизточник в режим на постоянно напрежение и полупроводникова подложка с и-тип примесна проводимост и правилна геометрична форма. Върху едната й страна са формирани последователно от ляво на дясно три правоъгълни омични контакти - първи, втори и трети, разположени на равни разстояния един от друг и успоредно на дългите си страни. Вторият контакт е централен и спрямо него симетрично от двете му дълги страни са разположени другите два. Първият и третият контакт през еднакви товарни резистори са съединени с единия извод на токоизточника, другият извод на който е свързан с централния контакт. Измерваното магнитно поле е успоредно както на равнината на подложката, така и на дългите страни на правоъгълните контакти като първият и третият контакт са диференциалният изход на елемента на Хол, [1-9].

Ограничение на този вертикален елемент на Хол е понижената преобразувателна ефективност (магниточувствителност) от редуцираното изходно напрежение на Хол в резултат на протичане на част от захранващия ток като паразитен по повърхността между контактите.

Ограничение е също усложнената технологична реализация на елемента на Хол поради несъвместимост на интегралните процеси за формиране на планарните омични контакти и на двата товарни резистора върху повърхността на полупроводниковия чип (подложка).

Ограничение е още редуцираната метрологична точност поради ниската чувствителност, водеща до забележимо присъствие в изходното напрежение на паразитни сигнали от типични сензорни недостатъци като дрейф, хаотични шумови флуктуации, хистерезис, пълзене на изходното напрежение и др. в резултат на нерегламентираното протичане на повърхностни токове между трите контакта.

ТЕХНИЧЕСКА СЪЩНОСТ

Задача на изобретението е да се създаде вертикален елемент на Хол с висока магниточувствителност, пълна технологична съвместимост с интегралните процеси за микроелектронната му реализация и висока метрологична точност.

Тази задача се решава с вертикален елемент на Хол, съдържащ токоизточник в режим на постоянен ток и полупроводникова подложка с /?-тип примесна проводимост и правилна геометрична форма. Върху едната страна на подложката има още две еднакви правоъгълни области с п-тип примесна проводимост, разположени близко една до друга и проникващи дълбоко в обема на /?-тип подложката - първа и втора. Всяка от тези области съдържа съответно по три омични контакта, разположени последователно на равни разстояния и симетрично един срещу друг - първи, втори и трети. Първият контакт от първата област е свързан с третия от втората област, а двата втори контакта от двете области са електрически съединени. Първият и вторият контакт от първата област са свързани с изводите на токоизточника. Третият контакт от първата област и първият контакт от втората са диференциалният изход на елемента на Хол. Измерваното магнитно поле е успоредно на равнината на подложката и перпендикулярно на дългите страни на правоъгълните н-тип области.

Предимство на изобретението е високата магниточувствителност от повишеното напрежение на Хол в резултат на драстично редуцираните паразитни повърхностни токове, които вече участват в процеса на магнитоелектричната конверсия, тъй като п-тип областите с контактите са физически отделени една от друга с />-тип подложката.

Предимство е също реализацията на елемента в единен технологичен цикъл, без необходимост от различни по своята същност усложняващи процеси, тъй като в структурата на Хол отсъстват товарни резистори.

Предимство на изобретението е още повишената измервателна точност поради силно ограниченото ниво на паразитните сигнали - дрейф, хистерезис, хаотични шумови флуктуации, пълзене на изходното напрежение и др. в резултат на разположените изходни контакти извън зоните на протичане на двата захранващи тока в двете правоъгълни п-тип области.

Предимство е още повишената метрологична резолюция за детекгиране на минималната стойност на магнитната индукция 5_min чрез нарастналото отношение сигнал-шум от локацията на изходните контакти извън зоните на протичане на захранващите токове, отстранявайки хаотичните флуктуации в изходното напрежение и високата магниточувствителност.

