BG113877A - Вертикален микросензор на хол - Google Patents

Abstract

Вертикалният микросензор на Хол съдържа токоизточник (1) и две еднакви полупроводникови правоъгълни подложки - първа (2) и втора 3 с n-тип примесна проводимост. Върху едната от основните им страни са формирани последователно от ляво на дясно по три правоъгълни омични контакти - първи (4) и (5), втори (6) и (7), и трети (8) и (9), разположени на равни разстояния един от друг и успоредно на дългите си страни. Вторите контакти (6) и (7) са централни и спрямо тех симетрично от двете им дълги страни са разположени другите двойки (4) и (5), и (8) и (9) контакти. Всяка от срещуположните страни на тези с контактите (4), (5), (6), (7), (8) и (9) съдържа високопроводящ буферен слой (10) и (11). Двата трети контакта (8) и (9) са електрически свързани помежду си като първите контакти (4) и (5) са съединени с изводите на токоизточника (1). Измерваното магнитно поле (12) е успоредно както на основните равнини на подложки (2) и (3), така и на дългите страни на правоъгълните контакти (4), (5), (6), (7), (8) и (9), а двата централни контакта (6) и (7) са диференциалният изход (13) 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 сензориката; медицината в това число роботизираната и минимално инвазивната хирургия; квантовата комуникация; системите за сигурност с изкуствен интелект; навигацията; космическите изследвания; безконтактната автоматика включително дистанционното измерване на ъглови и линейни премествания; многомерната, слабополевата и високоточната магнитометрия; електромобилите и хибридните превозни средства; автоматизацията на процеси и машини; контратероризма; военното дело и др.

ПРЕДШЕСТВАЩО СЪСТОЯНИЕ НА ТЕХНИКАТА

Известен е вертикален микросензор на Хол, съдържащ токоизточник в режим на постоянно напрежение и правоъгълна полупроводникова подложка с и-тип примесна проводимост. Върху едната й основна 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 микросензора на Хол, [1-8].

Ограничение на този вертикален микросензор на Хол е понижената магниточувствителност поради редуцираното изходно напрежение на Хол от разделяне на захранващия през централния контакт ток на две равни от симетрията наляво и надясно компоненти. По тази причина въздействието на магнитното поле чрез силата на Лоренц създава на изхода значително по-нисък сигнал в сравнение ако целият ток (а не половината от него) участва в генерирането едновременно и на двата Холови потенциала, формиращи диференциалното изходно напрежение.

Ограничение е също усложнената технологична реализация на вертикалния микросензор поради несъвместимост на интегралните процеси за формиране на планарните омични контакти от една страна, и на тези от друга за реализиране на двата товарни резистора върху полупроводниковия чип (подложка).

Ограничение е още понижената измервателна точност от наличие на паразитно напрежение на изхода в отсъствие на магнитно поле (офсет), в резултат на неминуема геометрична и електрична асиметрия от разположението на изходните контакти спрямо централния. Основните причини за този метрологичен проблем са технологични — несъвършенства в легирането на полупроводниковия чип, несъосност на маските при фотолитографията, механични напрежения, които най-често са от метализация и корпусиране на чипа, съдържащ микросензора на Хол, температурни градиенти, флуктуации, миграция на легиращите примеси в обема и повърхността на чипа, стареене и др.

ТЕХНИЧЕСКА СЪЩНОСТ

Задача на изобретението е да се създаде вертикален микросензор на Хол с повишена магниточувствителност, опростена и съвместима с интегралните процеси технологична реализация, и компенсиран офсет.

Тази задача се решава с вертикален микросензор на Хол, съдържащ токоизточник и две еднакви полупроводникови подложки - първа и втора е и-тип примесна проводимост и правоъгълна форма. Върху едната от основните им страни са формирани последователно от ляво на дясно по три правоъгълни омични контакти - първи, втори и трети, разположени на равни разстояния един от друг и успоредно на дългите си страни. Вторите контакти са централни и спрямо тех симетрично от двете им дълги страни са разположени другите двойки контакти. Всяка от срещуположните страни на тези с контактите съдържа високопроводящ буферен слой. Двата трети контакта на първата и втората подложка са електрически свързани помежду си като двата първи контакта са съединени с изводите на токоизточника. Измерваното магнитно поле е успоредно както на основните равнини на подложките, така и на дългите страни на правоъгълните контакти, а двата централни контакта са диференциалният изход на микросензора на Хол.

