BG112090A

BG112090A - Микросензор на хол

Info

Publication number: BG112090A
Application number: BG112090A
Authority: BG
Inventors: Сия ЛОЗАНОВА; Вълчева Лозанова Сия; Чавдар РУМЕНИН; Станоев Руменин Чавдар
Original assignee: Институт По Системно Инженерство И Роботика - Бан
Priority date: 2015-09-02
Filing date: 2015-09-02
Publication date: 2017-03-31
Also published as: BG66933B1

Abstract

Микросензорът на Хол съдържа токоизточник (1) и две правоъгълни полупроводникови подложки с п-тип примесна проводимост - първа (2) и втора (3), разположени успоредно една спрямо друга. Върху едната страна на първата подложка (2) последователно и на разстояния един от друг са формирани от ляво на дясно три правоъгълни омични контакти - първи (4), втори (5) и трети (6) като вторият контакт (5) е централен, а първият (4) и третият (6) са симетрични спрямо него. Върху едната страна на втората подложка (3) са формирани от ляво на дясно пет правоъгълни омични контакти - първи (7), втори (8), трети (9), четвърти (10) и пети (11). Третият контакт (9) е централен като първият (7) и петият (11), и съответно вторият (8) и четвъртият (10) са симетрични спрямо него. Изводите на токоизточника (1) са съединени с контакти (5) и (9). Контакт (4) е свързан с петия контакт (11), а третият контакт (6) - с контакт (7). Изходът (12) са вторият (8) и четвъртият (10) контакти като измерваното магнитно поле (13) е успоредно на равнините на подложките (2) и (3) и на дългите страни на контактите (4), (5), (6), (7), (8), (9), (10) и (11).

Description

МИКРОСЕНЗОР НА ХОЛ

ОБЛАСТ НА ТЕХНИКАТА

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

ПРЕДШЕСТВАЩО СЪСТОЯНИЕ НА ТЕХНИКАТА

Известен е микросензор на Хол, съдържащ токоизточник и две еднакви правоъгълни полупроводникови подложки с п-тип примесна проводимост - първа и втора, разположени успоредно една спрямо друга. Върху едната страна на всяка от подложките последователно и на разстояния един от друг са формирани от ляво на дясно по пет правоъгълни омични контакти - първи, втори, трети, четвърти и пети. Третите контакти са централни като първите и петите, и съответно вторите и четвъртите са симетрично разположени спрямо тях. Всички първи и пети контакти са свързани помежду си. Вторият контакт от първата подложка е съединен с четвъртия от втората, а четвъртият контакт от първата - с втория контакт от втората подложка. Изводите на токоизточника са свързани с втория и четвъртия контакт от първата подложка. Диференциалният изход на микросензора на Хол са двата централни контакта като измерваното магнитно поле е успоредно както на равнините на подложките, така и на дългите страни на контактите, [1, 2, 3].

Недостатък на този микросензор на Хол е понижената му магниточувствителност, тъй като в полупроводниковите подложки се използва само половината от общия ток през съответните захранващи контакти за генериране на еднакви по стойност и противоположни по знак потенциали на Хол върху двата изходни контакта.

Недостатък е също усложнената конструкция на микросензора, съдържащ общо десет омични контакта и множество връзки между тях.

ТЕХНИЧЕСКА СЪЩНОСТ

Г Задача на изобретението е да се създаде микросензор на Хол с висока магниточувствителност и опростена конструкция с редуциран брой контакти и връзки между тях.

Тази задача се решава с микросензор на Хол, съдържащ токоизточник и две правоъгълни полупроводникови подложки с п-тип примесна проводимост - първа и втора, разположени успоредно една спрямо друга. Върху едната страна на първата подложка последователно и на разстояния един от друг са формирани от ляво на дясно три правоъгълни омични контакти - първи, втори и трети като вторият контакт е централен, а първият и третият са симетрични спрямо него. Върху едната страна на втората подложка са формирани от ляво на дясно пет правоъгълни омични контакти - първи, втори, трети, четвърти и пети. Третият контакт е централен като първият и петият, и съответно вторият и четвъртият са симетрични спрямо него. Изводите на токоизточника са съединени с централните контакти. Първият контакт от първата подложка е свързан с петия контакт от втората, а третият контакт от първата - с първия контакт от втората подложка. Диференциалният изход на микросензора на Хол са вторият и четвъртият контакти от втората подложка като измерваното магнитно поле е успоредно както на равнините на подложките, така и на дългите страни на контактите.

