BG67782B1 - Сдвоен микросензор на хол - Google Patents

Abstract

Сдвоеният микросензор на Хол съдържа тънка n-тип полупроводникова подложка (1) с форма на паралелепипед. Върху дългите й страни са формирани на равни разстояния и симетрично един срещу друг по три омични контакти - първи (2) и втори (3), трети (4) и четвърти (5), пети (6) и шести (7), като четните им номера са върху едната страна, а нечетните - на срещуположната. Първият (2) и вторият (3), и съответно петият (6) и шестият (7) контакт са свързани, като първият (2) и петият (6) контакт са съединени с изводите на един източник (8) в режим на генератор на постоянен ток. Третият (4) и четвъртият (5) контакт са диференциалният изход (9) на микросензора на Хол, като външното магнитно поле (10) е перпендикулярно на равнината на подложката (1).

Description

Област на техниката

Изобретението се отнася до сдвоен микросензор на Хол, приложимо в областта на роботиката; системите за сигурност с изкуствен интелект; квантовата комуникация; роботизираната и минимално инвазивната хирургия; слабополевата и високоточната магнитометрия; автомобилната промишленост, включително хибридните превозни средства и електромобилите; навигацията; автоматизацията в това число безконтактната автоматика; в подводните, наземните и въздушните системи за наблюдение и превенция; контратероризма и др.

Предшестващо състояние на техниката

Известен е сдвоен микросензор на Хол, съдържащ тънка n-тип полупроводникова (силициева) подложка с форма на паралелепипед. Върху дългите й страни са формирани на разстояния и симетрично един срещу друг четири двойки омични контакти, съответно първи и втори, трети и четвърти, пети и шести, седми и осми, като контактите с четни номера са върху едната страна, а нечетните - на срещуположната. Двойките първи и пети, и съответно втори и шести контакти са свързани с по един токоизточник в режим генератор на напрежение. Двойките трети и седми, и съответно четвърти и осми контакт формират два диференциални изхода. Те са съединени с неинвертиращите входове на два операционни усилватели, изходите на които са свързани с входа на инструментален усилвател с функция на суматор, изходът на който е изход на микросензора на Хол. Външното магнитно поле е перпендикулярно на равнината на подложката, [1 - 5].

Недостатък на този сдвоен микросензор на Хол е редуцираната измервателна точност поради високите стойности на паразитните изходни напрежения на двата диференциални изхода в отсъствие на магнитно поле (офсети). Основните причини са, че двойките трети и седми, и съответно четвърти и осми контакти заемат структурно асиметрично положение спрямо траекториите на двата захранващи тока в подложката. Другата причина е технологична - несъвършенства в легирането, механични напрежения от метализацията и корпусирането на чипа, пиезосъпротивление, несъосност на маските при фотолитографията, температурни градиенти и флуктуации, стареене и др. Всичко това води до намалената метрологична точност чрез офсета.

Недостатък е също усложненият интерфейс, включващ освен два отделни токоизточника, но и операционни усилватели, изпълняващи ролята на повторители на изходните сигнали - по един за двата диференциални изхода на микросензора. Холовите напреженията от двата изхода са с противоположни знаци, докато офсетите са почти еднакви по стойност и с един и същ знак. Третият усилвател е с функция на изваждане (суматор) на напреженията на Хол от изходите на първите два, като този интерфейс минимизира офсета [3, 4].

Техническа същност на изобретението

Задача на изобретението е да се създаде сдвоен микросензор на Хол, който да е с висока измервателна точност чрез компенсиране на офсета и с опростен интерфейс.

Тази задача се решава със сдвоен микросензор на Хол, съдържащ тънка n -тип полупроводникова подложка с форма на паралелепипед. Върху двете дълги страни на подложката: са формирани на равни разстояния и симетрично един срещу друг по три омични контакти - първи и втори, трети и четвърти, пети и шести, като четните им номера са върху едната страна, а нечетните на срещуположната. Първият и вторият, и съответно петият и шестият контакт са електрически свързани, като първият и петият контакт са съединени е изводите на източник в режим на генератор на постоянен ток. Третият и четвъртият контакт са диференциалният изход на микросензора на Хол като външното магнитно поле е перпендикулярно на равнината на подложката.