Предимство на изобретението е съществено по-високата чувствителност поради действието на магнитното поле чрез силата на Лоренц върху целия захранващ ток в двете подложки, конструкцията на които не изисква разделянето му на отделни компоненти. Това води до генериране на два пъти по-голямо диференциално напрежение на Хол, а чрез високопроводящите буферни слоеве токовите траектории са удължени, което повишава ефективността на магнитното въздействие.

Предимство е също опростената технологична реализация на микросензора поради отпадане на необходимостта от формиране на товарни резистори в конфигурацията на Хол.

Предимство е още високата измервателна точност от компенсирания офсет на микросензора на Хол в резултат минимизирането на паразитните потенциали в двете подложки от електрическото свързване на двата трети контакта и наличието на високопроводящи слоеве.

Предимство освен това е температурно стабилизираната магниточувствителност поради режима на захранване генератор на постоянен ток. Той се постигна със значително повишеното общо съпротивление на микросензора в резултат на последователно свързаните подложки през третите контакти. Този работен режим запазва постоянство на концентрацията на електроните в транспортния и галваномагнитния процес в подложките и минимизира температурното изменение на подвижността на токоносителите. Така се гарантира непроменена конверсията на магнитното поле в електричен сигнал в широк температурен обхват без допълнителни схеми и компоненти. Освен това остатъчният дрейф на офсета също е редуциран съществено и е сведен под стандартната грешка на този клас магниточувствителни сензори.

Предимство е и подобрената метрологична резолюция на микросензора на Хол за измерване на минималната магнитна индукция B_min в резултат на едновременно повишените магниточувствителност и отношение сигнал/шум от редуцираните офсет и температурен дрейф. Това осигурява по-детайлно и точно картографиране на равнинната и пространствената топология на магнитното поле в приложенията.

ОПИСАНИЕ НА ПРИЛОЖЕНИТЕ ФИГУРИ

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

ПРИМЕРИ ЗА ИЗПЪЛНЕНИЕ

Вертикалният микросензор на Хол съдържа токоизточник 1 и две еднакви полупроводникови подложки - първа 2 и втора 3 с и-тип примесна проводимост и правоъгълна форма. Върху едната от основните им страни са формирани последователно от ляво на дясно по три правоъгълни омични контакти - първи 4 и 5, втори 6 и 7, и трети 8 и 9, разположени на равни разстояния един от друг и успоредно на дългите си страни. Вторите контакти 6 и 7 са централни и спрямо тех симетрично от двете им дълги страни са разположени другите двойки 4 и 5, и 8 и 9 контакти. Всяка от срещуположните страни на тези с контактите 4, 5, 6, 7, 8 и 9 съдържа високопроводящ буферен слой 10 и 11. Двата трети контакта 8 и 9 на първата 2 и втората 3 подложка са електрически свързани помежду си като първите контакти 4 и 5 са съединени с изводите на токоизточника 1. Измерваното магнитно поле 12 е успоредно както на основните равнини на подложки 2 и 3, така и на дългите страни на правоъгълните контакти 4, 5, 6, 7, 8 и 9, а двата централни контакта 6 и 7 са диференциалният изход 13 на микросензора на Хол.

Действието на вертикалния микросензор на Хол, съгласно изобретението, е следното. След включване на двата първи контакта 4 и 5 към токоизточника 1, в обема на двете подложки 2 и 3 протича захранващ ток. Той е един и същ както за първата 2, така и за втората 3 подложка. Предвид способа на свързване на контакти 8 и 9, посоката на тока в подложки 2 и 3 е противоположна, /_4<8 = |- /_9ι5|. Освен това конструкцията на микросензора, Фигура 1, не налага разделяне на захранващия ток на отделни компоненти, както е в известното решение. Планарните контакти и 8, и съответно 5 и 9 представляват еквипотенциални равнини. В отсъствие на външно магнитно поле В 12, В = 0, токовете през тях са винаги перпендикулярно насочени спрямо горните страни на подложки 2 и 3, прониквайки дълбоко в обемите им. Например, в силициевите структури при фиксирана концентрация на легиращите донорни примеси N_D ~ 10¹⁵ cm'³ = const в подложки 2 и 3, дълбочината на проникване зависи и от съотношението между ширината на контакти 4, 8, 5 и 9 и разстоянието между тях Z₄-8 и /₅.₉. Максималната дълбочина при концентрация N_D ~ 10¹⁵ cm'³ и оптимизирани геометрични размери достига средно около 35 pm. Между контактите 4 и 8 и съответно 5 и 9 токовите линии в първо приближение са успоредни на горните страни на подложки 2 и 3, минавайки под централните контакти 6 и 7, Фигура 1. В резултат траекториите на токоносителите са криволинейни, [2-6]. От друга страна високопроводящите с плаващ потенциал буферни слоеве 10 и 11 допълнително увеличават проникването на токовите линии в подложки 2 и 3.

