BG113845A - Вертикален микросензор на хол - Google Patents

Abstract

Вертикалният микросензор на Хол съдържа токоизточник (1) и две идентични полупроводникови правоъгълни подложки е n-тип примесна проводимост - първа (2) и втора (3), разположени успоредно една спрямо друга. Върху едната страна на всяка от подложките (2) и (3) последователно и на равни разстояния са формирани от ляво на дясно по три еднакви правоъгълни омични контакти - съответно първи (4) и (5), втори (6) и (7), и трети (8) и (9), разположени успоредно на дългите си страни като вторите контакти (6) и (7) са централни, а първите (4) и (5), и третите (8) и (9) са симетрични спрямо тях. Откъм външните страни на първите (4) и (5), и третите (8) и (9) контакти са въведени успоредно и в близост до тях още по една високопроводима буферна зона (10), (11), (12) и (13) с правоъгълна форма, дължините на които са еднакви с тези на контакти (4), (5), (6), (7), (8) и (9), а ширините им са най-малко два пъти по големи от тези на контакти (4), (5), (6), (7), (8) и (9). Първият контакт (4) от подложка (2) е свързан с третия контакт (9) от втората (3), а третият контакт (8) от подложка (2) е съединен е контакт (5) от втората (3). Буферната зона (10) откъм страната на контакт (4) в подложка (2) е свързан с буферната зона (13) откъм третия контакт (9) на подложка (3), а буферната зона (11) откъм контакт (8) на подложка (2) е съединен със зона (12) откъм първия контакт (5) на подложка (3). Централните контакти (6) и (7) са свързани с изводите на токоизточника (1), който е в режим генератор на ток. Измерваното магнитно поле (14) е успоредно както на равнините на подложките (2) и (3), така и на дългите страни на правоъгълните контакти (4), (5), (6), (7), (8) и (9), а контакти (8) и (9) са диференциалният изход (15) на микросензора на Хол.

Description

ВЕРТИКАЛЕН МИКРОСЕНЗОР НА ХОЛ

ОБЛАСТ НА ТЕХНИКАТА

Изобретението се отнася до вертикален микросензор на Хол, приложимо в областта на роботиката и мехатрониката; квантовата комуникация; системите за сигурност с изкуствен интелект и навигацията; микро- и нано-технологиите; медицината в това число роботизираната и минимално инвазивната хирургия, 3D телемедицината и лапароскопията; безконтактната автоматика включително дистанционното измерване на ъглови и линейни премествания; контролно-измервателната технология и слабополевата магнитометрия; електромобилите и хибридните превозни средства; енергетиката; контратероризма; военното дело, включително подводни, наземни и въздушни системи за наблюдение и превенция, и др.

L

ПРЕДШЕСТВАЩО СЪСТОЯНИЕ НА ТЕХНИКАТА

Известен е вертикален микросензор на Хол, съдържащ токоизточник в режим на постоянно напрежение (генератор на напрежение), два еднакви по стойност товарни резистора и полупроводникова (силициева) правоъгълна подложка с и-тип примесна проводимост. Върху едната страна на подложката са формирани на равни разстояния един от друг последователно три правоъгълни омични контакти - първи, втори и трети, разположени успоредно на дългите си страни като вторият е централен и спрямо него симетрично от двете му дълги страни са разположени другите два контакта. Първият и третият контакт през товарните 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, а първият и третият контакт са диференциалният изход на микросензора, [1 - 10].

Ограничение на този вертикален микросензор на Хол е понижената измервателна точност от наличието на значително паразитно напрежение на диференциалния изход в отсъствие на магнитно поле (офсет) в резултат на неминуема геометрична и електрична асиметрия в разположението на изходните контакти спрямо централния. Основните причини за този сензорен проблем е технологията - несъвършенства в легирането, несъосност на маските при фотолитографията, механични напрежения найчесто от метализацията и корпусирането на чипа (подложката), температурни градиенти, флуктуации, миграция на легиращите примеси, стареене и др.

Ограничение е също усложнената реализация на микросензора поради несъвместимост на интегралните процеси за формиране на омичните контакти и на двата товарни резистора върху повърхността на полупроводниковата подложка. Резисторите изискват допълнителни, съществено отличаващи се от стандартните силициеви технологии операции, включително високотемпературни процеси, оксидни компаунди на мед, никел и др. По тези причини микросензорът на Хол често се използва не в интегрален, а в хибриден вариант.

