BG112436A - Равнинно-магниточувствително устройство на хол - Google Patents

Abstract

Равнинно-магниточувствителното устройство на Хол съдържа две еднакви полупроводникови подложки с n-тип проводимост - първа (1) и втора (2), разположени успоредно една спрямо друга и токоизточник (3). Върху едната страна на всяка от подложките (1) и (2) последователно и на разстояния един от друг са формирани от ляво на дясно по четири правоъгълни омични контакта - първи (4), (5), втори (6), (7), трети (8), (9) и четвърти (10), (11). Единият извод на токоизточника (3) е съединен едновременно с контакта (6) на подложката (1) и контакта (11) на подложката (2), а другият му извод - със средната точка на нискоомен тример (12), крайните изводи на който са свързани съответно с контакта (10) на първата (1) и контакта (7) на втората подложка (2). Контактите (4) и (5) са съединени помежду си. Контактите (8) и (9) са диференциалният изход (13) на устройството на Хол, като измерваното магнитно поле (14) е успоредно както на равнините на подложките (1) и (2), така и на дългите страни на контактите (4), (5), (6), (7), (8), (9), (10) и (11).

Description

РАВНИННО-МАГНИТОЧУВСТВИТЕЛНО УСТРОЙСТВО НА ХОЛ

ОБЛАСТ НА ТЕХНИКАТА

Изобретението се отнася до равнинно-магниточувствително устройство на Хол, приложимо в областта на микро- и нано-технологиите, роботиката и мехатрониката, сензориката, роботизираната и 3D хирургия, безпилотните летателни апарати и системи, електромобилите и хибридните превозни средства, когнитивните системи с изкуствен интелект, биомедицинските изследвания, енергетиката и енергийната ефективност, безконтактното измерване на ъглови и линейни премествания, навигацията, контролно-измервателната техника и слабополевата магнитометрия, военното дело и сигурността, и др.

ПРЕДШЕСТВАЩО СЪСТОЯНИЕ НА ТЕХНИКАТА

Известно е равнинно-магниточувствително устройство на Хол, съдържащо две еднакви полупроводникови подложки с /z-тип проводимост - първа и втора, разположени успоредно една спрямо друга и токоизточник. 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 непосредствено свързани помежду си. Вторият контакт от първата подложка е съединен е четвъртия от втората, а четвъртият от първата - е втория контакт от втората подложка. Изводите на токоизточника са свързани с втория и четвъртия контакт от първата подложка. Диференциалният изход на устройството 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 -4].

Недостатък на това равнинно-магниточувствително устройство на Хол е ниската чувствителност, тъй като изходите на двата петконтактни елемента на Хол са свързани паралелно, което е равносилно на изходно напрежение само от един елемент на Хол.

Недостатък е също усложнената конструкция на устройството, съдържаща десет омични контакта и общо пет връзки между тях.

ТЕХНИЧЕСКА СЪЩНОСТ

Задача на изобретението е да се създаде равнинномагниточувствително устройство на Хол с висока чувствителност и опростена конструкция е по-малък брой контакти и връзки между тях.

Тази задача се решава с равнинно-магниточувствително устройство на Хол, съдържащо две еднакви полупроводникови подложки е /г-тип проводимост - първа и втора, разположени успоредно една спрямо друга и токоизточник. Върху едната страна на всяка от подложките последователно и на разстояния един от друг са формирани от ляво на дясно по четири правоъгълни омични контакти - първи, втори, трети и четвърти. Единият извод на токоизточника е съединен едновременно е втория контакт на първата подложка и четвъртия контакт на втората подложка, а другият му извод - със средната точка на нискоомен тример, крайните изводи на който са свързани съответно с четвъртия контакт на първата и втория контакт на втората подложка. Двата първи контакта са съединени помежду си. Двата трети контакта са диференциалният изход на устройството на Хол 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 генерираните от захранващите токове в двете подложки две напрежения на Хол, които чрез така осъществените вързки между контактите се сумират.

Предимство е също опростената конструкция на устройството, съдържащо общо осем, вместо десет контакта и три връзки между тях вместо пет както е в известното решение.

Предимство е още възможността за пълно компенсиране на паразитното напрежение на несиметрия на изхода в отсъствие на магнитно поле (офсет) и минимизирането на температурния му дрейф с помощта на включения в захранващата верига нискоомен тример.

