BG110959A

BG110959A - Двоен полупроводников сензор на хол

Info

Publication number: BG110959A
Application number: BG10110959A
Authority: BG
Inventors: Сия ЛОЗАНОВА; Чавдар РУМЕНИН
Original assignee: Институт По Системно Инженерство И Роботика-Бан
Priority date: 2011-06-06
Filing date: 2011-06-06
Publication date: 2012-12-28
Also published as: BG66560B1

Abstract

Двоен полупроводников сензор на Хол, съдържащ n-тип полупроводникова подложка (1) с правоъгълна форма, върху едната страна на която са разположени омични контакти, като магнитното поле е перпендикулярно към подложката. Върху подложката (1) с формиран първи централен контакт (2), в четирите й ъглови области са разположени още по един контакт - втори (3), трети (4), четвърти (5) и пети (6), като двойките контакти - вторият (3) и четвъртият (5), и съответно третият (4) и петият (6) са симетрични спрямо централния контакт (2). Вторият (3) и третият (4), и съответно четвъртият (5) и петият (6) контакти са свързани с еднакви по стойност товарни резистори (7, 8, 9 и 10), като резисторите (7 и 8) са свързани към втория (3) и третия (4), и съответно резисторите (9 и 10) - към четвъртия (5) и петия (6) контакт, като резисторите по двойки са съединени и с двата извода на токоизточник (11). Разположените спрямо една от дългите страни на правоъгълната равнина втори (3) и пети (6) омични контакти са свързани помежду си, като третият (4) и четвъртият (5) контакт са изходът (13) на двойния сензор на Хол.

Description

ОБЛАСТ НА ТЕХНИКАТА

Изобретението се отнася до двоен полупроводников сензор на Хол е редуциран офсет, приложимо в областта на контролно-измервателната технология, слабополевата магнитометрия, сензориката, микро- и наноелектрониката, безконтактната автоматика, уредостроенето, енергетиката, медицината, електротехниката, военното дело, системите за сигурност и др.

ПРЕДШЕСТВАЩО СЪСТОЯНИЕ НА ТЕХНИКАТА

Известен е двоен полупроводников сензор на Хол, съдържащ тънка правоъгълна полупроводникова подложка с w-тип проводимост, върху двете дълги срещуположни страни на която една срещу друга са формирани симетрично две групи омични контакти, всяка с по четири контакта - първи, ^{w ж} · ·· 9 9 · .

втори, трети и четвърти. Всеки първй*и* трета койтаюйюъЦвете групи е свързан с отделен източник на ток като двата втори контакта са непосредствено свързани помежду си. Двата четвърти контакта са изходът на двойния сензор на Хол, а външното магнитно поле е приложено перпендикулярно на равнината на подложката, [1,2].

Недостатък на този двоен полупроводников сензор на Хол е сложната му конструкция, изискваща осем омични контакта и два отделни източника на ток.

ТЕХНИЧЕСКА СЪЩНОСТ

Задача на изобретението е да се създаде двоен полупроводникв сензор на Хол с опростена конструкция чрез редуциране броя както на омичните контакти, така и на токоизточниците.

Тази задача се решава с двоен полупроводников сензор на Хол, съдържащ тънка полупроводникова подложка с правоъгълна форма и п- тип проводимост, върху едната страна на която в центъра й е формиран първи централен омичен контакт. Върху същата правоъгълна равнина в четирите й ъглови области са разположени последователно още по един омичен контакт втори, трети, четвърти и пети като двойките диагонални контакти вторият и четвъртият, и съответно третият и петият са симетрични спрямо централния. Вторият и третият, и съответно четвъртият и петият контакт са свързани с еднакви по стойност товарни резистори като резисторите към втория и третия, и съответно резисторите към четвъртия и петия контакт са съединени с двата извода на токоизточник. Разположените спрямо една от дългите страни на правоъгълната равнина втори и пети омични контакти са свързани по между си, външното магнитно поле е приложено перпендикулярно към равнината на подложката като третият и четвъртият контакт са изходът на двойния сензор на Хол.

Предимство на изобретението е опростената му конструкция поради редуцираният брой контакти - само пет и отпадане на необходимостта на единия от токоизточниците.