ТЕХНИЧЕСКА СЪЩНОСТ

Задача на изобретението е да се създаде вертикален микросензор на Хол с висока метрологична точност и опростена технологична реализация.

Тази задача се решава с вертикален микросензор на Хол, съдържащ токоизточник и две идентични полупроводникови правоъгълни подложки с п-тип примесна проводимост - първа и втора, разположени успоредно една спрямо друга. Върху едната страна на всяка от подложките

L последователно и на равни разстояния са формирани от ляво на дясно по три еднакви правоъгълни омични контакти - съответно първи, втори и трети, разположени успоредно на дългите си страни като вторите контакти са централни, а първите и третите са симетрични спрямо тях. Откъм външните страни на първите и третите контакти, са въведени в близост и успоредно до тях още по една високопроводима буферна зона с правоъгълна форма, дължините на които са еднакви с тези на контактите, а ширините им са най-малко два пъти по големи от тези на контактите. Първият контакт от първата подложка е свързан с третия контакт от втората, а третият контакт от първата подложка е съединен с първия контакт от втората. Буферната зона откъм страната на първия контакт в първата подложка е свързан с буферната зона откъм третия контакт на втората подложка, а буферната зона откъм третия контакт на първата подложка е съединен с буферната зона откъм първия контакт на втората подложка. Централните контакти на двете подложки са свързани с изводите на токоизточника, който е в режим генератор на ток. Измерваното магнитно поле е успоредно както на равнините на подложките, така и на дългите страни на правоъгълните контакти и буферните зони, а третите контакти са диференциалният изход на микросензора на Хол.

Предимство на изобретението е повишената измервателна точност в резултат на драстично редуцирания офсет в резултат на формираните буферни зони откъм външните страни на първите и третите контакти на подложките както и електрическото им свързване. Това решение изравнява наличните паразитни сигнали на изхода на микросензора в отсъствие на магнитно поле включително температурен дрейф, хистерезис, вътрешен (фликер) шум и др. Минимизиране на офсета се постига също и със съединените първи и трети контакти на подложките, допълнително уеднаквяващи потенциалите на изхода на микросензора.

Предимство е също реализацията на микросензора в единен технологичен цикъл, без необходимост от различни по своята природа химични процеси, усложняващи осъществяването върху силициевия чип на товарните резистори и на структурните конфигурации с омични контакти.

Предимство е още увеличената метрологичната резолюция при измерване на минималната магнитна индукция B_min в резултат повишеното отношение сигнал/шум на микросензора от минимизирания офсет, което осигурява по-детайлно картографиране на равнинната и пространствената топология на магнитното поле в приложенията.

Предимство е и температурно стабилизираната магниточувствителност поради режима на захранване генератор на постоянен ток, запазващ непроменена концентрацията на електроните в транспортния процес в подложките и минимизиращ температурното изменение на

L подвижността на токоносителите. Така се гарантира постоянна конверсията на магнитното поле в електричен сигнал в широк температурен обхват без допълнителни схеми и компоненти.

ОПИСАНИЕ НА ПРИЛОЖЕНИТЕ ФИГУРИ

По-подробно изобретението се пояснява с едно негово примерно изпълнение, дадено на приложената Фигура 1, представляваща схематично напречното сечение на микросензорната конфигурация на Хол.

ПРИМЕРИ ЗА ИЗПЪЛНЕНИЕ

Вертикалният микросензор на Хол съдържа токоизточник 1 и две идентични полупроводникови правоъгълни подложки е и-тип примесна проводимост - първа 2 и втора 3, разположени успоредно една спрямо друга. Върху едната страна на всяка от подложките 2 и 3 последователно и на равни разстояния са формирани от ляво на дясно по три еднакви правоъгълни омични контакти - съответно първи 4 и 5, втори 6 и 7, и трети 8 и 9, разположени успоредно на дългите си страни като вторите контакти 6 и 7 са централни, а първите 4 и 5, и третите 8 и 9 са симетрични спрямо тях. Откъм външните страни на първите 4 и 5, и третите 8 и 9 контакти, и в близост до тях са въведени още по една високопроводима буферна зона 10, 11, 12 и 13 е правоъгълна форма и успоредни на тях, дължините на които са еднакви с тези на контактите 4, 5, 6, 7, 8 и 9, а ширините им са наймалко два пъти по големи от тези на контакти 4, 5, 6, 7, 8 и 9. Първият контакт 4 от първата подложка 2 е свързан с третия контакт 9 от втората 3, а третият контакт 8 от първата подложка 2 е съединен с първия контакт 5 от втората 3. Буферната зона 10 откъм страната на първия контакт 4 в първата подложка 2 е свързан с буферната зона 13 откъм третия контакт 9 на втората подложка 3, а буферната зона 11 откъм третия контакт 8 на първата подложка 2 е съединен с буферната зона 12 откъм първия контакт 5 на втората подложка 3. Централните контакти 6 и 7 на подложки 2 и 3 са свързани с изводите на токоизточника 1, който е в режим генератор на ток. Измерваното магнитно поле 14 е успоредно както на равнините на подложките 2 и 3, така и на дългите страни на правоъгълните контакти 4, 5, 6, 7 и 8 и буферните зони 10, 11, 12 и 13, а третите контакти 8 и 9 са диференциалният изход 15 на микросензора на Хол.

