BG112007A - Равнинно-магниточувствителен елемент на хол - Google Patents

Abstract

Равнинно-магниточувствителният елемент на Хол съдържа токоизточник (1) и n-тип правоъгълна полупроводникова подложка (2), върху едната страна на която последователно и на разстояния един от друг са формирани пет правоъгълни омични контакта - първи (3), втори (4), трети (5), четвърти (6) и пети (7). Третият контакт (5) е централен, като първият (3) и петият (7), и съответно вторият (4) и четвъртият (6) контакт са симетрични спрямо него. Измерваното магнитно поле (10) е успоредно както на равнината на подложката (2), така и на дългите страни на омичните контакти (3, 4, 5, 6 и 7). Единият извод на токоизточника (1) е свързан с втория контакт (4), а другият - с четвъртия (6) контакт. Диференциалните изходи са два (8 и 9), като първият (3) и централният (5) контакт са единият изход, а централният (5) и петият (7) контакт са другият изход.

Description

Изобретението се отнася до равнинно-магниточувствителен елемент на Хол, приложимо в областта на роботиката и роботизираните безпилотни летателни апарати, сензориката, енергетиката и енергийната ефективност, мехатрониката и когнитивните интелигентни системи, микро- и нано-технологиите, безконтактното измерване на ъглови и линейни премествания, електромобилите и хибридните превозни средства, биомедицината, контролно-измервателната техника, слабополевата магнитометрия, военното дело и сигурността.

ПРЕДШЕСТВАЩО СЪСТОЯНИЕ HA ТЕХНИКАТА

Известен е равнинно-магниточувствителен елемент на Хол, съдържащ токоизточник и правоъгълна полупроводникова подложка с птип примесна проводимост, върху едната страна на която последователно и на разстояния един от друг са формирани пет правоъгълни омични контакти - първи, втори, трети, четвърти и пети. Третият контакт е централен като първият и петият, и съответно вторият и четвъртият контакти са симетрични спрямо него. Единият извод на токоизточника е свързан с централния, а другият - едновременно с първия и петия контакти. Диференциалният изход на елемента на Хол са вторият и четвъртият контакти като измерваното магнитно поле е успоредно както на равнината на подложката, така и на дългите страни на контактите, [1,2,3,4,5,6].

О Недостатък на този равнинно-магниточувствителен елемент на Хол е понижената му чувствителност, тъй като се използва само половината от захранващия ток за генериране на противоположните по знак потенциали на Хол върху втория и четвъртия контакти, формиращи диференциалния изход на елемента.

Недостатък е също понижената метрологична точност от редуцираното отношение сигнал/шум поради: високото ниво на собствения вътрешен шум (фликер шум), създаден основно от протичащия по повърхността захранващ ток в зоните, където са разположени изходните втори и четвърти контакти; намалената магниточувствителност; и непредсказуемото хаотично изменение стойността на дрейфа на офсета на изхода в отсъствие на магнитно поле с течение на времето в резултат от процесите на стареене и миграция на легиращите примеси на повърхността.

ТЕХНИЧЕСКА СЪЩНОСТ

Задача на изобретението е да се създаде равнинномагниточувствителен елемент на Хол с висока чувствителност и висока метрологична точност.

Тази задача се решава с равнинно-магниточувствителен елемент на Хол, съдържащ токоизточник и правоъгълна полупроводникова подложка с п-тип примесна проводимост, върху едната страна на която последователно и на разстояния един от друг са формирани пет правоъгълни омични контакти - първи, втори, трети, четвърти и пети. Третият контакт е централен като първият и петият, и съответно вторият и четвъртият контакти са симетрични спрямо него. Единият извод на токоизточника е свързан с втория, а другият - с четвъртия контакт. Елементът на Хол притежава два диференциални изхода - първият и централният контакти са единият, а централният и петият контакти са другият. Измерваното магнитно поле е успоредно както на равнината на подложката, така и на дългите страни на омичните контакти.

Предимство на изобретението е високата магниточувствителност в резултат от едновременното генериране върху всеки един от диференциалните изходи на елемента на напрежения на Хол от целия захранващ ток.