Предимство е и повишената метрологична точност и резолюция от високото ниво сигнал/шум, поради съществената магниточувствителност на устройството и компенсирания офсет на изхода.

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-магниточувствителното устройство на Хол съдържа две еднакви полупроводникови подложки с п-тип проводимост - първа 1 и втора 2, разположени успоредно една спрямо друга и токоизточник 3. Върху едната страна на всяка от подложките 1 и 2 последователно и на разстояния един от друг са формирани от ляво на дясно по четири правоъгълни омични контакти - първи 4, 5, втори 6, 7, трети 8, 9 и четвърти 10, 11. Единият извод на токоизточника 3 е съединен едновременно е втория контакт 6 на първата подложка 1 и четвъртия контакт 11 на втората подложка 2, а другият му извод - със средната точка на нискоомен тример 12, крайните изводи на който са свързани съответно е четвъртия контакт 10 на първата 1 и втория контакт 7 на втората подложка 2. Двата първи контакта 4 и 5 са съединени помежду си. Двата трети контакта 8 и 9 са диференциалният изход 13 на устройството на Хол като измерваното магнитно поле 14 е успоредно както на равнините на подложките 1 и 2, така и на дългите страни на контактите 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10 и 11.

Действието на равнинно-магниточувствителното устройство на Хол, съгласно изобретението, е следното. При включване на контакти 6 и 11, и съответно 10 и 7 към токоизточника 3, в обема на еднаквите подложки 1 и 2 протичат равни по стойност и противоположно насочени захранващи токове Ζ₆,ιο и - Ι_η,ι, Фигура 1. Токовите линии в двете полупроводникови структури 1 и 2 са криволинейни, тъй като в отсъствие на магнитно поле В 14 планарните захранващи контакти 6, 10, 7 и 11, през които протичат токовете са еквипотенциални равнини. Ето защо токовите линии първоначално са насочени вертикално в обема на подложките 1 и 2, след което променят посоката си и стават успоредни на горните им равнини. Дълбочината на проникване w на токовите линии при фиксирана концентрация на легиращата донорна примес N_D ~ 10¹⁵ cm'³ в п-тип силициевите подложки 1 и 2 съставлява около w ~ 30 - 40 pm. Поради неминуеми несъвършенства в технологията, несъосност на маските, дефекти в силициевите пластини при реализацията на образците и др., на диференциалния изход V_out 13 на устройството на Хол възниква паразитно напрежение на несиметрия (офсет) в отсъствие на външно магнитно поле В = 0 14. Този сигнал и температурният му дрейф внасят съществена грешка в метрологията на магнитната индукция В. По тази причина неговото компенсиране (нулиране) е от съществено значение за точността. В новото решение този проблем е отстранен с нискоомния тример г 12 между захранващите контакти 10 и 7. Варирайки стойността на г 12 може да се постигне пълна компенсация на офсета, т.е. ν_ολΛ(Β = 0) = 0.

В магнитно поле В 14 с фиксирана ориентация спрямо равнините на подложките 1, 2, силата на Лоренц F_L = qV х В, в зависимост от посоките на токовете /_6>10 и - деформира по различен начин токовите линии, където q е товарът на електрона, a V е средната дрейфова скорост на носителите, [4, 5]. В едната подложка, например първата 1, силата F_L „свива” траекторията /_6>10 към горната повърхност с контакти 4, 6, 8 и 10 като концентрацията на електроните в областта на контакт 8 нараства, а в зоната на контакт 4 намалява. В резултат между електроди 4 и 8 възниква напрежение на Хол Vh4,s(^)· Освен преместване нагоре, най-силно изразено в средната част на траекторията на тока /_бд₀, силата F_L отклонява латерално в противоположни посоки токове 1₆ и 1₁₀ под двата контакта 6 и 10. Това води до допълнителна концентрация на токоносители съответно с положителен и отрицателен знак в приповърхностните области с Холови контакти 4 и 8. В резултат обемното съпротивление R_6>10 между контакти 6 и 10 се променя линейно, което от своя страна повишава напрежението на Хол Ун4,8(в)· Проведеното изследване показва, че допълнителното изменение (нараствайе/намаляване) на Холовия сигнал Vh4,s(^) съставлява около 30 %, [6]. Описаният по-горе комплексен сензорен механизъм е идентичен с този във втората подложка 2. Там обаче силата на Лоренц F_L „разгъва” токовите линии (- Ι_η>Ί) в обема, т.е. тя редуцира концентрацията на електроните под контакт 9 (в средната част на траекторията /ц₍₇). По тази причина между контакти 5 и 9 възниква напрежение на Хол - V_H5,9(B), което е със същата стойност както това в подложка 1, но е с противоположен знак от тока - /_п,7· Силата на Лоренц F_L също отклонява латерално токовете /₇ и 7ц под контакти 7 и 11. Това променя допълнително количеството на токоносителите в приповърхностните зони с Холови контакти 5 и 9. Нестандартното свързване на контакти 4 и 5 от двете подложки 1 и 2 осъществява сумиране на двете напрежения на Хол Vo_Ut(#) = Vh4,8(#) + |- Ун5,9(^)1· Следователно изходният сигнал Vout(^) 13 превъзхожда съществено този от известното решение. Освен това при компенсиран офсет температурният му дрейф е минимален, което съдейства за по-висока точност. Новото равнинно-магниточувствително устройство съдържа осем, а не десет омични контакта, а връзките между тях са три, а не пет, което значително опростява конструкцията и схемотехниката.