Предимство е и температурната стабилност на чувствителността при изменение на температурата поради функциониране на елемента на Хол в режим на постоянен захранващ ток.

ОПИСАНИЕ НА ПРИЛОЖЕНИТЕ ФИГУРИ

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

ПРИМЕРИ ЗА ИЗПЪЛНЕНИЕ

Вертикалният елемент на Хол съдържа токоизточник 1 в режим на постоянен ток и полупроводникова подложка 2 с /?-тип примесна проводимост и правилна геометрична форма. Върху едната страна на подложката 2 има още две еднакви правоъгълни области с и-тип примесна проводимост, разположени близко една до друга и проникващи дълбоко в обема на /?-тип подложката 2 първа 3 и втора 4. Всяка от тези области 3 и 4 съдържа по три омични контакта, разположени последователно на равни разстояния и симетрично един срещу друг - съответно първи 5 и 6, втори 7 и 8, и трети 9 и 10. Първият контакт 5 от първата област 3 е свързан с третия 10 от втората 4, а двата втори контакта 7 и 8 от области 3 и 4 са електрически съединени. Първият 5 и вторият 7 контакт от област 3 са свързани с изводите на токоизточника 1. Третият контакт 9 от първата област 3 и първият контакт 6 от втората 4 са диференциалният изход 11 на елемента на Хол. Измерваното магнитно поле 12 е успоредно на равнината на подложката 2 и перпендикулярно на дългите страни на правоъгълните области 3 и 4.

Действието на вертикалния елемент на Хол, съгласно изобретението, е следното. След електрическото свързване на контакти 5 и 7 с токоизточника 1, и предвид структурната симетрия на конфигурацията, Фигура 1, в обемите на двете еднакви и близко разположени п-тип области 3 и 4 протичат два еднакви по стойност токови компоненти /_{5 7} и /₈д₀· Захранващите планарни контакти 5 и 7, и съответно 8 и 10 представляват еквипотенциални равнини. В отсъствие на магнитно поле В 12, В = 0, токовете през тях първоначално са насочени перпендикулярно спрямо повърхностите на п-области 3 и 4, които физически не контактуват една с друга. Това изцяло ограничава токове Дд и I^q и препятства взаимното им паразитно влияние. Освен това траекториите Д_;7 и /_8>10 проникват дълбоко в области 3 и 4, които са подходящо формирани за целта. След това траекториите променят посоката си успоредно на равнината на подложката 2. По този начен токове Ад и Ддо са нелинейни в области 3 и 4. Подложката 2 е с правилна геометрична форма, т.е. квадратна или правоъгълна. Освен това с използваното технологично решение се намалява съществено разтичането на паразитните токове в повърхностните области, оказващи негативно въздействие върху напрежението на Хол УнбдС^) П· Така се елиминират дрейфът, хистерезисът, хаотичните шумови флуктуации, пълзенето на изходния сигнал и ДРПрилагане на измерваното магнитно поле В 11 успоредно на равнината на подложката 2 и перпендикулярно на дългите страни на правоъгълните области 3 и 4 води до странично (латерално) отклонение (дефлекция) на токовите линии по цялата дължина на нелинейните им траектории. Причината за това е действието на локалните сили на Лоренц F_Lj, F_L = q V^ х В, където q е елементарният товар на електрона, a V_dr е векторът на средната дрейфова скорост на електроните в областите 3 и 4, [2,6]. В резултат на Лоренцовото отклонение на токоносителите, в зависимост от посоките на токове ±Z_5<7 и ±/₈,ю> и на магнитното поле ±В 12, нелинейните траектории в обемите на области 3 и 4 едновременно се “свиват” и съответно “разширяват”. От съществено значение за магниточувствителността на вертикалния елемент на Хол от Фигура 1 е страничното деформиране на токови компоненти Z₈ и До, протичащи през захранващи контакти 8 и 10. По същество двете п-тип области 3 и 4 могат да се определят като вертикални микросензори на Хол, формирани чрез контакти 5-7-9 и съответно 6-8-10. Функционирането на тези микросензори се контролира с токове /₁₀ и /₈. При деформирането в магнитно поле В 12 на траектории Д_;7 и /₈₁₀, върху контакти 9 и 6 се генерират допълнителни товари от силите на Лоренц F_Li. Те са с противоположен знак и равни по стойност. Именно този ефект на Хол определя изходното напрежение на вертикалния елемент, Фигура 1. Ходовите структури 5-7-9 и съответно 6-8-10 са отделени една от друга в областите 3 и 4. Фактически при самостоятелно изменение на токовете Дд и /уо, Ходовите потенциали се променят също по стойност. В нашия случай е необходимо тези потенциали, присъстващи на диференциалния изход 11 да са едни и същи в отсъствие на поле В 12. Целта е минимизиране/компенсиране на паразитния офсет V_H6,9(^=0) ~ 0. Следователно, в резултат на Лоренцовата дефлекция върху диференциалния изход 11 възниква напрежението на Хол Унб.чЦД 11, което е линейна и нечетна функция от силата и посоките на токове ±/₅₎₇ и ±/_8;ю, така и на полето ±В 12. При това преобразувателната ефективност (чувствителността) S е право пропорционална на подвижността μ_η на електроните, респективно на силата на Лоренц F^ за съответния полупроводников материал, S ~ μ_η и S ~ F^, [2,6,7].

