BG112090A

BG112090A - A micro -hall sensor

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

The Micro-Hall sensor includes an electric energy source (1) and two rectangular semi-conductor wafers with an n-type mixed conductivity- first (2) and second (3), placed in parallel from each other. On one side of the first wafer (2) successively in a distance from one another are formed left to right three rectangular ohmic contacts-first (4), second (5) and third (6), as the second contact (5) is central, and the first (4) and third (6) are symmetric to it. On one side of the second wafer (3) are formed left to right five rectangular ohimc contacts- first (7), second (8), third (9), fourth (10) and fifth (11). The third contact (9) is central as the first (7) and fifth (11), and conversely the second (8) and fourth (10) are symmetrical to it. The outlets of the power source (1) are connected to the contacts (5 and 9). Contact (4) is connected to the fifth contact (11), and the third contact (6) - to contact (7). The outlet (12) are the second (8) and fourth (10) contacts, as the measurable magnetic field (13) is parallel to the plains of the wafers (2 and 3) and to the long sides of the contacts (4, 5, 6, 7, 8, 9, 10 and 11)

Description

МИКРОСЕНЗОР НА ХОЛLIVING MICROSENSOR

ОБЛАСТ НА ТЕХНИКАТАFIELD OF THE INVENTION

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.The invention relates to a Hall microsensor applicable in the field of sensors, robotics and robotic unmanned aerial vehicles, electric vehicles and hybrid vehicles, micro- and nano-technologies, mechatronics and cognitive intelligent systems, energy and energy efficiency, non-contact measurement of angular linear displacements, control and measuring equipment and low-field magnetometry, military affairs and security.

ПРЕДШЕСТВАЩО СЪСТОЯНИЕ НА ТЕХНИКАТАBACKGROUND OF THE INVENTION

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].A Hall microsensor is known, containing a current source and two identical rectangular semiconductor pads with p-type impurity conductivity - first and second, located parallel to each other. On one side of each of the pads successively and at distances from each other are formed from left to right five rectangular ohmic contacts - first, second, third, fourth and fifth. The third contacts are as central as the first and fifth, and the second and fourth, respectively, are symmetrically positioned relative to them. All first and fifth contacts are interconnected. The second contact of the first pad is connected to the fourth of the second, and the fourth contact of the first to the second contact of the second pad. The terminals of the current source are connected to the second and fourth contact of the first pad. The differential output of the Hall microsensor is the two central contacts and the measured magnetic field is parallel to both the planes of the pads and the long sides of the contacts, [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.A disadvantage of this Hall microsensor is its reduced magnetic sensitivity, as only half of the total current through the respective power contacts is used in the semiconductor pads to generate equal and opposite Hall potentials on the two output contacts.

Недостатък е също усложнената конструкция на микросензора, съдържащ общо десет омични контакта и множество връзки между тях.Another disadvantage is the complicated design of the microsensor, containing a total of ten ohmic contacts and multiple connections between them.

ТЕХНИЧЕСКА СЪЩНОСТTECHNICAL ESSENCE

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.D The object of the invention is to provide a Hall microsensor with high magnetic sensitivity and a simple construction with a reduced number of contacts and connections between them.

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.This problem is solved with a Hall microsensor containing a current source and two rectangular semiconductor pads with p-type impurity conductivity - first and second, located parallel to each other. On one side of the first pad, three rectangular ohmic contacts are formed sequentially and at distances from each other from left to right - the first, second and third, the second contact being central and the first and third being symmetrical with respect to it. On one side of the second pad are formed from left to right five rectangular ohmic contacts - first, second, third, fourth and fifth. The third contact is central as the first and fifth, and the second and fourth are symmetrical to it, respectively. The terminals of the power supply are connected to the central contacts. The first contact of the first pad is connected to the fifth contact of the second, and the third contact of the first to the first contact of the second pad. The differential output of the Hall microsensor is the second and fourth contacts of the second pad, the measured magnetic field being parallel to both the planes of the pads and the long sides of the contacts.

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.An advantage of the invention is the high magnetic sensitivity as a result of generating from the entire supply current through the central contact of the first Hall voltage pad on the first and third contacts, which sums the Hall voltage obtained on the second and fourth output contacts of the second pad.