Предимство на изобретението е повишената измервателна точност поради съществено минимизирания офсет на изхода от симетрично разположените двойки изходни контакти, спрямо токовите траектории между първите и третите електроди. При това третият и четвъртият терминал са разположени по средата между захранващите контакти и са структурно симетрични спрямо токовите линии.

Предимство е също опростената схема на захранване, съдържаща само един източник на постоянен ток и отпада необходимостта от интерфейса, съдържащ операционни усилватели, тъй като офсетите са компенсирани чрез структурната симетрия на сензора и разположението им спрямо токовите линии.

Предимство е още температурната стабилизация на изхода, запазваща стойността на магниточувствителността в определен температурен диапазон АТ, когато микросензорът на Хол функционира в режим на генератор на постоянен ток.

Предимство е и намаленият брой контакти - от осем на шест, подобряващ пространствената резолюция на конфигурацията.

Пояснение на приложената фигура

По-подробно изобретението се пояснява с едно негово примерно изпълнение, дадено на приложената фигура 1, представляваща схематичен план на сдвоения микросензор на Хол.

Примери за изпълнение на изобретението

Сдвоеният сензор на Хол, съдържа тънка n -тип полупроводникова подложка 1 с форма на паралелепипед. Върху двете дълги страни на подложката 1 са формирани на равни разстояния и симетрично един срещу друг по три омични контакти - първи 2 и втори 3, трети 4 и четвърти 5, пети 6 и шести 7, като четните им номера са върху едната страна, а нечетните - на срещуположната. Първият 2 и вторият 3, и съответно петият 6 и шестият 7 контакт са електрически свързани, като първият 2 и петият 6 контакт са съединени с изводите на източник 8 в режим на генератор на постоянен ток. Третият 4 и четвъртият 5 контакт са диференциалният изход 9 на микросензора на Хол, като външното магнитно поле 10 е перпендикулярно на равнината на подложката 1.

Действието на сдвоения микросензор на Хол, съгласно изобретението, е следното. При включване на контакти 2 - 3 и 6 - 7 към генератора на постоянен ток 8 и симетричното разположение на изходните контакти 4 и 5 спрямо захранващите 2 и 6, и съответно 3 и 7, в тънката n -тип подложка 1 протичат два еднакви и съпосочни токови компонента 1₂,₆ = 13,7, фигура 1. Траекториите на токове 1₂,₆ и 13,7 са криволинейни. Тази особеност е в резултат на еквипотенциалността на омичните електроди 2 и 6 и съответно 3 и 7 в отсъствие на магнитно поле В 10. Токовите линии 1₂,6 и 13,7 първоначално са насочени вертикално навътре в подложката 1, след което стават успоредни на дългите срещуположни страни. В резултат на равенството на разстоянията между електроди 2 - 4 - 6 и 3 - 5 - 7, и еднаквите по стойност компоненти 1₂,6 = 13,7, потенциалите върху захранващите контакти 2 и 5, и съответно 3 и 7 имат едни и същи стойности, V₂ = V₅, и V3 = V₇. Същевременно изходните терминали на микросензора на Хол 4 и 5 са разположени по средите между електроди 2 - 6 и съответно 3 - 7. В конкретния случай двете конфигурации контакти 2 - 4 - 6 и 3 - 5 - 7 формират два триконтактни елемента на Хол с равнинна чувствителност [6]. Те са разположени в обща преобразувателна зона. Така физическите свойство на сензорния обем в подложката 1 са едни и същи и за двата елемента.

Следователно при равни токове 12,6 = 13,7 и електрическото свързване на първия 2 с втория 3 и съответно на петия 6 с шестия 7 контакт, води до максимално усредняване и компенсиране на потенциалите между двата извода 4 и 5 на изхода 9 на конфигурацията за нулево поле В = 0, 10. Ето защо офсетът чрез това иновативно свързване е съществено компенсиран. По тези причини измервателната точност е повишена за целите на слабополевата и високоточната магнитометрия. Същевременно използването на един токоизточник вместо два опростява захранването на сдвоения микросензор, фигура 1.