ОПИСАНИЕ НА ПРИЛОЖЕНИТЕ ФИГУРИ

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

Claims

ПРИМЕРИ ЗА ИЗПЪЛНЕНИЕ

Двойният полупроводников сензор на Хол съдържа гънка полупроводникова подложка 1 с правоъгълна форма и п- тип проводимост, върху едната страна на която в центъра й е формиран първи централен омичен контакт 2. Върху същата правоъгълна страна, в четирите й ъглови области са разположени последователно още по един омичен контакт втори 3, трети 4, четвърти 5 и пети 6 като двойките диагонални контакти вторият 3 и четвъртият 5, и съответно третият 4 и петият 6 са симетрични спрямо централния 2. Вторият 3 и третият 4, и съответно четвъртият 5 и петият 6 контакт са свързани ·♦ · « ·· • · · · · ί 4·« *; ·· • ·· · · · · · * · _φ j с еднакви по стойност товарни резистори 7»и’8$<и 9 иНО.йато резисторите 7 и 8 към втория 3 и третия 4, и съответно резисторите 9 и 10 към четвъртия 5 и петия 6 контакт са съединени с двата извода на токоизточник fl.

Разположените спрямо една от дългите страни на правоъгълната равнина втори

3 и пети 6 омични контакти са свързани по между си, външното магнитно поле 12 е приложено перпендикулярно към равнината на подложката 1 като третият

4 и четвъртият 5 контакт са изходът 13 на двойния сензор на Хол.

Действието на двойния полупроводников сензор на Хол, съгласно изобретението, е следното.

При свързването на омичните контакти 3, 4, 5 и 6 с централния контакт 1 през еднаквите по стойност двойки резистори 7 и 8, и съответно 9 и 10, и токоизточника 11, в w-тип правоъгълната полупроводникова подложка 1, вследствие структурната и електрическата симетрия на сензора, протичат четири еднакви по стойност компоненти /₂.з, А.4, Лд и /₂₆ на захранващия ток Aupb А.з + А.4 + А,5 + А.б ⁼ Aupi, А,з = А.4 = А,5 = А.б· Стойността на еднаквите товарни резистори 7, 8, 9 и 10 е на един порядък по-голяма от вътрешното съпротивление на сензорната област между контактите 2, 3, 4, 5 и 6. По този начин двойният сензор на Хол е в режим генератор иа ток, Z_supi = const. Анализът на действието на структурата от Фигура 1 показва, че в нея функционално са интегрирани два еднакви елемента на Хол с ортогонална ос на магниточувствителност. Първият е изграден от първия централен 2, втория 3 и третия 4 контакт заедно със съответните резистори 7 и 8, и токоизточника

11. Вторият включва централния 2, четвъртия 5 и петия 6 контакт, заедно с разистори 9 и 10, и токоизточника 11. Диференциални изходи К_зл и И₅₆ на тези два елемента на Хол са двойките омични контакти 3 и 4, и съответно 5 и 6. В резултат на симетрията, в отсъствие на външно магнитно поле В 12, В = 0, се очаква да отсъстват офсети, т.е. паразитни изходни сигнали, нямащи отношение към метрологията на магнитното поле. В случай, че възникнат тези паразитни и неносещи метрологична информация напрежения, основно от технологичната реализация на двойния сензор на Хол, те лесно се компенсират (нулират) чрез тримиране (вариране на един или два от резисторите 7, 8, 9 и 10).

Когато се приложи външно магнитно поле В 12, В > 0, перпендикулярно към равнината на полупроводниковата подложка 1, силата на Лоренц F_L = q Kd_r х В странично отклонява движещите се с дрейфова скорост V_di електрони в двете симетрични спрямо централния контакт 2 части на структурата. В резултат двойките токови компоненти А.з ^и А.4, ^и съответно /25 и /2 6 се отклоняват, например по часовниковата стрелка в равнината на подложката 1. Ако товарните резистори 7, 8, 9 и 10 отсъстваха, този процес води до нарастване на тока, например през контакт три 4 и едновременно намаляване на тока със същата стойност през втория контакт 3. Същото поведение е в сила и за другия елемент на Хол - токът през петия контакт 6 нараства като през четвъртия 5 намалява. Понеже работният режим на сензора е генератор на ток Aupi ⁼ const, еквивалентната реакция от действието на силата на Лоренц FL е промяна в потенциалите върху контакти 3 и 4, респективно 5 и 6. Следователно върху двата изхода Щ₄(В) и V₅,₆(B) се генерира напрежение на Хол. В случая от определящо значение е фактът, че двете напрежения К_ЗЛ(В) и - И_{5 6}(В) са с една • · • · · · · ···· · ;

