BG112115A - Микросензор на хол с тангенциална чувствителност - Google Patents

Abstract

Микросензорът на Хол с тангенциална чувствителност съдържа полупроводникова подложка (1) с примесен тип проводимост, върху едната страна на която са формирани на равни разстояния един от друг три правоъгълни омични контакта, съответно първи (2), втори (3) и трети (4), разположени успоредно на дългите си страни, като вторият (3) е централен и спрямо него от двете му дълги страни са разположени - отляво първият (2) и отдясно - третият (4) контакт. Откъм късите страни на централния контакт (3) и на равни разстояния от него има още по един страничен омичен контакт - трети (7) и четвърти (8), токоизточник (11) и измервателен усилвател (12). Първият (2) и третият (4) правоъгълни контакти са съединени с единия извод на токоизточника (11), другият извод на който е свързан с централния контакт (3). Третият (7) и четвъртият (8) странични контакти са свързани с входа на усилвателя (12). Измерваното магнитно поле (16) е в равнината на подложката (1) и е перпендикулярно на дългите страни на контактите (2, 3 и 4). Формирани са още две двойки странични омични контакти първи (5) и втори (6), и пети (9) и шести (10), разположени откъм късите страни на левия (2) и съответно на десния (4) правоъгълен контакт. Първият (5), третият (7) и петият (9) странични контакти са откъм едната къса страна, а вторият (2), четвъртият (8) и шестият (10) - съответно откъм другата къса страна на правоъгълните контакти (2, 3 и 4). Страничните контакти първи (5) и шести (10) са свързани с входа на друг измервателен усилвател (13), а втория (6) и петия (9) контакт са съединени помежду си. Първият (5) и третият (7) странични контакти са съединени едновременно само с неинвертиращите или съответно само с инвертиращите входове на двата усилвателя (12 и 13), изходите на които са свързани с входа на диференциален усилвател (14), чийто изход е изходът (15) на микросензора на Хол.

Description

Изобретението се отнася до микросензор на Хол с тангенциална чувствителност, приложимо в областта на сензориката, роботиката и мехатрониката, когнитивните интелигентни системи, безконтактната автоматика и безконтактното измерване на ъглови и линейни премествания, позиционирането на обекти в равнината и пространството, микро- и нано-технологиите, енергетиката, автомобилостроенето, биомедицината, контролно-измервателната технология и слабополевата магнитометрия, военното дело и контратероризма, и др.

ПРЕДШЕСТВАЩО СЪСТОЯНИЕ НА ТЕХНИКАТА

Известен е микросензор на Хол с тангенциална чувствителност, съдържащ полупроводникова подложка с примесен тип проводимост, върху едната страна на която са формирани на равни разстояния един от друг три правоъгълни омични контакта, разположени успоредно на дългите си страни като един от тях е централен и спрямо него от двете му дълги страни са разположени другите два, които са крайни. Откъм късите страни на централния контакт и на равни разстояния от него има още по един страничен омичен контакт. Крайните контакти са захранващи и са съединени с единия извод на токоизточник, другият извод на който е свързан с централния контакт. Двата странични контакта са съединени с входа на измервателен усилвател, изходът на който е изход на микросензора на Хол като измерваното магнитно поле е в равнината на подложката и е перпендикулярно на дългите страни на правоъгълните контакти, [1,2,3].

Недостатък на този микросензор на Хол с тангенциална чувствителност е ниската стойност на магниточувствителността в резултат на частично регистриране на напрежението на Хол, генерирано върху повърхността на подложката в зоните откъм късите страни на захранващите контакти.

ТЕХНИЧЕСКА СЪЩНОСТ

Задача на изобретението е да се създаде микросензор на Хол с тангенциална чувствителност с висока магниточувствителност.

