BG112091A

BG112091A - Равнинно-магниточувствителен преобразувател на хол

Info

Publication number: BG112091A
Application number: BG112091A
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: BG66985B1

Abstract

Равнинно-магниточувствителният преобразувател на Хол съдържа токоизточник (1) и полупроводникови правоъгълни подложки с n-тип примесна проводимост, върху едната страна на които последователно и на разстояния един от друг отляво надясно са формирани правоъгълни омични контакти - по един централен, а останалите са симетрични спрямо тях, измерваното магнитно поле (11) е успоредно както на равнината на подложките, така и на дългите страни на контактите. Полупроводниковите подложки са идентични и са две - първа (2) и втора (3), разположени успоредно една спрямо друга. Върху едната страна на всяка от подложките (2 и 3) са формирани съответно по три еднакви контакти - първи (4 и 5), втори (6 и 7), и трети (8 и 9), като вторите контакти (6 и 7) са централните, а първите (4 и 5) и третите (8 и 9) са симетрично разположени спрямо тях. Изводите на токоизточника (1) са съединени с двата централни контакта (6 и 7). Първият контакт (4) от подложката (2) е свързан с третия контакт (9) от втората подложка (3), а третият контакт (8) от първата подложка (2) - с първия контакт (5) от втората подложка (3). Първият (4) и третият (8) контакт от подложката (2) са изходът (10) на преобразувателя на Хол.

Description

РАВНИННО-МАГНИТОЧУВСТВИТЕЛЕН

ПРЕОБРАЗУВАТЕЛ НА ХОЛ

ОБЛАСТ НА ТЕХНИКАТА

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

ПРЕДШЕСТВАЩО СЪСТОЯНИЕ НА ТЕХНИКАТА

Известен е равнинно-магниточувствителен преобразувател 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 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 контакти са симетрични спрямо него. Единият извод на токоизточника е свързан с централния, а другият - едновременно с първия и петия контакти. Диференциалният изход на преобразувателя 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].

Недостатък на този равнинно-магниточувствителен преобразувател на Хол е понижената му чувствителност, тъй като се използва само половината от захранващия ток през централния контакт за генериране на еднаквите по стойност и противоположни по знак потенциали на Хол върху втория и четвъртия контакти, формиращи диференциалния изход.

Недостатък е също понижената метрологична точност от редуцираното отношение сигнал/офсет както поради намалената магниточувствителност, така и от непредсказуемото хаотично изменение стойността на паразитното изходно напрежение в отсъствие на магнитно поле (офсет) в резултат на електрическа асиметрия, породена от геометрична асиметрия в разположението на втория и четвъртия контакти спрямо централния, неминуеми технологични несъвършенства, механични и температурни напрежения (най-често от корпусирането на чипа) и др.

ТЕХНИЧЕСКА СЪЩНОСТ

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

Тази задача се решава с равнинно-магниточувствителен преобразувател на Хол, съдържащ токоизточник и две идентични 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 три еднакви правоъгълни омични контакти - първи, втори и трети. Вторите контакти са централни като първите и третите са симетрично разположени спрямо тях. Изводите на токоизточника са съединени с двата централни контакта. Първият контакт от първата подложка е свързан с третия контакт от втората, а третият контакт от първата - с първия контакт от втората подложка. Диференциалният изход на преобразувателя на Хол са първият и третият контакти от първата 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 централните контакти на подложките на еднакви по стойност и знак напрежения на Хол.

Предимство е също повишената метрологична точност от високото ниво сигнал/офсет, поради съществената магниточувствителност и редуцирания паразитен офсет при непосредствено свързаните първи и трети контакти от подложките, като това окъсяване води до протичането на компенсационни изравняващи токове между двете идентични Холови С структури в отсъствие на магнитно поле.

Предимство е още възможността за пълно компенсиране на магниточувствителностите на двете Холови структури на преобразувателя с цел минимизирането на паразитния офсет във всеки един момент, осъществявайки след това корекция на информационния изходен сигнал, независимо от наличието на външно магнитно поле.