Описаният галваномагнитен процес повишава съществено изходното напрежение на вертикалния елемент на хол УнбХ^) И- За това ключова роля оказват три фактора, произтичащи от конструктивното решение, Фигура 1. Първият е, че шунтиращите напрежението на Хол паразитни токове са минимизирани чрез р-тип подложката 2 и така отделените области 3 и 4. Вторият е минимизираното нерегламентирано паразитно влияние между двата обособени триконтактни микросензори на Хол. Третият важен фактор е, че изходните контакти 6 и 9 са изнесени извън зоните на протичане на двата захранващи тока /_5>7 и Ζ₈₁₀ като захранването е стабилизирано чрез генератора на ток. Освен това реализацията на елемента не изисква различни по своята същност технологични операции като в конструкцията отсъстват товарни резистори. Ето защо не се налагат допълнително усложняващи процеси за формиране на резистори в силициевия чип. Измервателната точност е повишена поради високата чувствителност и драстично редуцираните паразитни сигнали - дрейф, хистерезис, вътрешен (фликер) шум, хаотични фрукуации и др., основно от изнесените изходни контакти 6 и 9 извън зоните на протичане на захранващите токове /_5;7 и /₈д₀.

Температурната стабилизация на магниточувствителността на елемента на Хол е следната. Установено е, че тя запазва стойността си в широк температурен диапазон ΔΓ ако сензорите на Хол, независимо от тяхната разновидност, функционират в режим на постоянен захранващ ток I_s = const. Новото качество е апробирано в широкия интервал температури от - 200 °C до 400 °C. Този нестандартен резултат е свързан с особеностите на подвижността μ_η на електроните при константен ток. Когато температурата Т намалява, входното съпротивление R_in на сензорните области 3 и 4 също се редуцира, R_in ~ 1/(#щ/_п), R_in ~ 1/μ_η. Електричното поле E_s в области 3 и 4 при постоянен ток Д = const и намаляване на температурата Т също се редуцира в сравнение, например с Т = 300 К, E_s - /_s.R_in, Es ~ V_n, [2]. В съответствие с добре известния израз V_n = Fn^_s, ако подвижността μ_η нарасте например 5 пъти, а полето E_s намалее 5 пъти от редуциране на съпротивлението R_in, дрейфовата скорост V_n и концентрацията п на електроните не следва да се променят. Следователно в първо приближение силата на Лоренц F^ ~ У_п х В, отговорна за генериране на чувствителността S, остава в първо приближение почти непроменена при ток 4 = const. Ето защо параметърът S на елемента на Хол се запазва.