Тази задача се решава с микросензор на Хол с тангенциална чувствителност, съдържащ полупроводникова подложка с примесен тип проводимост, върху едната страна на която са формирани на равни разстояния един от друг три правоъгълни омични контакта съответно първи, втори и трети. Те са разположени успоредно на дългите си страни като вторият е централен и спрямо него от двете му дълги страни са разположени - от ляво първият и от дясно - третият. Откъм късите страни на трите контакта и на равни разстояния от тях има още по един страничен омичен контакт - първият и вторият са при левия правоъгълен контакт, третият и четвъртият - при централния, а петият и шестият - при левия контакт. Първият, третият и петият контакти са откъм едната къса страна, а вторият, четвъртият и шестият - съответно откъм другата къса страна на правоъгълните контакти. Първият и третият правоъгълни контакти са съединени с единия извод на токоизточник, другият извод на който е свързан с централния контакт. Страничните контакти трети и четвърти са съединени с входа на измервателен усилвател, първи и шести са свързани с входа на друг измервателен усилвател, а втори и пети контакти са съединени помежду си. Първият и третият странични контакти са съединени едновременно само с неинвертиращите или съответно само с инвертиращите входове на двата измервателни усилвателя. Изходите на тези усилватели са свързани с входа на диференциален усилвател, чийто изход е изходът на микросензора на Хол като измерваното магнитно поле е в равнината на подложката и е перпендикулярно на дългите страни на правоъгълните контакти.

Предимство на изобретението е високата магниточувствителност в резултат на оползотворената максимална стойност на генерираното напрежение на Хол върху подложката, а не само на малка част от него.

Предимство е също повишената резолюция при детектиране на минимална магнитна индукция, поради високата чувствителност и увеличеното отношение сигнал/шум.

Предимство е още и увеличената измервателна точност по причина на високата магниточувствителност.

ОПИСАНИЕ НА ПРИЛОЖЕНИТЕ ФИГУРИ

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

ПРИМЕРИ ЗА ИЗПЪЛНЕНИЕ

Микросензорът на Хол с тангенциална чувствителност съдържа полупроводникова подложка 1 с примесен тип проводимост, върху едната страна на която са формирани на равни разстояния един от друг три правоъгълни омични контакта съответно първи 2, втори 3 и трети 4. Те са разположени успоредно на дългите си страни като вторият 3 е централен и спрямо него от двете му дълги страни са разположени - от ляво първият 2 и от дясно - третият 4. Откъм късите страни на трите контакта 2, 3 и 4 и на равни разстояния от тях има още по един страничен омичен контакт първият 5 и вторият 6 са при левия правоъгълен контакт 2, третият 7 и четвъртият 8 - при централния 3, а петият 9 и шестият 10 - при левия контакт 4. Първият 5, третият 7 и петият 9 контакти са откъм едната къса страна, а вторият 2, четвъртият 8 и шестият 10 - съответно откъм другата къса страна на правоъгълните контакти 2, 3 и 4. Първият 2 и третият 4 правоъгълни контакти са съединени с единия извод на токоизточник 11, другият извод на който е свързан с централния контакт 3. Страничните контакти трети 7 и четвърти 8 са съединени с входа на измервателен усилвател 12, първи 5 и шести 10 са свързани с входа на друг измервателен усилвател 13, а втори 6 и пети 9 контакти са съединени помежду си. Първият 5 и третият 7 странични контакти са съединени едновременно само с неинвертиращите или съответно само с инвертиращите входове на двата измервателни усилвателя 12 и 13. Изходите на тези усилватели 12 и 13 са свързани с входа на диференциален усилвател 14, чийто изход е изходът 15 на микросензора на Хол като измерваното магнитно поле 16 е в равнината на подложката 1 и е перпендикулярно на дългите страни на правоъгълните контакти 2, 3 и 4.

Действието на микросензора на Хол с тангенциална чувствителност, съгласно изобретението, е следното. При включване на крайните 2 и 4 и на централния 3 контакти към токоизточника 11, в областите на подложката 1 под тези електроди протичат захранващи токове /₂, - h и Л като /₂ = Л· Важна особеност е, че токове 1₂ и Ц през левия 2 и десния 4 контакти са съпосочни, а през средния 3 токът - /₃ е с противоположна посока спрямо тях. В резултат на структурната симетрия на микросензора (левият 2 и десният 4 правоъгълни контакти са на едно и също разстояние спрямо централния 3), са в сила следните съотношения между тези токове: /₂ = Д, /₂ + Ц = /₃, т.е. средната компонента е два пъти по-голяма от крайните. Омичните контакти 2, 3 и 4 представляват еквипотенциални равнини, към които в отсъствие на външно магнитно поле В 16, В = 0, токовите линии през тях са винаги перпендикулярни спрямо горната страна на подложката 1, прониквайки дълбоко в обема й. Токовете /₃,₂ и /_3;4 в останалата част от обема са успоредни на горната страна.