Предимство е също високата метрологичната точност от високото ниво сигнал/шум поради: високата магниточувствителност; редуцирането на собствения вътрешен шум (фликер шум) от разполагане на изходните контакти - първи и пети извън зоната на протичане на захранващия ток; и минимизиране ролята на процесите на стареене и миграция на легиращите примеси по повърхността.

Предимство е още наличието на два отделни изхода - всеки с двукратно по-висока магниточувствителност, което разширява съществено функционаните предимства за приложенията на този елемент на Хол.

ОПИСАНИЕ НА ПРИЛОЖЕНИТЕ ФИГУРИ

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

ПРИМЕРИ ЗА ИЗПЪЛНЕНИЕ

Равнинно-магниточувствителният елемент на Хол съдържа токоизточник 1 и правоъгълна полупроводникова подложка 2 с п-тип примесна проводимост, върху едната страна на която последователно и на разстояния един от друг са формирани пет правоъгълни омични контакти първи 3, втори 4, трети 5, четвърти 6 и пети 7. Третият контакт 5 е централен като първият 3 и петият 7, и съответно вторият 4 и четвъртият 6 контакти са симетрични спрямо него. Единият извод на токоизточника 1 е свързан с втория 4, а другият - с четвъртия 6 контакт. Елементът на Хол притежава два диференциални изхода 8 и 9 - първият 3 и централният 5 контакти са единият, а централният 5 и петият 7 контакти са другият. Измерваното магнитно поле 10 е успоредно както на равнината на подложката 2, така и на дългите страни на омичните контакти 3, 4, 5, 6 и 7.

Действието на равнинно-магниточувствителния елемент на Хол, съгласно изобретението, е следното. При включване на втория 4 и на четвъртия 6 контакти към токоизточника 1, между тях в обема на подложката 2 протича компонентата /_4>6, която е цялият захранващ ток в елемента, подаден от източника 1, а не част от него. Планарните омични контакти 4 и 6 представляват еквипотенциални равнини, към които в отсъствие на външно магнитно поле В 10, В = 0, токовете през тях Ц иЦ, Ц = Ц, са винаги перпендикулярно насочени към горната страна на подложката 2 и проникват дълбоко в обема й. Токовите линии в останалата част на подложката 2 са успоредни на горната й страна, преминавайки под контакта 5. Ето защо траекторията на токоносителите е криволинейна. В общия случай, както при всички сензори на Хол, върху двата изхода 8 и 9 в отсъствие на магнитно поле В 10, В = 0, присъства паразитно изходно напрежение, несвързано с метрологията на елемента, [4,5,6]. Произходът му най-често се дължи на неминуема асиметрия (геометрични грешки на маските в процеса на технологичното производство) на контактите 3 и 7, и съответно 4 и 6 по отношение на централния контакт 5, УЩО) = V₈(0) / 0 и У5,?(0) = Г₉(0) 0. В нашия случай минимизирането и/или отстраняването на офсетите на двата изхода 8 и 9 се постига с оптимизиране размерите на самите омични контакти 3, 4, 5, 6 и 7, и на разстоянията между тях.

Прилагането на измерваното магнитно поле В 10 успоредно на подложката 2 и на дългите страни на контакти 3, 4, 5, 6 и 7, дългите страни на които са успоредни на късата страна на правоъгълната подложка 2, води до странично (латерално) отклонение на токовите линии по цялото протежение на нелинейната им траектория. Това се дължи на действието на силите на Лоренц F_L,i, Fl = qУ*^x където q е елементарният товар на електрона, а У* е векторът на средната дрейфова скорост на електроните в подложката 2. На Фигура 1 магнитният вектор В 10 е перпендикулярен на напречното сечение на структурата. В резултат на Лоренцовото отклонение от силата FL, в зависимост от посоките на тока и на магнитното поле В 10, нелинейната траектория се “свива” и съответно “разширява”. По тази причина върху планарните контакти 3, 5 и 7 се генерират едновременно Холови потенциали Унз(#), - УнзФ) ^и УшФ). При това потенциалът - Ц 15(B) върху централния контакт 5 е винаги противоположен по знак спрямо Енз(В) и Фактически измерваното магнитно поле В 10 нарушава електрическата симетрия на токовата траектория /4,б спрямо централния контакт 5. Следователно върху двата диференциални изхода 8 и 9 на елемента възникват две напрежения на Хол Vhs(B) и V_iW(B). Тези сигнали са линейни и нечетни от силата на тока /_4;6 и магнитното поле В 10. В известното решение захранващият ток I се разделя на две еднакви срещуположни компоненти. Те генерират върху съответните Холови контакти два пъти по-ниски по стойност потенциали, което редуцира чувствителността в сравнение с новия равнинномагниточувствителен елемент от Фигура 1.