Увеличената метрологична резолюция при детекция на минималната магнитна индукция B_min е в резултат на високата чувствителност S едновременно с повишеното отношение сигнал/шум от силно ограничените паразитни сигнали в изхода 11. Това осигурява по-детайлно определяне топологията на магнитното поле В 12, особено за целите на биохимията и роботизираната хирургия.

Неочакваният положителен ефект на новото техническо решение е, че в сензориката на Хол е използван нестандартен подход за подобряване характеристиките на елементите на Хол чрез обединено действието на две независими структури, изходните терминали на които са извън областите на протичане на захранващите токове. При това са отстранени съществена част от типичните сензорни недостатъци - дрейф, паразитни повърхностни токове, шумови флуктуации, пълзене на изхода и др. като магниточувствителността и отношението сигнал/шум са същестено повишени.

Вертикалният елемент на Хол може да се реализира с CMOS или BiCMOS технологии, като и-тип подложката 2 е /?-тип силициев чип, в който са формирани два отделни и-тип „джоба” 3 и 4. Новият микросензор може да се осъществи също и в п-тип подложка, в която омичните контакти 5, 7 и 9 и съответно 6, 8 и 10 са обградени с дълбоки р-тип рингове. Така се формират двата индивидуални елемента на Хол. Чрез интегралната технология конфигурацията от Фигура 1 заедно с обработващата сигнала УнбХ^) И схемотехника може да се осъществи върху общ чип 2, изграждайки интелигентна микросистема (MEMS), [2,8]. Функционирането на предложения вертикален елемент на Хол е в широк температурен диапазон, включително при криогенни температури. За още по-висока чувствителност за целите на слабополевата и високоточната магнитометрия и контратероризма, подложката 2 може да се разположи между два еднакви продълговати концентратори на магнитното поле В 12 от ферит или μ-метал.

ПРИЛОЖЕНИЕ: една фигура

ЛИТЕРАТУРА

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

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

[3] C.S. Roumenin, Bipolar magnetotransistor sensors - An invited review, Sensors and Actuators, A 24 (1990) 83-105.

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

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

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

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

[8] T. Kaufmann, On the offset and sensitivity of CMOS-based five-contact vertical Hall devices, in MEMS Technology and Engineering, v. 21, Der Andere Verlag, 2013, p. 147.

[9] C. Sander, C. Leube, O. Paul, Three-dimensional magnetometer based on subsequent measurement principle, Sensors and Actuators, A 222 (2015) 329-334.

Claims (1)

1. Вертикален елемент на Хол, съдържащ токоизточник и полупроводникова подложка с правилна геометрична форма, омични контакти, разположени последователно и симетрично на равни разстояния един от друг като измерваното магнитно поле е успоредно на равнината на подложката, ХАРАКТЕРИЗИРАЩ СЕ с това, че токоизточникът (1) е в режим на постоянен ток, полупроводниковата подложка (2) е с /?-тип примесна проводимост, върху едната й страна има още две еднакви правоъгълни области с и-тип примесна проводимост, разположени близко една до друга и проникващи дълбоко в обема на р-тип подложката (2) - първа (3) и втора (4), всяка от тези области (3) и (4) съдържа по три омични контакта, - съответно първи (5) и (6), втори (7) и (8), и трети (9) и (10), първият контакт (5) от първата област (3) е свързан с третия (10) от втората (4), а двата втори контакта (7) и (8) от области (3) и (4) са електрически съединени, първият (5) и вторият (7) контакт от област (3) са свързани с изводите на токоизточника (1), а третият контакт (9) от първата област (3) и първият контакт (6) от втората (4) са диференциалният изход (11) на елемента на Хол, като магнитното поле (12) е още перпендикулярно на дългите страни на правоъгълните области (3) и (4).