Действието на вертикалния микросензор на Хол, съгласно изобретението, е следното. След свързване на централните контакти 6 и 7 към токоизточника 1, в обема на двете подложки 2 и 3 протичат двойки срещуположно насочени токови компоненти /_6>4 и -/_6>8, и съответно /75 и -/79. В резултат на симетрията на двете конфигурации 2 и 3 спрямо контакти 6 и 7, тези компоненти са еднакви по стойност /_6>4 = |-Z_6j8|; /7,5 = |—/_7>9[. Захранващите планарни контакти 6, 4 и 8, съответно 7, 5 и 9 представляват еквипотенциални равнини, към които в отсъствие на външно магнитно поле В 14, В = 0, токовете през тях са винаги перпендикулярно насочени спрямо горните страни на подложките 2 и 3 като проникват дълбоко в обемите им. Дълбочината на проникване в силициевите структури, какъвто е нашият случай, при фиксирана концентрация на легиращите донорни примеси N_D = const в подложки 2 и 3 зависи от съотношението между ширината на контакти 6, 4, 8, 7, 5 и 9, и разстоянията между тях /₆.₄ = /₆.₈ = /7.5 = Z7-9- Максималната стойност на дълбочината при концентрация N_D = п₀ ~ 10 cm' при оптимизирани геометрични параметри съставлява около 30 pm. Между контактите 6 и 4, 6 и 8, и съответно 7 и 5, 7 и 9 токовите линии в първо приближение са успоредни на горните страни на подложките 2 и 3, Фигура 1. В резултат траекториите на електроните в токовите компоненти са криволинейни, [2,3,5,6].

Основният фактор, редуциращ точността в полупроводниковата сензорика на магнитното поле В 14 е значителното паразитно напрежение на диференциалния изход в отсъствие на поле В = 0 (офсет или офсетгрешка). Неговият генезис е неминуемата геометрична и елекгрична асиметрия в разположението на изходните контакти 4, 8, 5, 9 спрямо централните 6 и 7. Друга причина за този проблем е технологията несъвършенства в легирането на полупроводниковите (силициевите) пластини, несъосност на маските при фотолитографията, механични напрежения най-често от метализацията и корпусирането на структурите, нелинейни температурни градиенти. флуктуации, миграция на легиращите примеси, стареене и др. В резултат на изхода 15 на микросензора на Хол присъства паразитния офсет V_H8,9(^=0) = V_H8,9(Z?=0) # 0. Неговото компенсиране най-често се осъществява чрез метода на токовия спининг [2,3], който обаче изисква нетривиална електронна схемотехника, включваща запомняща сигнали simple and hold (избор и съхранение) конфигурация. Всичко това усложнява отстраняването на офсета. Освен това този метод не корелира с несложния принцип на функциониране на тези елементи - ефектът на Хол. В новото решение е избран качествено нов подход, който максимално опростява минимизирането на офсета. В подложките 2 и 3 са въведени високопроводими буферни зони 10, 11, 12 и 13. По същество това са омични електроди както захранващите, които обаче не участват в разпределението на токовите компоненти. Те специално са разположени откъм външните страни на контакти 4 и 5, и съответно 8 и 9, т.е. извън обхвата на действие на сензора. Иновативност е съединяването на буферни зони 10 и 13, и съответно 11 и 12. Условието ширината им да е най-малко два пъти по голяма от тази на контакти 4, 5, 6, 7, 8 и 9 и разположението на тези места в подложките 2 и 3 е продиктувано от значителното присъствие в приповърхностните области около контакти 4, 8, 5 и 9 на нерегламентирани паразитни потенциали при протичане на токовете 7_6>4 = |-/_6>8| = Лз ⁼ hAd- Избраната най-малко два пъти по-голяма ширина на буферните зони 10, 11, 12 и 13 от тази на контакти 4, 5, 6, 7, 8 и 9 е оптимална за колектиране на паразитните потенциали, внасящи метрологични трешки в изхода 15. Чрез свързването на буфери10-13 и 1112 се постига самоизравняване на потенциалите именно там, откъдето се снема изходното (информационното) напрежение на Хол УнвдЦЦ 15. Ефектът на минимизиране на офсет-грешката на изхода 15 се осъществява допълнително чрез съединяването на контакти 4-9 и съответно 8-5. Важна особеност е, че без и със магнитно поле В 14, така свързаните омични контакти имат потенциали с един и същ знак, което е предимство на решението по неутрализиране на офсет-грешката, без това да намалява напрежението на Хол 15. Компенсирането на офсета с предложената концепция „потенциални буфери” 10, 11, 12, 13 не усложнява сензорната реализация. Омичните контакти и буферните зони са идентични в технологично отношение, различават се единствено по ширините си.