Неочакваният положителен ефект на новото техническо решение се заключава в оригиналната конструкция и нестандартното свързване на контактите 4-5, 6-11и10-7на двете подложки 1 и 2. Освен това захранването 3 може да бъде в режим генератор на ток или генератор на напрежение, разширявайки така схемотехническите възможности. В тези сензорни структури 1 и 2 чрез странично отклонение на захранващите токове под контакти 6 и 10, и съответно 7 и 11 се постига линейно модулиране в магнитно поле В 14 на съпротивленията под изходните контакти 8 и 9, което води до допълнително повишаване на магниточувствителността. Функционалното интегриране на двата четириконтактни елемента на Хол увеличава както отношението сигнал/шум така и резолюцията за детектиране на минималната стойност на магнитната индукция В резултат се подобрява метрологичната точност на устройството.

Равнинно-магниточувствителното устройство на Хол може да се реализира е CMOS, BiCMOS или микромашининг технологии като в силициевия чип преобразувате лните зони представляват дълбоки и-тип джобове 1 и 2. Функционирането на устройството е в широк температурен интервал, включително в криогенна среда. За още по-висока чувствителност за целите на слабополевата магнитометрия, навигацията и контратероризма подложките 1 и 2 могат да се разположат между два еднакви концентратора на магнитното поле В 14 от ферит или μ-метал.

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 O. Paul, William Andrew Publ., USA, 2006, pp. 453-523; ISBN: 0-8155-1497-2.

[5] S. Lozanova, C. Roumenin, Parallel-field silicon Hall effect microsensors with minimal design complexity, IEEE Sensors J., 9(7) (2009) pp. 761-766.

[6] T. Phetchakut, S. Poonsawat, A. Poyai, The effect of deviation current to 5 contacts vertical Hall devices, Proc, of the 13^th IEEE Intern. Conf, on Electrical Engin./Electronics, Computer, Telecommun. and Inform. Techn. (ECTI-CON), 2016.

Claims (1)

1. ПАТЕНТНИ ПРЕТЕНЦИИ /, Равнинно-магниточувствително устройство на Хол, съдържащо еднакви полупроводникови подложки с /г-тип проводимост, разположени успоредно една спрямо друга и токоизточник, върху едната страна на всяка от подложките последователно и на разстояния един от друг са формирани от ляво на дясно по еднакъв брой правоъгълни омични контакти като измерваното магнитно поле е успоредно на равнините на подложките и на дългите страни на контактите, ХАРАКТЕРИЗИРАЩО СЕ с това, че подложките са две - първа (1), втора (2), върху всяка от тях има по четири контакта - първи (4) и (5) втори (6) и (7), трети (8) и (9) и четвърти (10) и (11), единият извод на токоизточника (3) е съединен едновременно с контакт (6) на подложка (1) и контакт (11) на подложка (2), а другият му извод - със средната точка на нискоомен тример (12), крайните изводи на който са свързани съответно с контакт (10) на първата (1) и контакт (7) на втората подложка (2) като контакти (4) и (5) са съединени помежду си, двата трети контакта (8) и (9) са диференциалният изход (13) на устройството на Хол.