BG111414A - Интегрален сензор на хол с паралелна ос на магниточувствителност - Google Patents

Abstract

Интегралният сензор на Хол с паралелна ос на магниточувствителност съдържа полупроводникова подложка (1) с примесен тип проводимост, върху едната страна на която са формирани на разстояния един от друг последователно седем правоъгълни омични контакти - първи (2), втори (3), трети (4), четвърти (5), пети (6), шести (7) и седми (8), като всичките контакти са разположени успоредно на дългите си страни. Контактът (5) е централен и от дългите му страни са разположени симетрично двойките контакти - (2) и (8), (3) и (7), и (4) и (6). Контактите (3) и (7) са съединени с двата извода на тример (9), средната точка на който е свързана с единия извод на токоизточник (10), другият извод на който е съединен с контакта (5). Контактите (2) и (4) са непосредствено електрически свързани. Магнитното поле (11) е приложено перпендикулярно на напречното сечение на подложката (1) и е успоредно на дългите страни на контактите, като изход (12) на сензора на Хол с паралелна ос на магниточувствителност са контактите (6) и (8). 1 претенция, 1 фигура

Description

с ИНТЕГРАЛЕН СЕНЗОР НА ХОЛ С ПАРАЛЕЛНА ОС НА МАГНИТОЧУВСТВИТЕЛНОСТ

ОБЛАСТ НА ТЕХНИКАТА

Изобретението се отнася до интегрален сензор на Хол с паралелна ос на магниточувствителност, приложимо в областта на системното инженерство, включително биоинженерството, микро- и нано-технологиите, роботиката и мехатрониката, безконтактното измерване на ъглови и линейни премествания, позиционирането на обекти в равнината и пространството, биомедицинските изследвания, безконтактната автоматика, енергетиката и енергийната ефективност, контролно-измервателната технология и слабополевата магнитометрия, военното дело и сигурността, и др.

ПРЕДШЕСТВАЩО СЪСТОЯНИЕ НА ТЕХНИКАТА

Известен е интегрален сензор на Хол с паралелна ос на магниточувствителност, съдържащ полупроводникова подложка с примесен тип проводимост, върху едната страна на която са формирани на разстояния един от друг пет правоъгълни омични контакти, разположени успоредно на дългите си страни като един от тях е централен и спрямо него симетрично от двете дълги страни са разположени останалите четири - два от които са външни, а другите два - вътрешни. Външните контакти са съединени с единия извод на токоизточник, другият извод на който е свързан с централния контакт. Магнитното поле е приложено перпендикулярно на напречното сечение на подложката и е успоредно на дългите страни на правоъгълните контакти като вътрешните контакти са изходът на интегралния сензор на Хол, [1,2].

_ Недостатък на този интегрален сензор на Хол с паралелна ос на

W магниточувствителност е ограничената преобразувателна ефективност (чувствителността), поради използване за изходен сигнал само напрежението на Хол, генерирано върху повърхността на подложката между централния и двата крайни контакти, регистрирано с вътрешните контакти.

Недостатък е също наличието на паразитно изходно напрежение в отсъствие на магнитно поле (офсет) в резултат от неминуема електрическа асиметрия, породена от геометрична асиметрия в разположението на контактите спрямо централния както и технологични несъвършенства.

ТЕХНИЧЕСКА СЪЩНОСТ

Задача на изобретението е да се създаде интегрален сензор на Хол с паралелна ос на магниточувствителност с повишена преобразувателна ефективност и компенсиран офсет.

W Тази задача се решава с интегрален сензор на Хол с паралелна ос на магниточувствителност, съдържащ полупроводникова подложка с примесен тип проводимост, върху едната страна на която са формирани на разстояния един от друг последователно седем правоъгълни омични контакти както следва - първи, втори, трети, четвърти, пети, шести и седми, всичките разположени успоредно на дългите си страни. Четвъртият контакт е централен и от двете му дълги страни са разположени симетрично двойките контакти - първи и седми, втори и шести, и трети и пети. Двойката контакти - втори и шести са съединени с двата извода на тример, средната точка на който е свързана с единия извод на токоизточник, другият извод на който е съединен с централния контакт. Първият и третият контакти са непосредствено електрически свързани. Магнитното поле е приложено перпендикулярно на напречното сечение на подложката и е успоредно на дългите страни на правоъгълните контакти като изход на сензора на Хол са петият и седмият контакти.

