BG112442A - Микросензор на хол - Google Patents

Abstract

Микросензорът на Хол съдържа две еднакви паралелепипедни полупроводникови подложки с n-тип проводимост - първа (1) и втора (2), и токоизточник (3). Върху едната страна на подложките (1 и 2) последователно и на равни разстояния са формирани отляво надясно по три правоъгълни омични контакти - първи (4 и 5), втори (6 и 7), и трети (8 и 9), разположени успоредно на дългите си страни. Вторите контакти (6 и 7) са централни, а от двете им дълги страни са разположени симетрично първите (4 и 5) и третите (8 и 9) контакти. Първият (4) и третият (8) контакт от подложката (1) са свързани накръст съответно с третия (9) и с първия (5) контакт от подложката (2). Двата централни контакта (6 и 7) са съединени с двата извода на токоизточника (3). Диференциалният изход (10) на микросензора са първият (5) и третият (9) контакт на втората подложка (2), като измерваното магнитно поле (11) е успоредно както на равнините на подложките (1 и 2), така и на дългите страни на контактите (4, 5, 6, 7, 8 и 9).

Description

МИКРОСЕНЗОР НА ХОЛ

ОБЛАСТ НА ТЕХНИКАТА

Изобретението се отнася до микросензор на Хол, приложимо в областта на роботиката, сензориката, мехатрониката, системите с изкуствен интелект, роботизираната и 3D хирургия, микро- и нанотехнологиите, безконтактното измерване на ъглови и линейни премествания, контролно-измервателната техника и слабополевата магнитометрия, навигацията, електромобилите и хибридните транспортни средства, биомедицината, енергетиката, военното дело, сигурността и контратероризма.

ПРЕДШЕСТВАЩО СЪСТОЯНИЕ НА ТЕХНИКАТА

Известен е микросензор на Хол (с равнинна магниточувствителност), съдържащ паралелепипедна полупроводникова подложка с п-тип проводимост, върху едната страна на която последователно и на разстояния един от друг са формирани три правоъгълни омични контакти първи, втори и трети, и токоизточник. Вторият контакт е централен като първият и третият са симетрични спрямо него. Първият и третият контакт през еднакви по стойност товарни резистори са свързани с единия извод на токоизточника, а другият - с централния контакт. Диференциалният изход на микросензора са първият и третият контакт като измерваното магнитно поле е успоредно както на равнината на подложката, така и на дългите страни на контактите, [1 - 6].

Недостатък на този микросензор на Хол е усложнената микроелектронна реализация, изискваща различни по своята технологична същност операции, от една страна - за трите контакта върху полупроводниковата (силициевата) подложка, а от друга - за двата товарни резистора.

Недостатък е също наличието на паразитно изходно напрежение в отсъствие на магнитно поле (офсет) в резултат от електрическа асиметрия, породена от геометрична в разположението на първия и третия контакт спрямо централния, неминуеми технологични несъвършенства при формирането на еднаквите товарни резистори и водещи до различия в техните стойности, нееднородни механични напрежения - най-често от корпусирането на чипа и метализацията на шините към площадките за бондиране, и др.

ТЕХНИЧЕСКА СЪЩНОСТ

Задача на изобретението е да се създаде микросензор на Хол с опростена и унифицирана технологична реализация и компенсиран (нулиран) офсет.

Тази задача се решава с микросензор на Хол, съдържащ две еднакви паралелепипедни полупроводникови подложки с /z-тип проводимост първа и втора, и токоизточник. Върху едната страна на подложките последователно и на равни разстояния един от друг са формирани от ляво на дясно по три правоъгълни омични контакти - първи, втори и трети, разположени успоредно на дългите си страни. Вторите контакти са централни, а от двете им дълги страни са разположени симетрично спрямо тях първите и третите контакти. Първият и третият контакт от първата подложка са свързани накръст съответно с третия и с първия контакт от втората подложка. Двата централни контакта са съединени с двата извода на токоизточника. Диференциалният изход на микросензора са първият и третият контакт на втората подложка като измерваното магнитно поле е успоредно както на равнините на подложките, така и на дългите страни на контактите.

Предимство на изобретението е опростената и унифицирана технологична реализация, изискваща едни и същи микроелектронни операции при формирпането на планарните контакти върху двете полупроводникови (силициеви) подложки като отпада необходимостта от специални процеси за формиране на товарни резистори.