Включването на тангенциално (странично) спрямо дългите страни на правоъгълните контакти 2, 3 и 4 магнитно поле В 16, т.е. перпендикулярно на дългите им страни, води до възникване на странична и съпосочна Лоренцова дефлекция на вертикалните токови компоненти /₂ и Ц под контактите 2 и 4, генерирана от силата на Лоренц F_L = q V_dr х В, където q е елементарният товар на електрона, a Vdr е векторът на средната дрейфова скорост на носителите. Токът /₃ под средния контакт 3 под действието на силата на Лоренц F_L също се отклонява, но в противоположна посока. Ето защо върху повърхността на подложката 1 в зоните около страничните контакти 5 и 6, 7 и 8, и 9 и 10 се генерират Холови потенциали. Чрез ефекта на Хол, обобщен за всички видове твърдотелни кристални структури, в това число и такива с равнинна магниточувствителност [2,3,4], върху повърхността на подложката 1 възникват три напрежения на Хол Ун5,б(В), Ун9,1о(В) и - УшХЯ). Първите две са еднакви по стойност и са с един и същ знак, а третото напрежение - V_H7,s(^) е два пъти по-голямо от тях и е с противоположна полярност. Следва да се отбележи, че по принцип към тези изходни сигнали се добавят алгебрично паразитните офсети Ун5,б(0), ν_Η9,ιο(θ) и Vh7,s(0) в отсъствие на магнитно поле В 16, В = 0 за съответните три конфигурации на Хол 5-2-6, 7-3-8 и 9-4-10. Предвид обаче, високата прецизност на интегралните микроелектронни технологии и симетрията на сензорната конфигурация, Фигура 1, офсетите са твърде ниски по стойност. Иновативният способ, приложен в новото техническо решение е последователното свързване на двете Холови архитектури с тангенциална чувствителност, формирани чрез захранващите контакти 2 и 4, и съответно страничните терминали 5-6 и 9-10, т.е. съединяването на контакти 6 и 9. Осъществено е сумиране на двете еднакви напрежения на Хол Ц 15.6(F) и V_H9,io(F), V_h5,₆(F) + V_H9,io(F). По този начин върху страничните контакти 5 и 10 възниква сумарно напрежение на Хол 1h5,io(F), равно по стойност на напрежението - Vh7,s(F), конфигурирано чрез централния контакт 3 и страничните електроди 7 и 8. Важна особеност е, че тези две напрежения на Хол са с противоположен знак. Подаването на сигналите V/ioC#) и - У₇₎₈(В) на входовете на двата измервателни усилвателя 12 и 13 осъществява схемно развързване на изходите на така формираните две сензорни архитектури, минимизирайки драстично взаимното им влияние. Също така е възможно с измервателните усилватели 12 и 13 да се усилят напреженията Vs,io(F) и -У_7?8(В). Условието първият 5 и третият 7 странични контакти да са съединени едновременно само с неинвертиращите или съответно само с инвертиращите входове на усилвателите 12 и 13 е продикувано от изискването за еднозначно запазване на полярностите на напреженията на изходите на усилватели 12 и 13 с тези на Ходовите сигнали V/ioC#) и -Vqf(B), подадени на техните входове. Чрез диференциалния усилвател 14 напреженията от двата усилвателя 12 и 13 се изваждат:

V5,io - V₇,₈ = (V₅,ю(В)) - (- У₇,₈(В)) = 2У_Н(В); V₅,₁₀ = Ун5,б(В) + Vh9,io(B)