Предимство на изобретението е повишената преобразувателна ефективност (чувствителност) в резултат от последователното свързване на изходите на два функционално интегрирани елементи на Хол в обща полупроводникова подложка.

Предимство е също възможността за пълно компенсиране (нулиране) на паразитното изходно напрежение в отсъствие на магнитно поле (офсетът) чрез вариране съпротивлението на тримера.

Предимство е още редуцираното ниво на собствения шум, тъй като единият от изходните контакти - седмият е извън зоната на протичане на захранващия ток, който е основният шумов фактор в полупроводниковите структури.

ОПИСАНИЕ НА ПРИЛОЖЕНИТЕ ФИГУРИ

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

ПРИМЕРИ ЗА ИЗПЪЛНЕНИЕ

Интегралният сензор на Хол с паралелна ос на магниточувствителност съдържа полупроводникова подложка 1 с примесен тип проводимост, върху едната страна на която са формирани на разстояния един от друг последователно седем правоъгълни омични контакти както следва - първи 2, втори 3, трети 4, четвърти 5, пети 6, шести 7 и седми 8, всичките разположени успоредно на дългите си страни. Четвъртият контакт 5 е централен и от двете му дълги страни са разположени симетрично двойките контакти - първи 2 и седми 8, втори 3 и шести 7, и трети 4 и пети 6. Двойката контакти - втори 3 и шести 7 са съединени с двата извода на тример 9, средната точка на който е свързана с единия извод на токоизточник 10, другият извод на който е съединен с централния контакт 5. Първият 2 и третият 4 контакти са непосредствено електрически свързани. Магнитното поле 11 е приложено перпендикулярно на напречното сечение на подложката 1 и е успоредно на дългите страни на правоъгълните контакти 2, 3, 4, 5, 6, 7 и 8 като изход 12 на сензора на Хол са петият 6 и седмият 8 контакти.

Действието на интегралния сензор на Хол с паралелна ос на магниточувствителност, съгласно изобретението, е следното. При включване на централния контакт 5 към единия извод на токоизточника 10, а другият към средната точка на тримера 9, който е съединен с двойката контакти 3 и 7, между контактите 5 и 3, и съответно 5 и 7 протичат компонентите /5,3 и /5,7 на захранващия ток /5, ефективните траектории на които са криволинейни. Те стартират от контакт 5 и завършват върху планарните контакти 3 и 7. Захранващите контакти 3, 5 и 7 представляват еквипотенциални равнини, към които в отсъствие на външно магнитно поле В 11 токовите линии /5,/3 и /7 са винаги перпендикулярни. Ефективните траектории на тока Д.з и /_5;7 в останалата част в обема на подложката 1 са успоредни на горната й страна.

Важна особеност е, че посоките на тока /5,3 и 1₅р са противоположни като 1₅ = □ - Ζ_5;3Π + /5,7. Предвид така избраната структурна симетрия на омичните контакти 2, 3, 4, 6, 7 и 8 по отншение на централния 5, двете компоненти /53 и /5 7 от траекторията на захранващия ток /5 са също симетрични спрямо контакт 5.

Включването на магнитното поле В 11, перпендикулярно на напречното сечение на подложката 1, води до възникване в равнината на сечението на странично отклоняващи движещите се електрони в двете криволинейни траектории /_5>з и /5.7 сили на Лоренц F_L = qV^ х В, където q е елементарният товар на електрона, a V_dr е векторът на средната дрейфова скорост на носителите. В резултат на тази Лоренцова дефлекция в повърхностните зони, там където са разположени контакти 2, 4, 6 и 8 се генерират допълнителни електрически товари от ефекта на Хол, Фигура 1. Това води до поява съответно на две напрежения на Хол върху тези контакти от магнитното поле В 11 V_2ts(B) и ЕдДВ). При това Холовите потенциали върху контакти 2 и 4, и съответно 6 и 8 са с противоположен знак.