Неочакваният положителен ефект на новото техническо решение се заключава в иновативната конструкция, чрез която без каквото и да е усложняване или увеличаване броя на контактите 3, 4, 5, 6 и 7, при един токоизточник 1 и захранващ ток Z_4j6 се реализират два еднакви ^Η^^^^ι)»'ίά>Τ'^ιι^ι'··ΐ· функционално-интегрирани в обща преобразувателна зона елементи на Хол. Тяхното съвместно действие води до нови положителни свойства. В резултат: магниточувствителността нараства двойно; диференциалните изходи са вече два при същия брой от пет контакта; захранващият ток не преминава под изходни контакти 3 и 7, което е причина негативното влияние върху дрейфа на офсета на фликер шумът 1//, стареенето и миграцията на примесите в приповърхностната област да се редуцира. Всичко това води до нарастване на отношението сигнал/шум и метрологичната точност на сензора на Хол от Фигура 1 е значително повишена.

Двата отделни изхода 8 и 9 на новия елемент на Хол съществено разширяват функционалните му възможности в приложенията, особена в безконтактната автоматика и слабополевата магнитометрия.

Равнинно-магниточувствителният елемент на Хол може да се реализира с CMOS, BiCMOS технология или микромашининг като преобразувателната зона ще представлява дълбок п-тип правоъгълен силициев джоб 2. Изборът на полупроводников джоб 2 с п-тип примесна проводимост е продиктуван от факта, че в п-тип полупроводниците подвижността на токоносителите, обуславяща скоростта Vdr, т.е. магниточувствителността, е съществено по-висока, в сравнение с р-тип материалите.

По-дълбоко проникване на тока в обема на подложката 2, респективно по-ефективно въздействие на силата на Лоренц F_L върху токовите линии както и дефиниране дебелината на п-тип силициевата подложка 2 в посока на магнитното поле В 10 се постигат чрез формиране с дифузия около правоъгълните омични контакти 3, 4, 5, 6 и 7 и в близост до тях на дълбок ограничителен р-тип ринг с правоъгълна форма или на обратно поляризиран р⁺-п ринг-диод. Действието на предложения елемент на Хол е осъществимо в широк температурен диапазон, включително и при криогенни температури. За още по-висока чувствителност за целите на слабополевата магнитометрия и контратероризма, подложката 2 с контакти 3, 4, 5, 6 и 7 се разполага между два еднакви продълговати концентратори на магнитното поле В 10 от ферит или μ-метал.

ПРИЛОЖЕНИЕ: една фигура

ЛИТЕРАТУРА

[1] R. Popovic, “Integrated Hall element”, US Patent 4 782 375/01.11.1988.

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

3] R.S. Popovic, “The vertical Hall-effect device”, IEEE Electron Device Lett., EDL-5 (1984), pp. 357-358.

[4] T. Kaufmann, “On the offset and sensitivity of CMOS-based five-contact vertical Hall devices”, in “MEMS Technology and Engineering”, v. 21, Der Andere Verlag, 2013, p. 147.

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

[6] Ch. 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.

Claims (1)

1. /. Равнинно-магниточувствителен елемент на Хол, съдържащ токоизточник и полупроводникова подложка с п-тип примесна проводимост, върху едната страна на която последователно и на разстояния един от друг са формирани пет правоъгълни омични контакти първи, втори, трети, четвърти и пети, третият контакт е централен като първият и петият, и съответно вторият и четвъртият контакти са симетрични спрямо него, а измерваното магнитно поле е успоредно както на равнината на подложката, така и на дългите страни на омичните контакти, ХАРАКТЕРИЗИРАЩ СЕ с това, че единият извод на токоизточника (1) е свързан с втория (4), а другият - с четвъртия (6) контакт, диференциалните изходи са два (8) и (9) - първият (3) и централният (5) контакти са единият, а централният (5) и петият (7) контакти са другият.