····♦····» · « и съща стойност и са с противоположен знак? Άκ*ο въЗкшСцат офсети V-,_A(B = 0) 7 0 и У^ДВ ⁼ θ) У- θ, включително свързани и с температурното въздействие върху структурата, в резултат на симетрията на сензора те ще са в първо приближение почти равни по стойност, и с един и същ знак. Следователно при фиксирана посока на магнитното поле U 12 спрямо подложката 1 и равенство на токови компоненти /2,з ⁼ Лд ⁼ Л.5⁼ Л.б, двете Холови напрежения УзЛ(В) и И₅,б(5) са равни и с противоположен знак, а двата офсета К₃.₄(5 = 0) и И₅,₆(^ = 0) са почти равни, Уза(В = 0) ~ С₅,₆(В = 0). Непосредственото свързване на разположените спрямо една от дългите страни на правоъгълната равнина втори 3 и пети 6 контакт осъществява изваждане на двата изходни сигнала:

Сн = [И₃.₄(В) + М* = 0)] - [- И₅.б(Л) + И₅.₆(В = 0)] = 2Гз.₄(В) + [И₃.₄(5 = 0)- У5,6(В = 0).

Следователно изходът 13 на двойния сензор на Хол генерира удвоен Холов сигнал 2И₃ Λ*), като остатъчният паразитен офсет V_oi{ е драстично редуциран от изваждането на двата индивидуални офсета на функционално интегрираните елементи на Хол. Офсетите основно произтичат от неминуемото нарушаване на геометричната (приборната) симетрия при технологичната реализация както и от температурния дрейф на изходите. Предимство при създаването на устройства на основата на новия двоен сензор на Хол е обстоятелството, че като изход 13 равнозначно може да се ползват и контакти 3 и 6, а срещуположните 4 и 5 да се свържат непосредствено. Друга важна алтернатива на двойния полупроводников елемент на Хол е, че като изходи могат да послужат контактите 3 и 6, или 4 и 5, като в тези случаи непосредствено се съединяват контактите спрямо късите страни на правоъгълната равнина 3 и 4, или 5 и 6. Така формираните двойни сензори на Хол са с драстично редуциран остатъчен офсет. При необходимост и-тип полупроводниковата подложка 1 може да бъде с квадратна форма за по-голяма степен на симетричност.

Неочакваният положителен ефект на предложеното техническо решение е следствие от оригиналната конфигурация на контактите 2, 3, 4, 5 и 6, даваща директна възможност за проява на действието на отклоняващата електроните сила на Лоренц. Така от осем в известното решение, в нашия случай контактите са сведени само до пет. Освен това вместо два, токоизточникът е един, тъй като чрез резисторите 7, 8, 9 и 10 се формира режимът генератор йа ток и за двата функционално интегрирани върху обща подложка 1 елементи на Хол. Сериозно предимство на решението е, че чрез пет контакта 2, 3, 4. 5 и 6 и един източник на ток 11 могат да се реализират цяла гама от еквивалентни двойни елементи на Хол, в зависимост от конкретното приложение. Такива възможности отсъстват в известния двоен полупроводников сензор от [1,2].

Реализацията на новия преобразувател на Хол е за предпочитане да става със силициева планарна технология. Оформянето на правоъгълната равнина върху горната страна на zz-Si подложка 1 в случая става с дълбок изолиращ рринг. Използването на zz-SI е свързано с неколкократно по-високата подвижност на електроните, в сравнение с jz-Si, а от тук и по-съществената магниточувствителност. Омичните контакти 2, 3, 4, 5 и 6 представляват силно легирани n области, формирани *чре«· йонна Ъа£пла1€кацйя. Върху същия чип може да се интегрира и обработващата изходния сигнал 13 електроника. Перспективен полупроводник за новия магниточувствителен сензор е също H-GaAs.

ПРИЛОЖЕНИЕ: една фигура

ЛИТЕРАТУРА [1] R. Steiner, М. Schneider, Н. Baltes, Double Hall sensor with self-compensated offset, Technical Digest of International Electron Device Meeting (IEDM) '97, 1997, pp. 911-914.
[2] R.S. Vanha, Rotary Switch and Current Monitor by Hall Based Microsystems, PEL Publ., Zurich, Switzerland, Diss. ETH No 13135, 1999, p. 147.