Непосредственото електрическо свързване на контакти 2 и 4 осъществява последователно сумиране на тези две напрежения на Хол: + V^fiB) V_6>8(B). Така магниточувствителността на сензора на Хол нараства значително. Следователно диференциалният изход 12 на сензора УбХД) контактите 6 и 8 дава метрологична информация за полярността (знака) и стойността магнитното поле В 11. Следва да се отбележи, че в резултат на структурната симетрия на сензора на Хол с паралелна ос на магниточувствителност спрямо централния контакт 5 като изход 12 равнопоставено могат да служат контакти 2 и 4, ViX·®) при непосредствено електрически съединени контакти 6 и 8. Останалата, захранващата част от конструкцията на сензора остава непроменена.

Неминуемият офсет на изхода 12 в отсъствие на магнитно поле В (В = 0) лесно се компенсира (нулира) Уб₎₈(В) = 0 чрез изменение стойността на съпротивлението в съответните вериги, включващи контакти 3 и 4, което се осъществява с тримера г 9. Редуцираното ниво на собствения (вътрешния) фликер-шум Ι/f е в резултат от разположението на единия от изходните контакти 8 извън зоната на протичане на захранващия ток, който е основният шумов фактор в полупроводниковите структури.

Технологичната реализация на новия сензор на Хол е на основата на интегралните микроелектронни процеси като CMOS или BiCMOS, използвайки силициеви подложки и преобразувателна зона с п-тип проводимост. Допълнително увеличение на чувствителността може да се постигне чрез формиране на дълбок ринг с р - тип ппроводимост, ограждащ достатъчно близко омичните контакти 2, 3, 4, 5, 6, 7 и 8. Така драстично се редуцира разтичането на захранващия тока по повърхността на подложката 1 и посоката на по-голяма част от движещите се токоносители е перпендикулярна на магнитния вектор В 11, което води до по-същесвено въздействие на силата на Лоренц F_LНеочакваният положителен ефект на новото техническо решение е във възможността чрез оригиналната конструкция и електрически връзки между контактите да се използват за изходен сигнал 12 максимално ефективно всичките напрежения на Хол, генерирани в магнитно поле В 11 от протичането на тока /5. Това са напреженията на Хол както във вътрешната зона на елемента Г4,б(в) (подобно на известното решение), така и напрежението на Хол ΡχβΦ), генерирано извън контакти 3 и 7 и не използвано до сега като средство за повишаване на магниточувствителността. Фактически новото техническо решение представлява функционална интеграция на два елемента на Хол с паралелна ос на чувствителност в полупроводниковата подложка 1, с обща преобразувателна област и един токоизточник 10.

Проведените експерименти с образци на сензора на Хол с паралелна ос на чувствителност, реализирани със силициева планарна технология установиха, че магниточувствителността е най-малко 1.5 пъти по-висока от тази на известното техническо решение.

Claims (1)

1. ПАТЕНТНИ ПРЕТЕНЦИИ

   Интегрален сензор на Хол с паралелна ос на магниточувствителност, съдържащ полупроводникова подложка с примесен тип проводимост, върху едната страна на която са формирани на разстояния един от друг правоъгълни омични контакти, всичките разположени успоредно на дългите си страни като един от тях е централен и спрямо него симетрично са разположени по двойки останалите, токоизточник като магнитното поле е приложено перпендикулярно на напречното сечение на подложката и е успоредно на дългите страни на контактите, ХАРАКТЕРИЗИРАЩ СЕ с това, че омичните контакти са седем както следва - първи (2), втори (3), трети (4), четвърти (5), пети (6), шести (7) и седми (8), четвъртият контакт (5) е централният и от двете му дълги страни са разположени симетрично двойките контакти - първи (2) и седми (8), втори (3) и шести (7), и трети (4) и пети (6), двойката контакти (3) и (7) са съединени с двата извода на тример (9), средната точка на който е свързана с единия извод на токоизточника (10), другият извод на който е съединен с централния контакт (5), първият (2) и третият (4) контакти са непосредствено електрически свързани като изход (12) на сензора на Хол са петият (6) и седмият (8) контакти.