Предимство е също компенсирането на паразитното изходно напрежение (офсетът) на микросензора на Хол чрез накръстното свързване на крайните контакти на двете подложки и възможността за прилагане на метода на токов спиннинг - бързото периодично комутиране на връзката между изводите на токоизточника и централните контакти.

Предимство е още минимизираното пълзене с времето на изходното напрежение без магнитно поле и на температурния му дрейф в резултат на еднотипните и еднакви елементи, формиращи микросензора на Хол, и отпадането на високоомните резистори.

Предимство е и повишената метрологична точност и резолюция от високото ниво сигнал/шум, поради минимизираното пълзене на изходното напрежение с времето и на температурния му дрейф.

ОПИСАНИЕ НА ПРИЛОЖЕНИТЕ ФИГУРИ

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

ПРИМЕРИ ЗА ИЗПЪЛНЕНИЕ

Микросензорът на Хол съдържа две еднакви паралелепипедни полупроводникови подложки е η-тип проводимост - първа 1 и втора 2, и токоизточник 3. Върху едната страна на подложките 1 и 2 последователно и на равни разстояния един от друг са формирани от ляво на дясно по три правоъгълни омични контакти - първи 4 и 5, втори 6 и 7, и трети 8 и 9, разположени успоредно на дългите си страни. Вторите контакти 6 и 7 са централни, а от двете им дълги страни са разположени симетрично спрямо тях първите 4 и 5, и третите 8 и 9 контакти. Първият 4 и третият 8 контакт от първата подложка 1 са свързани накръст съответно е третия 9 и с първия 5 контакт от втората подложка 2. Двата централни контакта 6 и 7 са съединени с двата извода на токоизточника 3. Диференциалният изход 10 на микросензора на Хол са първият 5 и третият 9 контакт на втората подложка 2 като измерваното магнитно поле 11 е успоредно както на равнините на подложките 1 и 2, така и на дългите страни на контактите 4, 5, 6, 7, 8 и 9.

Действието на микросензора на Хол, съгласно изобретението, е следното. По причина на планарността на захранващите омични контакти 6 и 7 в отсъствие на магнитно поле 11, В = 0, те представляват еквипотенциални равнини. Ето защо при включване на токоизточника 3, токовите траектории /б,4,8 ^и Л,5,6 първоначално са насочени вертикално надолу в обема на подложките 1 и 2, след което стават успоредни на горните им равнини. В областите под крайните контакти 4, 8, 5 и 9 токовите линии стават отново вертикални към горните равнини. Следователно токовете Z6>4>8 ^и 11,5,6 са криволинейни като всяка от тях се състои от две симетрични противоположни компоненти по отношение на централните контакти 6 и 7. Тъй като двете структури 1 и 2 са еднакви и симетрични като конфигурации, стойностите на захранващите токове също са равни, 16Аг& = Z_7;5;6. Освен това, оригиналната схема на свързване на кръст на контакти 4 — 9, и съответно 5-8, Фигура 1, посоките на токове /5,4,8 и 1₇,5,б в двата елемента 1 и 2 са противоположно насочени, = |- Ζγ^,βΙ· Поради неминуема геометрична и технологична асиметрия, възниква и електрическа, т.е. на изхода 10 се появява в отсъствие на магнитно поле В 11 паразитно изходно напрежение (офсет). В нашия случай, съгласно изобретението, този недостатък се отстранява с накръстното свързване на крайните контакти 4 — 9 и 5 - 8, и противоположно насочените токове в двете структури. В резултагт евентуалните геометрични/електрически асиметрии се компенсират значително. Още по-пълно неутрализиране на офсета се постига с метода на токов спиннинг, приложим в новия микросензор на Хол - бързото периодично комутиране на връзката между изводите на токоизточника 3 и централните контакти 6 и 7, водещо до съответна промяна на посоките на двата тока в структурите 1 и 2. Реализацията на микросензора с унифицирана микроелектронна технология на двата еднотипни и еднакви елементи върху подложките 1 и 2 и отпадането на високоомните резистори дава възможност за постигане на минимално пълзене на изходното напрежение 10 (офсета) с времето, типично за полупроводниковите сензори на Хол, както и на температурния му дрейф. Поради минимизираното пълзене на изхода и на температурния дрейф се повишава метрологичната точност и резолюцията на изхода 10 от нарастналото ниво сигнал/шум.