Основен фактор, редуциращ точността в полупроводниковата сензорика на магнитното поле В 12 е паразитното напрежение на диференциалния изход 13 в отсъствие на поле В = 0 - офсет или офсет грешка. Неговият генезис е неминуемата геометрична и електрична асиметрия в разположението на изходните контакти 6 и 7 спрямо електроди 4 - 8, и съответно 5-9. Друга причина за този сензорен 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 в обема и повърхността, стареене и др. В резултат на изхода 13 на микросензора на Хол присъства паразитен офсет V_H6,7(^=0) ^Ξ Ун1з(А=0) # 0. От друга страна характерна особеност на офсета V_o{^B=0) е, че в измерването той е неотличим от метрологичния сигнал, т.е. от напрежението на Хол УндзСВ)· Неговото компенсиране най-често се осъществява чрез метода на токовия спининг [7,9,10], който обаче изисква нетривиална електронна схемотехника. Тя включва запомняща сигналите архитектура simple and hold (избор и съхранение). Всичко това усложнява отстраняването на офсета. Този метод не корелира с несложния принцип на функциониране на тези микросензори - ефектът на Хол. В новото решение е избран подход, максимално опростяващ минимизирането на офсета. Връзката на контакти 8 и 9 определя един и същ ток /_4;8 = |-/₉₅| _в двете подложки 2 и 3. Същевременно това непосредствено свързване изравнява евентуални паразитни потенциали. Ето защо се постига минимизиране на офсета самоизравняване на потенциалите в областите, откъдето се снема изходното (информационното) напрежение на Хол ЕнвдС^) 13.

Допълнително редуциране на офсет-грешката на изхода 13 се постига чрез буферните слоеве 10 и 11.

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 токовите линии по цялата дължина на нелинейните им траектории. Причина за това е действието на силите на Лоренц F_Lj, F_l = gV_dr x В, където q е елементарният товар на електрона, а V_dr е векторът на средната дрейфова скорост на електроните в подложки 2 и 3, [2-7]. Този способ за магнитно активизиране на елементите на Хол дава наименование на този клас микросензори - равнинномагниточувствителни или вертикални. На Фигура 1 магнитният вектор В 12 е перпендикулярен на напречните сечения на подложки 2 и 3. В резултат на Лоренцовото отклонение от силите F_Lj, в зависимост от посоките на токове /_4;8 и -/_9;5, и на магнитното поле В 12, 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, там където са разположени контакти 6 и 7, се генерират едновременно равни по стойност, но с противоположен знак Холови потенциали φβ(Β) и - ^₇(В), ^б(^) = |- ^7(^)1· Фактически измерваното магнитно поле В 12 нарушава електрическата симетрия на токовите траектории. Следователно в резултат на Лоренцовото отклонение върху диференциалния изход 13 на микросензора възниква диференциалното напрежение на Хол V₆₇(B) Ун,1з(В). Този сигнал е линейна и нечетна функция от силата на тока Z_4>8 ^s |- /9,5) и на магнитното поле В 12. Поради невисоката подвижност на електроните μπ в силиция не могат да се очакват съществени стойности на чувствителността S при стайна температура, μη(Τ = 300 К) ~ 1250 erne’s'¹. Както е добре известно преобразувателната ефективност или чувствителността S е право пропорционална на подвижността μη на електроните, S ~ μ_η, [5,6,11]. Тъй като конструкцията на микросензора не изисква разделяне на тока /₄₈ = |- /₉,₅| на отделни компоненти, и един и същ ток генерира двата Холови потенциали, това води до два пъти по-голямо диференциално напрежение. Високопроводящите буферни слоеве 10 и 11 допълнително удължават токовите траектории, което повишава ефективността на магнитното въздействие.

В конфигурацията на Хол, Фигура 1, отсъстват резистори, което опростява реализацията с интегралните микроелектронни процеси. Предвид силно редуцирания офсет на изхода 13 както и повишената магниточувствителност, собственият 1// (фликер) шум на изходните контакти 6 и 7 намалява и отношението сигнал/шум S/N нараства. Така резолюцията за детектиране на минималната магнитна индукция B_min се увеличава. Повишената чувствителност и редуцираният офсет неутрализират във висока степен този метрологичен проблем.