Наличието на външно магнитно поле В # 0, 10 води до възникване на странично отклонение от силите на Лоренц, Fщ = qV_dr х В в равнината на подложката 1 на движещите се носители от компоненти 1₂,₆ и 1₃,₇, където q е елементарният товар на електрона, a Vdr е векторът на средната дрейфова скорост на електроните. В резултат на специфичната сензорна конструкция и посоките на полето В 10 и токовете 1₂,₆ и 1₃,₇, Лоренцовото отклонение F_L на успоредните токови линии на дългите странични повърхности за едната компонента, напрмер 12,6, е в режим на „свиване”, а за другата 13,7 - в режим на „разширяване”. Това води до генериране на допълнителни потенциали с противоположен знак в областите, където са разположени изходните контакти 4 и 5. Така възникналото напрежение на Хол V_H9(B) на изхода 9 е метрологичният индикатор за индукцията В и посоката на магнитното поле В 10. Съгласно Фигура 1, захранването на микросензора е само с един токоизточник вместо с два, както е при известното решение. Също отсъства обработващ изходното напрежение Vh9(B) 9 интерфейс. Тази опростена схемотехника разширява практическата приложимост на сдвоения сензор на Хол.

При захранване с токоизточник 8 в режим генератор на постоянен ток 1₈ = const се осъществява съществено редуциране на температурното изменение на съпротивлението R(T), на подложката 1, респективно дрейфът на офсета. Температурната стабилизация на магниточувствителността S на двата обединени триконтактни сензорни елемента е в резултат на захранващия режим генератори на постоянен ток 1₂,₆ = const и 1₃,₇ = const. Този режим запазва постоянство на концентрацията n ₀ на електроните в транспортния процес, както и минимизиране на температурното изменение на подвижността μ_n(Т) им. Така се постига непроменена в първо приближение чувствителност в широк температурен обхват ΔТ без каквито и да са допълнителни електронни схеми и компоненти. Повишената точност увеличава метрологичната резолюция за детектиране на минималната стойност на магнитната индукция В _min. Анализът показва, че сдвоеният микросензор на Хол в действието си демонстрира дуализъм. От една страна активизирането е с ортогонално на подложката 1 магнитно поле В 10, но от друга - функционирането е като равнинно-чувствителния (вертикален) триконтактен елемент на Хол, [1 - 6]. Практическата целесъобразност на това комбинирано свойство е, че дебелината на корпуса заедно с микросензора в посока на магнитното поле е минимална, в сравнение с равнинно-чувствителните Холови модификации. Този дуализъм разширява конструктивните решения в автоматизацията на процесите.

Неочакваният положителен ефект на новото техническо решение е в опростените електрически връзки, обединяващи и компенсиращи различаващи се потенциали на двойката изходни контакти 4 и 5, редуциращи офсетът. При това захранването е опростено. Режимът генератор на ток запазва магниточувствителността в широки температурни граници.

Сензорната конфигурация на Хол може да се осъществи с различните модификации на интегралната силициева технология - CMOS, BiCMOS, SOS, а при необходимост може да се използват микромашининг процеси. Тънката правоъгълна n -тип силициева пластина 1 може да се ограничи чрез вграждане плътно около нея на p -тип правоъгълен ринг. Така ще се минимизира разтичането по повърхността на структурата 1 на захранващите токове.

Новата конфигурация от фигура 1 е работоспособна и в областта на ниските температури, например, температурата на кипене на течния азот Т = 77 К. Това разширява сферата на приложимост за целите на криотрониката, особено в слабополевата магнитометрия и контратероризма. За още по-висока чувствителност в геофизиката на земния магнетизъм, чипът 1 с конфигурацията на Хол може да се разположи между два еднакви продълговати концентратори на магнитното поле В 12 от ферит или μ-метал.

Claims (1)

1. Патентни претенции

   1. Сдвоен микросензор на Хол, съдържащ тънка n-тип полупроводникова подложка с форма на паралелепипед и токоизточник, върху двете дълги страни на подложката са реализирани на разстояния и симетрично един срещу друг двойки омични контакти, като четните им номера са върху едната страна, а нечетните на срещуположната, като външното магнитно поле е перпендикулярно на равнината на подложката, характеризиращ се с това, че двойките омични контакти са три - първи (2) и втори (3), трети (4) и четвърти (5), пети (6) и шести (7) като са формирани на равни разстояния, първият (2) и вторият (3), и съответно петият (6) и шестият (7) контакт са електрически свързани, като първият (2) и петият (6) са съединени с изводите на тоизточник (8), който е един и е в режим генератор на постоянен ток, а третият (4) и четвъртият (5) контакт са диференциалният изход (9) на микросензора на Хол.