Прилагане на измерваното магнитно поле В 14 успоредно на подложките 2 и 3, и на дългите страни на контакти 4, 5, 6, 7, 8 и 9 води до странично (латерално) отклонение (дефлекция) на токовите линии по цялото протежение на нелинейните им траектории. Причината за това е действието на силите на Лоренц F_L1, F_L = qV_dT х В, където q е елементарният товар на електрона, a V_dr е векторът на средната дрейфова скорост на електроните в подложки 2 и 3, [2,3,5,6]. Както се вижда от Фигура 1 магнитният вектор В 14 е перпендикулярен на напречните сечения на подложки 2 и 3. В резултат на Лоренцовото отклонение от силите F_L.i, в зависимост от посоките на токовете i /₆ и ± /₇, и на магнитното поле ±В 14, нелинейните траектории в обемите на подложки 2 и 3 се “свиват” и съответно “разширяват”. По тази причина върху горните повърхности на двете структури 2 и 3 се генерират едновременно равни по стойност, но с противоположен знак Холови потенциали и - φ%(Β), φ^ίΒ) = |- ^₉(В)|, които се регистрират с контактите 4 и 8, и съответно 5 и 9. По-високи стойности на Ходовите потенциали, респективно напрежение на Хол 15 се постига ако контакти 4 и 8, и съответно 5 и 9 са разположени в близост до централните електроди 6 и 7. Фактически измерваното магнитно поле В 14 нарушава електрическата симетрия на токовите траектории. Следователно в резултат на Лоренцовата дефлекция върху диференциалния изход 15 на микросензора възниква напрежение на Хол V_Hi₄(^) = Eh,8-9(^)- Този сигнал е линейна и нечетна функция от силата на токовете /₆ и - /₇, както и на магнитното поле В 14. Поради невисоката подвижност на електроните μ_η в силиция - основният полупроводник в интегралните микроелектронни технологии, не могат да се очакват съществени стойности на чувствителността S при стайна температура, μ_η(Τ = 300 Κ) ~ 1200 cn^V’s¹, [2,11]. Както е добре известно преобразувателната ефективност или чувствителността S е право пропорционална на подвижността μ_η на електроните, S ~ μ_η.

В решението от Фигура 1 не е необходимо въвеждане на товарни резистори. Чрез двете електрически свързани подложки 2 и 3 отпада необходимостта да се използват високоомни резистори, които да преобразуват изменението на токовете през контакти 4, 8 и 5, 9 в потенциали и напрежения. Ето защо новият микросензор на Хол се реализира в единен технологичен цикъл, без необходимост от усложняващи химични процеси и операции. Също така е увеличена метрологичната резолюция при измерване на минималната магнитна индукция B_min от повишеното отношение сигнал/шум на микросензора чрез силно минимизирания офсет.

Новият микросензор на Хол е с температурно стабилизирана магниточувствителност S поради режима на захранване генератор на постоянен ток 1, Z_s = const. Когато температурата Т намалява, входното съпротивление Ri_n на сензорната конфигурация, Фигура 1, също се редуцира, R_in ~ 1^ημ_η), R_in ~ 1/μ_η(Τ), [2,11]. Електричното поле E_s в подложките 2 и 3 при постоянен захранващ ток I_s = const и понижена температура Т също намалява в сравнение със стайната Т = 300 К, E_s ~ /_s.R_in, E_s ~ Vdr- В съответствие с добре известния израз V_dr = //„-Es, ако подвижността μ_η нарасте, например 5 пъти, а полето E_s намалее също толкова от редуциране на съпротивлението R,_n, дрейфовата скорост на електроните V_d и тяхната концентрация п не следва да се променят. Следователно в първо приближение силата на Лоренц F_L ~ Vdr х В, отговорна за чувствителността S, остава непроменена в режим Д = const. Ето защо параметърът S на микросензора на Хол практически запазва стойността си при различни температури.