Предимство на изобретението е високата магниточувствителност в резултат на генериране от целия захранващ ток през централния контакт на първата подложка на напрежение на Хол върху първия и третия контакт, което се сумира с напрежението на Хол, получено върху втория и четвъртия изходни контакти от втората подложка.

Предимство е също опростената конструкция на микросензора, съдържащ общо осем, вместо десет омични контакта и две връзки между тях вместо пет.

Предимство е още повишената метрологична точност и резолюция от високото ниво сигнал/шум, поради съществената магниточувствителност на микросензора.

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

Микросензорът на Хол съдържа токоизточник 1 и две правоъгълни полупроводникови подложки с п-тип примесна проводимост - първа 2 и втора 3, разположени успоредно една спрямо друга. Върху едната страна на първата подложка 2 последователно и на разстояния един от друг са формирани от ляво на дясно три правоъгълни омични контакти - първи 4, втори 5 и трети 6 като вторият контакт 5 е централен, а първият 4 и третият 6 са симетрични спрямо него. Върху едната страна на втората подложка 3 са формирани от ляво на дясно пет правоъгълни омични контакти - първи 7, втори 8, трети 9, четвърти 10 и пети 11. Третият контакт 9 е централен като първият 7 и петият 11, и съответно вторият 8 и четвъртият 10 са симетрични спрямо него. Изводите на токоизточника 1 са съединени с централните контакти 5 и 9. Първият контакт 4 от първата подложка 2 е свързан с петия контакт 11 от втората 3, а третият контакт 6 от първата 2 с първия контакт 7 от втората подложка 3. Диференциалният изход 12 на микросензора на Хол са вторият 8 и четвъртият 10 контакти от втората подложка 3 като измерваното магнитно поле 13 е успоредно както на равнините на подложките 2 и 3, така и на дългите страни на контактите 4, 5,6, 7, 8, 9, 10 и 11.

Действието на микросензора на Хол, съгласно изобретението, е следното. При включване на централните контакти 5 и 9 към токоизточника 1, в обема на подложки 2 и 3 протичат по две противоположно насочени токови компоненти - между централните 5 и 9 и крайните захранващи контакти 4 и 6, и съответно 7 и 11, Фигура 1. Траекториите на тези токове са криволинейни, [4]. Дълбочината на проникване на токовите линии при фиксирана концентрация на легиращите донорни примеси N_D в подложките 2 и 3 зависи от съотношението М между ширината 1\ на централните контакти 5 и 9 и разстоянието Ζ₂ между тях и крайните 4 и 6, и съответно 7 и 11 електроди, Μ = Ζι/Ζ₂. Максималната стойност на дълбочината на проникване при N_D ~ 10¹⁵ cm'³ съставлява около 40 pm. В триконтактния елемент на Хол (подложка 2 с контакти 4, 5 и 6) токът Д през контакт 5 е подложен на отклоняващото действие на силата на Лоренц F_L като върху крайните електроди 4 и 6 се генерира напрежение на Хол Е_Н4.б(В). Произходът на това напрежение е от вътрешните съпротивления R₉₇ и R_9jh между централния 9 и крайните контакти 7 и 11 (петконтактният елемент на Хол от подложка 3). Съпротивленията R₉.₇ и R_9>11 трансформират в триконтактния сензор измененията на токовете Δ/₄(Β) и Δ/₆(Β) в поле В 13 в напрежение на Хол Ун4,б(^). Тъй като съотношението М е оптимизирано да е максимално, сигналът Ун_4?б(В) е резултат на целия захранващ ток 1₅, а не на една втора от него. В петконтактния равнинно-магниточувствителен преобразувател на Хол, реализиран върху втората подложка 3, напрежението на Хол V_H,8.10(F) върху контакти 8 и 10 обаче се генерира от половината от тока /₉/2 през контакт 9. Основната причина е, че собствените размери на изходните контакти 8 и 10, разположени между централния 9 и крйните 7 и 11 увеличават общия линеен размер Z₂ на този елемент на Хол и съотношението Μ = Ζ/Ζ₂ е понижено. При това токът Ζ₉през контакт 9 се разделя определено на две равни компоненти /₇ и Ζ_π, т.е. само една втора от тока /₉/2 активно генерира потенциалите на Хол Vhs(F) и Vhio(B) върху контакти 8 и 10. Такава е ситуацията и в известното решение [1, 2, 3], поради което чувствителността на петконтактните елементи е понижена. В новото решение на Фигура 1, съдържащо интегрирани триконтактен и петконтактен преобразувател на Хол са постигнати следните нови положителни качества. Напрежението на Хол Vh4,₆(B) върху контакти 4 и 6 се подава върху контакти 7 и 11 на петконтактната структура 3. Така в магнитно поле В / 0 13 потенциалите върху контакти 7 и 11 се променят в сравнение със случая В = 0. Напрежението Ун4,б(в) въздейства и върху изходните електроди 8 и 10 техните потенциали също се отместват полярно - единият нараства, а другият намалява с една и съща стойност. Освен това в петконтактния елемент от подложката 3 проявата на ефекта на Хол е активна от протичането на двете противоположно насочени компоненти /₇ и -7ц.