Предимство е също опростената конструкция на микросензора, съдържащ общо осем, вместо десет омични контакта и две връзки между тях вместо пет.Another advantage is the simplified design of the microsensor, containing a total of eight instead of ten ohmic contacts and two connections between them instead of five.

Предимство е още повишената метрологична точност и резолюция от високото ниво сигнал/шум, поради съществената магниточувствителност на микросензора.Another advantage is the increased metrological accuracy and resolution of the high signal / noise level, due to the significant magnetic sensitivity of the microsensor.

ОПИСАНИЕ НА ПРИЛОЖЕНИТЕ ФИГУРИDESCRIPTION OF THE ATTACHED FIGURES

По-подробно изобретението се пояснява с едно негово примерно изпълнение, дадено на приложената Фигура 1, представляваща напречното му сечение.The invention is illustrated in more detail by an exemplary embodiment thereof, given in the attached Figure 1, representing its cross section.

ПРИМЕРИ ЗА ИЗПЪЛНЕНИЕEXAMPLES OF IMPLEMENTATION

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.The Hall microsensor contains a current source 1 and two rectangular semiconductor pads with p-type impurity conductivity - first 2 and second 3, located parallel to each other. On one side of the first pad 2 in series and at a distance from each other are formed from left to right three rectangular ohmic contacts - first 4, second 5 and third 6 as the second contact 5 is central and the first 4 and third 6 are symmetrical to it . On one side of the second pad 3 are formed from left to right five rectangular ohmic contacts - first 7, second 8, third 9, fourth 10 and fifth 11. The third contact 9 is central as the first 7 and fifth 11, and respectively the second 8 and the fourth 10 are symmetrical to it. The terminals of the current source 1 are connected to the central contacts 5 and 9. The first contact 4 of the first pad 2 is connected to the fifth pin 11 of the second 3 and the third pin 6 of the first 2 to the first pin 7 of the second pad 3. The differential output 12 of the Hall microsensors are the second 8 and the fourth 10 contacts of the second pad 3 and the measured magnetic field 13 is parallel both to the planes of the pads 2 and 3 and to the long sides of the contacts 4, 5,6, 7, 8, 9, 10 and 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.The operation of the Hall microsensor according to the invention is as follows. When the central contacts 5 and 9 are connected to the current source 1, two oppositely directed current components flow in the volume of pads 2 and 3 - between the central 5 and 9 and the final power contacts 4 and 6, and respectively 7 and 11, Figure 1. The trajectories of these currents are curvilinear, [4]. The depth of penetration of the current lines at a fixed concentration of doping donor impurities N _D in the substrates 2 and 3 depends on the ratio M between the width 1 \ of the central contacts 5 and 9 and the distance Ζ ₂ between them and the final 4 and 6, and respectively 7 and 11 electrodes, Μ = Ζι / Ζ ₂ . The maximum value of the depth of penetration at N _D ~ 10 ¹⁵ cm ' ³ is about 40 pm. In the three-contact Hall element (pad 2 with contacts 4, 5 and 6) the current E through contact 5 is subjected to the deflecting action of the Lorentz force F _L _{as a voltage of Hall Е Н} 4.b is generated on the end electrodes 4 and 6 ( IN). The origin of this voltage is from the internal resistances R ₉₇ and R _9j h between the central 9 and the end contacts 7 and 11 (the five-contact Hall element from the pad 3). Resistors R ₉ . ₇ and R _{9> 11} transform in the three-contact sensor the changes of the currents Δ / ₄ (Β) and Δ / ₆ (Β) in field B 13 in Hall voltage Un4, b (^). Since the ratio M is optimized to be maximal, the signal Un _4? b (C) is the result of the entire supply current 1 ₅ and not one-half of it. However, in the five-contact plane-magnetosensitive Hall transducer realized on the second pad 3, the Hall voltage V _H , 8.10 (F) on contacts 8 and 10 is generated by half the current / _9/2 through contact 9. The main reason is that the own dimensions of the output contacts 8 and 10 located between the central 9 and the terminals 7 and 11 increase the total linear size Z ₂ of this Hall element and the ratio Μ = Ζ / Ζ ₂ is reduced. The current ът ₉ through contact 9 is definitely divided into two equal components / ₇ and Ζ _π , ie. only one half of the current / _9/2 actively generate potentials Hall Vhs (F) and Vhio (B) on the contacts 8 and 10. This is the situation in the known solution [1, 2, 3], which is why the sensitivity of the five-contact elements is reduced. In the new solution of Figure 1, containing integrated three-contact and five-contact Hall converter, the following new positive qualities have been achieved. The Hall voltage Vh4, ₆ (B) on contacts 4 and 6 is applied to contacts 7 and 11 of the five-contact structure 3. Thus in a magnetic field B / 0 13 the potentials on contacts 7 and 11 change in comparison with the case B = 0. The voltage Un4, b (c) affects and on the output electrodes 8 and 10 their potentials are also shifted polarly - one increases and the other decreases by the same value. Furthermore, in the five-contact element of the pad 3, the manifestation of the Hall effect is active by the flow of the two oppositely directed components ( ₇ and -7 μ).