Новият вертикален микросензор на Хол е е температурно стабилизирана магниточувствителност поради осъществения режим на захранване генератор на постоянен ток, /_4>8 ^Ξ )-/9,5( = const. Това функциониране е в резултат от последователното свързване чрез контакти 8 и 9 на подложки 2 и 3. Увеличеното омично съпротивление R_in обуславя постоянство на захранващия ток. Когато температурата Т намалява, входното съпротивление Ri_n на микросензора, Фигура 1, също се редуцира, R_in ~ 1/(ψψ_η), R_in ~ 1/μ_η, където μ_η е електронната подвижност, [5,11]. Електричното поле E_s в подложките 2 и 3 при постоянен захранващ ток /_4;8 = (-/9,5( = const и понижена температура Т също намалява в сравнение със стайната Т = 300 К, E_s ~ /4,8· Rin, E_s ~ V_dr. В съответствие с добре известния израз V_dr = μη-Es, ако подвижността μ_η нарасте, например 5 пъти, а полето E_s намалее също толкова, дрейфовата скорост на електроните V_d и тяхната концентрация п не следва да се променят. Следователно в първо приближение факторите, отговорни за чувствителността като сила на Лоренц /\. подвижност μ_η, дрейфова скорост V_d остават практически непроменени в режим /₄,₈ ^Ξ -Ζ95 = const, [5-7,11]. По тези причини преобразувателната ефективност запазва стойността си при изменение на температурата. Така се гарантира непроменена конверсията на магнитното поле в електричен сигнал в широк температурен обхват ΔΤ без допълнителни схеми и компоненти.

Неочакваният положителен ефект на новото техническо решение се заключава в оригиналното решение на конфигурацията на микросензора на Хол, Фигура 1. По този начин се осъществява компенсиране на остатъчния офсет на изхода 13, повишава се точността на измерването на магнитното поле 12. Чрез режима на постоянен ток са отстранени характерни сензорни дефекти като температурното изменение на чувствителността и дрейфа на изхода, повишена е метрологичната резолюция B_min и др.

Вертикалният микросензор на Хол може да се реализира с CMOS или BiCMOS технологии. Функционирането на новото сензорно решение е осъществимо в широк температурен интервал, включително при криогенни температури. Предвид универсалния характер на микросензора на Хол, той е приложим за целите на многомерната магнитометрия, подобрявайки метрологичните й характеристики. За още по-висока чувствителност за целите на контратероризма, чипът със сензорната архитектура се разполага между два еднакви продълговати концентратори на магнитното поле В 12 от ферит или μ-метал. Ефектът от това усилване достига 80 - 100 пъти.

ПРИЛОЖЕНИЕ: една фигура

ЛИТЕРАТУРА

[1] Ч.С. Руменин, П.Т. Костов, Планарен датчик на Хол, Авт. свид. № BG 37208 В1/26.12.1983.

[2] C.S. Roumenin, Parallel-field triple Hall device, Compt. rendus ABS, 39(11) (1986) 65-68.

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

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

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

[6] C. Roumenin, 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.

[7] T. Kaufmann, On the offset and sensitivity of CMOS-based five-contact vertical Hall devices, MEMS Technology and Engineering, v. 21, Der Andere Verlag, 2013, p. 147; ISBN: 978-3-86247-374-8.

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

[9] E. Ramsden, Hall-Effect Sensors - Theory and Application, Elsevier, New York, 2006, 2^nd ed.; ISBN: 978-0-7506-7943-3.

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

[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 и-тип примесна проводимост, върху една от основните й страни 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 контакта, измерваното магнитно поле е успоредно както на основната равнина на подложката, така и на дългите страни на правоъгълните контакти, ХАРАКТЕРИЗИРАЩ СЕ с това, че има още една втора полупроводникова подложка (3) еднаква с първата (2), върху една от основните страни на която са формирани последователно от ляво на дясно три правоъгълни омични контакти първи (5), втори (7) и трети (9), всяка от срещуположните страни на тези с контактите (4), (5), (6), (7), (8) и (9) съдържа високопроводящ буферен слой (10) и (11), двата трети контакта (8) и (9) на първата (2) и втората (3) подложка са електрически свързани помежду си като двата първи контакта (4) и (5) са съединени с изводите на токоизточника (1), а двата централни контакта (6) и (7) са диференциалният изход (13) на микросензора на Хол.