Съгласно този резултат, чрез изваждане на генерираните сигнали Убдо и - V₇.₈ от Холовите архитектури напрежението на изхода Vi5(B) 15 на диференциалния усилвател 14 е удвоено 2V_H(B), (приема се че коефициентите на усилване на усилвателите 12 и 13 са идентични и равни на 1). Следователно магниточувствителността на микросензора на Хол е удвоена в сравнение с известното решение, едновременно с увеличаване на измервателната точност. При това ако има евентуални паразитни офсети, те също се изваждат, но тъй като са с един и същ знак остатъчният офсет V_Off(0) на изхода 15 е драстично редуциран. Предвид силното редуциране на офсетите, собственият 1// (фликер) шум на двата канала У₅до и - V₇.s се намалява и се повишава отношението сигнал/шум на изхода 15. Така резолюцията за детектиране на минимална магнитна индукция 2?_m;_n нараства.

Неочакваният положителен ефект на новото техническо решение е както оригиналната му конструкция, така и че с един и същ захранващ ток се генерират три отделни напрежения на Хол, две от които сумирани дават точно стойността на третото, но с противоположен знак. Чрез усилвателите 12, 13 и 14 се извлича цялата възможна метрологична информация, генерирана от измерваното магнитно поле В 16 чрез ефекта на Хол, повишавайки точността.

Интегралната микроелектронна технология позволява всички елементи, свързани с новия микросензор на Хол, включително усилвателите 12, 13 и 14 да се реализират върху общ силициев чип, формирайки интелигентна микросистема (MEMS), [4]. Функционирането на предложения микропреобразувател е осъществимо в широк температурен интервал, включително при криогенни температури. За още по-висока чувствителност за целите на слабополевата магнитометрия и сигурността, сензорът се разполага между два еднакви продълговати концентратори на магнитното поле В 16 от ферит или μ-метал.

ПРИЛОЖЕНИЕ: една фигура

ЛИТЕРАТУРА

[1] К. Maenaka, Т. Ohgusu, М. Ishida, Т. NakaMura, “Novel vertical Hall cells in stanadard bipolar technology”, Electronic Letters, 23 (1987) pp. 1104-1105.

[2] C.S. Roumenin, “Microsensors for magnetic field”, in MEMS - practical guide to design, analysis and applications, ed. J.G. Korvink and O. Paul, William Andrew Publishing, USA, 2006; ISBN: 0-8155-1497-2.

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

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

Claims (1)

1. 4 .Микросензор на Хол с тангенциална чувствителност, съдържащ полупроводникова подложка с примесен тип проводимост, върху едната страна на която са формирани на равни разстояния един от друг три правоъгълни омични контакта съответно първи, втори и трети, разположени успоредно на дългите си страни като вторият е централен и спрямо него от двете му дълги страни са разположени - от ляво първият и от дясно - третият, откъм късите страни на централния контакт и на равни разстояния от него има още по един страничен омичен контакт - трети и четвърти, токоизточник и измервателен усилвател, първият и третият правоъгълни контакти са съединени с единия извод на токоизточника, другият извод на който е свързан с централния контакт, третият и четвъртият странични контакти са съединени с входа на усилвателя като измерваното магнитно поле е в равнината на подложката и е перпендикулярно на дългите страни на правоъгълните контакти, ХАРАКТЕРИЗИРАЩ СЕ с това, че са формирани още две двойки странични омични контакти първи (5) и втори (6), и пети (9) и шести (10), разположени на равни разстояния откъм късите страни на левия (2) и съответно на десния (4) правоъгълен контакт, първият (5), третият (7) и петият (9) странични контакти са откъм едната къса страна, а вторият (2), четвъртият (8) и шестият (10) - съответно откъм другата къса страна на правоъгълните контакти (2), (3) и (4), страничните контакти първи (5) и шести (10) са свързани с входа на друг измервателен усилвател (13), а втори (6) и пети (9) контакти са съединени помежду си, първият (5) и третият (7) странични контакти са съединени едновременно само с неинвертиращите или съответно само с инвертиращите входове на двата измервателни усилвателя (12) и (13), изходите на които са свързани с входа на диференциален усилвател (14), чийто изход е изходът (15) на микросензора на Хол.