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.Therefore, the Hall potentials on the output contacts 8 and 10 increase even more. The two Hall voltages Un4, b (^) and Vh8, io (#) act in phase, ie. they are summed as the magnetic sensitivity of the output 11 increases significantly, VnufB) = Un4, b (B) + UnvdoF). The new microsensor contains eight instead of ten ohmic contacts, which simplifies its construction, Figure 1. The connections between the contacts are two, not five.

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.The unexpected positive effect of the new technical solution lies in the original design and non-standard connection of contacts 4-11 and 6-7 of the two structures 2 and 3. In addition, the power supply 1 can be in current generator and voltage generator mode, expanding the circuit capabilities. The integrated action of the three-contact and five-contact Hall element not only increases the magnetic sensitivity, but also improves the signal-to-noise ratio and the f ⁴ resolution for detecting minimal magnetic induction B _m1P .

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.The Hall microsensor can be realized with CMOS, BiCMOS or micromachining technologies as the conversion zones are deep p-type silicon pockets 2 and 3. By forming deep restrictive p-type rings or inversely polarized p ⁺ -p ring diodes around the rectangular ohmic contacts 4, 5, 6 and 7, 8, 9, 10 and 11, respectively, a deeper penetration of the currents in the volume of the substrates 2 and 3 is achieved, respectively the effect of the Lorentz force F _L on the current components is more effective. The operation of the microsensor is in a wide temperature range, including in a cryogenic environment. For even higher sensitivity for the purposes of low-field magnetometry, counter-terrorism and navigation, pads 2 and 3 can be placed between two identical field B 13 concentrators made of ferrite or μ-metal.

г ПРИЛОЖЕНИЕ: една фигураd APPENDIX: one figure

ЛИТЕРАТУРАLITERATURE

[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.[1] 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.

[2] R. Popovic, “Integrated Hall element”, US Patent 4 782 375/01.11.1988.[2] R. Popovic, “Integrated Hall element”, U.S. Patent 4,782,375 / November 1, 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.[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.[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

PATENT CLAIMS ^ Hall microsensor containing current source and two rectangular semiconductor pads with p-type impurity conductivity - first and second, located parallel to each other, on one side of the pads are formed rectangular ohmic contacts as on the second pad on the left are five - first, second, third, fourth and fifth, the third contact is central, and the first and fifth, and respectively the second and fourth are symmetrical to it, the differential output of the microsensor are the second and fourth contacts of the second pad, and the measured magnetic field is parallel to the planes of the pads and the long sides of the contacts, CHARACTERIZED in that on the first pad (2) in series and at distances from each other are formed from left to right three contacts - first (4), second (5) and third (6) as the second contact (5) is central and the first (4) and third (6) are symmetrical with respect to it, the terminals of the current source (1) are connected to the two central co (5) and (9), the first contact (4) of the first pad (2) is connected to the fifth contact (11) of the second (3), and the third contact (6) of the first (2) is connected to the first contact ( 7) from the second pad (3).