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 преобразувател на Хол съдържа токоизточник 1 и две идентични правоъгълни полупроводникови подложки 2 и 3 с п-тип примесна проводимост - първа 2 и втора 3, разположени успоредно една спрямо друга. Върху едната страна на всяка от подложките 2 и 3 последователно и на разстояния един от друг са формирани от ляво на дясно по три еднакви правоъгълни омични контакти - първи 4 и 5, втори 6 и 7, и трети 8 и 9. Вторите контакти 6 и 7 са централни като първите 4 и 5 и третите 8 и 9 са симетрично разположени спрямо тях. Изводите на токоизточника 1 са съединени с двата централни контакта 6 и 7. Първият контакт 4 от първата подложка 2 е свързан с третия контакт 9 от втората 3, а третият контакт 8 от първата 3 - с първия контакт 5 от втората подложка 3. Диференциалният изход 10 на преобразувателя на Хол са първият 4 и третият 8 контакти от първата подложка 2 като измерваното магнитно поле 11 е успоредно както на «е» равнините на подложките 2 и 3, така и на дългите страни на контактите 4, 5, 6, 7, 8 и 9.

Действието на равнинно-магниточувствителния преобразувател на Хол, съгласно изобретението, е следното. При включване на двата централни контакти 6 и 7 към токоизточника 1, в обема на двете подложки 2 и 3 протичат две срещуположно насочени и еднакви по стойност токови компоненти 7₆ и - /₇, Ц = | - Λ |, което представлява цялият захранващ ток в преобразувателя, подаден от токоизточника 1. Планарните централни контакти 6 и 7, както и омичните крайни контакти 4 и 5, и съответно 8 и 9 представляват еквипотенциапни равнини, към които в отсъствие на външно магнитно поле В 11, В = 0, токовете през тях са винаги перпендикулярно насочени към горната страна на подложките 2 и 3, прониквайки дълбоко в обемите им. Дълбочината на проникване при фиксирана концентрация на легиращите донорни примеси N_D в подложките 2 и 3 зависи от съотношението между ширината на централните контакти 6 и 7 и разстоянието между тях и крайните електроди 4 и 5, и съответно 8 и 9. Максималната стойност на дълбочината при N_d ~ 10¹⁵ cm'³ съставлява около 40 pm. Между контактите 4 и 6, 6 и 8, 5 и 7, 7 и 9 токовите линии са в първо приближение успоредни на горната страна на подложките 2 и 3. Ето защо траекториите на токоносителите са криволинейни, [4, 5]. В общия случай, както при всички видове равнинномагниточувствителни микросензори на Хол, върху изхода 10, в отсъствие на магнитно поле В 10, В = 0, присъства паразитно изходно напрежение, несвързано с метрологията на преобразувателя. Произходът му най-често се дължи на неминуема електрическа асиметрия (в резултат на геометрични грешки на маските в процеса на технологичното производство) на контактите 4 и 8, и съответно 5 и 9 по отношение на централните 6 и 7, V_i0(0) = УдХО) ί 0, [4, 5, 6]. В предложеното решение, Фигура 1, минимизирането и/или отстраняването на офсет - паразитното напрежение на изхода Ую(0) ξ V_4j8(0) ft 0 се постига чрез непосредствено свързаните първи и трети контакти 4 и 9, и съответно 5 и 8 от подложките 2 и 3. Това окъсяване води до протичането на компенсационни изравняващи токове между двете идентични Холови структури в отсъствие на магнитно поле, В 11, В = 0. Очевидно е, че като изход 10 на преобразувателя равнопоставено служат и контактите 5 и 9, Фигура 1.

Прилагането на измерваното магнитно поле В 11 успоредно на подложките 2 и 3, и на дългите страни на контакти 4, 5, 6, 7, 8 и 9, води до странично (латерално) отклонение на токовите линии по цялото протежение на нелинейната им траектория, но от ключово значение е въздействието върху компонентите 1₆ и - Ιη през централните контакти 6 и 7. Това се дължи на действието на силите на Лоренц F_L;i, F_L = iyV_dr х В, където q е елементарният товар на електрона, а У* е векторът на средната дрейфова скорост на електроните в подложките 2 и 3, [4, 5]. На Фигура 1 магнитният вектор В 11 е перпендикулярен на напречните сечения на подложките 2 и 3. В резултат на Лоренцовото отклонение от силата F_L, в зависимост от посоките на токовете 4 и - Е и на магнитното поле В 11, нелинейната траектория се “свива” и съответно “разширява”. По тази причина върху планарните контакти 4 и 9, и съответно 5 и 8 се генерират едновременно Холови потенциали ЦиЦ?) = ЦюЦЦ и - Vhs(#) = - Uhs(B). Фактически измерваното магнитно поле В 10 нарушава електрическата симетрия на токовите траектории спрямо централните контакти 6 и 7. Следователно върху диференциалния изход 10 на преобразувателя възниква напрежение на Хол 7ю(В) = Vn.4-s(fi), което е резултат от целия захранващ ток през контакти 6 и 7. Този сигнал е линейна и нечетна функция от силата на токовете /₆ и Ι_Ί, и на магнитното поле В 11. В известното решение захранващият ток / 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 равнинно-магниточувствителен сензор от Фигура 1. Върху свързаните крайни контакти 4 и 9, и съответно 5 и 8 се генерират Холови потенциали с един и същ знак и стойност. Тъй като в общия случай напрежението на Хол е неотличимо от паразитнния офсет [4, 5, 6], решението от Фигура 1 позволява драстичното му редуциране. Ако се съединят контакти 4 и 5, и съответно 8 и 9, възниква компенсиране (нулиране) на информационните Холови потенциали:

Гн.4 (В) = | - Vh,s(B) I и Ун, ₈(В) = I - W) I ·

В резултат магниточувствителността отсъства, а остава единствено паразитният офсет. Целта е минимизирането му във всеки един момент и осъществявайки след това схемотехнически корекция на информационния изходен сигнал, независимо от наличието на външно магнитно поле. Такъв подход се прилага за първи път в сензориката на Хол елементите.

Неочакваният положителен ефект на новото техническо решение се заключава в иновативните схемотехника и конструкция, чрез които при един захранващ източник 1 токът /₆.₇ генерира и в двете подложки 2 и 3 двойно по-висока магниточувствителност. Освен това оригиналното свързване на крайните контакти 4, 5 и съответно 8, 9 минимизира неминуемият паразитен офсет чрез протичане на компенсационни изравнителни токове. За първи път в сензориката на Хол елементите чрез новия преобразувател може да се осъществи пълно потискане на магниточувствителността в присъствие на магнитно поле. Този резултат е следствие от идентичността на двете структури 2 и 3 заедно с разположените върху едната им страна омични контакти и общия захранващ ток. Чрез свързването на контакти 4 и 5, и съответно на 8 и 9, еднаквите по стойност, но с противоположен знак потенциали на Хол се напълно компенсират (нулират). Това позволява получаване във всеки момент на информация за стойността и знака на офсета с цел неговото екстрахиране от изходния сигнал 10 на сензора.

Равнинно-магниточувствителният преобразувател на Хол може да се реализира с CMOS, BiCMOS технология или микромашининг като преобразувателните зони 2 и 3 ще представляват дълбоки п-тип правоъгълни силициеви джобове. По-дълбоко проникване на тока Ц-ί в обема на подложките 2 и 3, респективно по-ефективно въздействие на силата на Лоренц F_L върху токовите линии както и дефиниране дебелината на п-тип силициевите подложки 2 и 3 в посока на магнитното поле В 11 се постига чрез формиране около правоъгълните омични контакти 4, 5, 6, 7 и 8 и в близост до тях на дълбоки ограничителни р-тип рингове с правоъгълна форма. Действието на предложения преобразувател на Хол е осъществимо в широк температурен диапазон, включително и при криогенни температури. За още по-висока чувствителност за целите на слабополевата магнитометрия и навигацията, подложките 2 и 3 се разполагат между два еднакви продълговати концентратори на магнитното поле В 11 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] Ch. Roumenin, “Solid State Magnetic Sensors”, Elsevier, Amsterdam, 1994, p. 450; ISBN: 0 444 89401.

[5] 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.

[6] 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.

Claims

ПАТЕНТНИ ПРЕТЕНЦИИ

4 ’Равнинно-магниточувствителен преобразувател на Хол, съдържащ токоизточник и полупроводникови правоъгълни подложки с п-тип примесна проводимост, върху едната страна на които последователно и на разстояния един от друг от ляво на дясно са формирани правоъгълни омични контакти - по един централен, а останалите са симетрични спрямо тях, измерваното магнитно поле е успоредно както на равнината на подложките, така и на дългите страни на контактите, ХАРАКТЕРИЗИРАЩ СЕ с това, че полупроводниковите подложки са идентични и са две първа (2) и втора (3), разположени успоредно една спрямо друга, върху едната страна на всяка от подложките (2) и (3) са формирани съответно по три еднакви контакти - първи (4) и (5), втори (6) и (7), и трети (8) и (9) като вторите контакти (6) и (7) са централните, а първите (4) и (5) и третите (8) и (9) са симетрично разположени спрямо тях, изводите на токоизточника (1) са съединени с двата централни контакта (6) и (7), първият контакт (4) от първата подложка 2 е свързан с третия контакт 9 от втората 3, а третият контакт (8) от първата (2) - с първия контакт (5) от втората подложка (3), а първият (4) и третият (8) контакти от първата подложка (2) са диференциалният изход (10) на преобразувателя на Хол.