При наличие на измервано магнитно поле 11, В -ф 0, успоредно на равнината на подложките 1 и 2, и на дългите страни на правоъгълните контакти 4, 5, 6, 7, 8 и 9, съответните сили на Лоренц Z\ = i/V_dr х В оказват въздействие върху противоположно насочените токови компоненти в подложки 1 и 2, където V_dr е средната дрейфова скорост на електроните, a q е електрическият им товар. Например, токовите линии Z₆,4 и Z_7;9 се удължават навътре в обема на подложки 1 е 2, като върху повърхността в зоните с контакти 4 и 9 се генерират от ефекта на Хол допълнителни положителни товари. По тази причина там потенциалите стават положителни. Същевременно токови компоненти /_6>8 и /7,5 се „свиват” в посока към горната повърхност на подложки 1 и 2, увеличавайки отрицателния Холов потенциал върху контакти 8 и 5. Накръстното свързване на контакти 4 — 9 и 8 - 5 осъществява обединяване на контакти 4 - 9, и 8 - 5 с един и същ по стойност и знак потенциал. В резултат, на диференциалния изход 10 на микросензора в магнитно поле В 11 се генерира напрежение на Хол V_8>9(B) ^Ξ Vhio(^)· Ключова особеност в действието на новия преобразувател е, че товарните резистори в известното решение тук са заменени е ефективните съпротивления на двете половинки спрямо централните контакти 6 и 7, на който и да е от двата елемента върху подложки 1 и 2. По този начин технологията за реализация на микросензора става еднотипна, т.е. унифицирана, което осъществява посочените по-горе важни предимства. Не се налага да се използват специфични технологични операции за дискретни резистори.

Неочакваният положителен ефект на новото техническо решение се заключава в оригиналната схема на накръстно включване на двата еднакви по конструкция, геометрия и конфигурация структури 1 и 2, както и електрическата им симетрия. Постигната е унификация на технологичната реализация на микросензора и се използват вътрешните съпротивления на двата еднакви елемента 1 и 2 на Хол с равнинна чувствителност.

Формирането на микросензора може да се осъществи с дискретни триконтактни сензори на Хол, свързани съгласно иновативната схема от Фигура 1. По-добри характеристики и перформанс на решението, обаче може да се постигне на основата на силициевите интегрални процеси CMOS или BiCMOS, използвайки като подложки 1 и 2 п-тип „джобове” върху /?-Si пластини. Омичните контакти 4, 5, 6, 7, 8 и 9 се осъществяват, например, с йонна имплантация и са силно легирани и⁺-области в n-Si „джобове”. В общия случай ефективните съпротивления на симетричните половинки в двете структури 1 и 2, в зависимост от използваната технология, е около 6-10 1<Ω. Тези стойности са напълно достатъчни, за да може измененията на токовите компоненти в магнитно поле В 11 да генерират високи стойности на напрежението на Хол на изхода 10.

Функционирането на микросензора на Хол е равнинна чувствителност се осъществява в тверде широк температурен диапазон, включително и при криогенни температури. Преобразувателната ефективност може да се повиши чрез концентратори от ферит или μ-метал, увеличаващи плътността на магнитните силови линии 11 В в преобразувателните зони на микросензора.

ПРИЛОЖЕНИЕ: една фигура

ЛИТЕРАТУРА

[1] Ч.С. Руменин, П.Т. Костов, Планарен датчик на Хол, Авт. свид. BG № 37208/26.12.1983.

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

[3] Ch. Roumenin, “Microsensors for magnetic field”, Chapter 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.

[4] C. Sander, M.-C. Vecchi, M. Cornils, O. Paul, From three-contact vertical Hall elements to symmetrized vertical Hall sensors with low offset, Sensors and Actuators, A 240 (2016) pp. 92-102.

[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. 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 (1)

1. ПАТЕНТНИ ПРЕТЕНЦИИ < Микросензор на Хол, съдържащ еднакви паралелепипедни полупроводникови подложки с п-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 правоъгълни омични контакти, върху една от подложките - първата те са три - първи, втори и трети като вторият контакт е централен, а първият и третият са симетрични спрямо него, измерваното магнитно поле е успоредно на равнините на подложките и на дългите страни на контактите, ХАРАКТЕРИЗИРАЩ СЕ с това, че подложките са две, върху втората подложка (2) има също три контакта - първи (5), втори (7) и трети (9), вторият контакт (7) е централен, а първият (5) и третият (9) са симетрични спрямо него, двата извода на токоизточника (3) са съединени с централните контакти (6) и (7), първият (4) и третият (8) контакт от първата подложка (1) са свързани накръст съответно с третия (9) и с първия (5) контакт от втората подложка (2) като диференциалният изход (10) на микросензора на Хол са първият (5) и третият (9) контакт на втората подложка (2).