Следователно Холовите потенциали върху изходните контакти 8 и 10 нарастват още повече. Двете напрежения на Хол Ун4,б(^) и Vh8,io(#) действат синфазно, т.е. те се сумират като магниточувствителността на изхода 11 нараства съществено, VnufB) = Ун4,б(В) + УнвдоФ). Новият микросензор съдържа осем, а не десет омични контакти, което опростява конструкцията му, Фигура 1. Връзките между контактите са две, а не пет.

Неочакваният положителен ефект на новото техническо решение се заключава в оригиналната конструкция и нестандартното свързване на контактите 4-11и6-7на двете структури 2 и 3. Освен това захранването 1 може да бъде в режим генератор на ток и генератор на напрежение, разширявайки схемотехническите възможности. Интегрираното действие на триконтактен и петконтактен елемент на Хол, освен че повишава магниточувствителността, но и подобрява отношението сигнал/шум и f⁴ резолюцията за детектиране на минимална магнитна индукция В_т1П.

Микросензорът на Хол може да се реализира с CMOS, BiCMOS или микромашининг технологии като преобразувателните зони представляват дълбоки п-тип силициеви джобове 2 и 3. Чрез формиране на дълбоки ограничителни р-тип рингове или на обратно поляризирани р⁺-п рингдиоди около правоъгълните омични контакти 4, 5, 6 и съответно 7, 8, 9, 10 и 11 се постига по-дълбоко проникване на токовете в обема на подложките 2 и 3, респективно по-ефективно е въздействието на силата на Лоренц F_Lвърху токовите компоненти. Функционирането на микросензора е в широк температурен интервал, включително при криогенна среда. За още повисока чувствителност за целите на слабополевата магнитометрия, контратероризма и навигацията, подложките 2 и 3 могат да се разположат между два еднакви концентратора на полето В 13 от ферит или μ-метал.

г ПРИЛОЖЕНИЕ: една фигура

ЛИТЕРАТУРА

[1] Т. 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.

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

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

[4] Ch. Roumenin, “Microsensors for magnetic field”, Ch. 9, in „MEMS - a practical guide to design, analysis and applications”, ed. by J. Korvink and 0. Paul, William Andrew Publ., USA, 2006, pp. 453-523; ISBN: 0-8155-1497-2.

Claims

ПАТЕНТНИ ПРЕТЕНЦИИ ^Микросензор на Хол, съдържащ токоизточник и две правоъгълни полупроводникови подложки с п-тип примесна проводимост - първа и втора, разположени успоредно една спрямо друга, върху едната страна на подложките са формирани правоъгълни омични контакти като върху втората подложка от ляво на дясно те са пет - първи, втори, трети, четвърти и пети, третият контакт е централен, а първият и петият, и съответно вторият и четвъртият са симетрични спрямо него, диференциалният изход на микросензора са вторият и четвъртият контакти от втората подложка, а измерваното магнитно поле е успоредно на равнините на подложките и на дългите страни на контактите, ХАРАКТЕРИЗИРАЩ СЕ с това, че върху първата подложка (2) последователно и на разстояния един от друг са формирани от ляво на дясно три контакта - първи (4), втори (5) и трети (6) като вторият контакт (5) е централен, а първият (4) и третият (6) са симетрични спрямо него, изводите на токоизточника (1) са съединени с двата централни контакта (5) и (9), първият контакт (4) от първата подложка (2) е свързан с петия контакт (11) от втората (3), а третият контакт (6) от първата (2) - с първия контакт (7) от втората подложка (3).