Неочакваният положителен резултат от новото техническо решение е, че се използва нестандартен подход за минимизиране на паразитния офсет чрез въвеждане на точно определени места - откъм външната страна на крайните омични контакти 4, 8, 5 и 9 на високопроводими буферни зони 10, 11, 12 и 13. Чрез иновативното свързване те уеднаквяват потенциалите в диференциалния изход 15. Освен това в новата конфигурация отпадат товарните резистори като захранването генератор на ток 1 осъществява температурно стабилизиране на чувствителността в широк интервал ΔΤ, включително в криогенна среда.

Вертикалният микросензор на Хол може да се реализира с CMOS или BiCMOS технологии, като силициевите подложки 2 и 3 на конфигурацията представляват дълбоки и-тип джобове в р-тип структура. Буферните «⁺-зони 10, 11, 12 и 13 се формират едновременно с омичните л⁺-захранващи контакти 4, 5, 6, 7, 8 и 9. Интегралната технология позволява новият сензор заедно с обработващата изходния сигнал V_H(B) 15 схемотехника да се реализира върху общ силициев чип, формирайки интелигентна микросистема (MEMS). За по-висока чувствителност за целите на слабополевата магнитометрия и контратероризма, чипът 2 и 3 може да се разположи между два еднакви продълговати концентратори на магнитното поле В 15 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.

[3] 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.

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

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

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

[7] Vetical Hall effect sensor, Pat. US 9735345B2/15.08.2017.

[8] Vetical Hall effect device, Pat. US 7205622B2/17.04.2007.

[9] Magnetic sensor, Pat. US 1142220B2/23.08.2022.

[10] Vertical Hall sensor with reduced offset error, Pat. US 9543504В2/ 21.10.2015.

[11] S.M. Sze, Physics of Semiconductors, 2^nd ed., Wiley-Intersc. Publ., John Wiley & Sons, New York, 1994.

Claims (1)

1. Вертикален микросензор на Хол, съдържащ токоизточник и полупроводникова правоъгълна подложка с и-тип примесна проводимост, върху едната страна на която последователно и на равни разстояния са формирани от ляво на дясно три еднакви правоъгълни омични контакти, първи, втори, и трети, разположени успоредно на дългите си страни като вторият контакт е централен, а първият и третият са симетрични спрямо него, измерваното магнитно поле е успоредно както на равнината на подложката, така и на дългите страни на правоъгълните й контакти, ХАРАКТЕРИЗИРАЩ СЕ с това, че има още втора полупроводникова подложка (3) с и-тип примесна проводимост, идентична с първата (2) като те са разположени успоредно една спрямо друга, върху едната страна на втората подложка (3) също има от ляво надясно последователно на равни разстояния три правоъгълни омични контакти - първи (5), втори (7) и трети (9), които са успоредни на дългите си страни и са еднакви с тези от първата подложка (2), откъм външните страни на първите (4) и (5), и третите (8) и (9) контакти са въведени в близост и успоредно до тях още по една високопроводима буферна зона (10), (11), (12) и (13) с правоъгълна форма, дължините на които са еднакви с тези на контакти (4), (5), (6), (7), (8) и (9), а ширините им са най-малко два пъти по големи от тези на контакти (4), (5), (6), (7), (8) и (9), първият контакт (4) от първата подложка (2) е свързан с третия контакт (9) от втората (3), а третият контакт (8) от подложка (2) е съединен с първия контакт (5) от втората (3), буферната зона (10) откъм страната на първия контакт (4) в подложка (2) е свързан с буферната зона (13) откъм третия контакт (9) на втората подложка (3), а буферната зона (11) откъм третия контакт (8) на подложка (2) е съединен с буферната зона (12) откъм първия контакт (5) на подложка (3), централните контакти (6) и (7) са свързани с изводите на токоизточника (1), който е в режим генератор на ток, а третите контакти (8) и (9) са диференциалният изход (15) на микросензора на Хол.