BG112445A - Магниточувствителен сензор - Google Patents

Abstract

Магниточувствителният сензор съдържа две еднакви и паралелепипедни полупроводникови подложки с п-тип проводимост, разположени успоредно една спрямо друга - първа (1) и втора (2), и токоизточник (3). Върху едната страна на подложките (1) и (2) последователно и на 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. Контактът (8) на подложката (1) и контактът (5) на подложката (2) са съединени с нискоомен тример (10), средната точка на който е свързана с единия извод на токоизточника (3). Контактът (6) на подложката (1) и контактът (7) на подложката (2) са свързани с другия извод на токоизточника (3). Диференциалният изход (11) на сензора са контактът (4) на подложката (1) и контактът (9) на подложката (2), като измерваното магнитно поле (12) е успоредно на равнините на подложките (1) и (2) и на дългите страни на контактите (4), (5), (6), (7), (8) и (9).

Description

МАГНИТОЧУВСТВИТЕЛЕН СЕНЗОР

ОБЛАСТ НА ТЕХНИКАТА

Изобретението се отнася до магниточувствителен сензор, приложим в областта на системите с изкуствен интелект, роботиката и мехатрониката, сензориката, роботизираната и 3D хирургия, биомедицината, микро- и нано-технологиите, безконтактното измерване на всички видове линейни и ъглови премествания, измервателната техника, навигацията, автоматизацията на процеси и производства, слабополевата магнитометрия, електромобилите и хибридните транспортни средства, енергетиката включително в платформите за получаване на енергия от морските вълни и бавно течащи води, военното дело, сигурността и контратероризма.

ПРЕДШЕСТВАЩО СЪСТОЯНИЕ НА ТЕХНИКАТА

Известен е магниточувствителен сензор (с равнинна чувствителност), съдържащ паралелепипедна полупроводникова подложка е п-тип проводимост, върху едната страна на която последователно и на разстояния един от друг са формирани четири правоъгълни омични контакти - първи, втори, трети и четвърти, и токоизточник. Първият и третият контакт са съединени е двата извода на токоизточника. Диференциалният изход на сензора са вторият и четвъртият контакт като измерваното магнитно поле е успоредно на равнината на подложката и на дългите страни на контактите, [1-5].

Недостатък на този магниточувствителен сензор е ниската стойност на важния параметър отношението сигнал/шум в резултат на високото ниво на собствения (фликер Ι/f) шум от преминаването на захранващия ток в приповърхностната зона на единия изходен контакт (втория контакт).

Недостатък е също наличието на паразитно изходно напрежение в отсъствие на магнитно поле (офсет), поради електрическа асиметрия, неминуеми технологични несъвършенства, 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 магниточувствителен сензор с висока стойност на отношението сигнал/шум и компенсиран (нулиран) офсет.

Тази задача се решава с магниточувствителен сензор, съдържащ две еднакви и паралелепипедни полупроводникови подложки с п-тип проводимост, разположени успоредно една спрямо друга - първа и втора, и токоизточник. Върху едната страна на всяка от подложките последователно и на 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. Третият контакт на първата подложка и първият контакт на втората подложка са съединени с нискоомен тример, средната точка на който е свързана с единия извод на токоизточника. Вторият контакт на първата подложка и вторият контакт на втората подложка са свързани с другия извод на токоизточника. Диференциалният изход на сензора са първият контакт на първата подложка и третият контакт на втората подложка като измерваното магнитно поле е успоредно на равнините на подложките и на дългите страни на контактите.

Предимство на изобретението е високото отношение сигнал/шум, тъй като захранващите токове в подложките не преминават в приповърхностните зони с изходните контакти.

Предимство е също компенсирането на паразитното изходно напрежение (офсетът) на сензора чрез включения в захранващата верига тример, с който се постига електрическа симетрия и нулиране на изхода.

Предимство е още минимизираното пълзене с времето на изхода и на температурния му дрейф в резултат на компенсирания офсет и минимизирания собствен шум.

Предимство е и повишената метрологична точност и резолюция от високото ниво сигнал/шум и минимизираните пълзене и температурен дрейф на изхода.

ОПИСАНИЕ НА ПРИЛОЖЕНИТЕ ФИГУРИ

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

ПРИМЕРИ ЗА ИЗПЪЛНЕНИЕ

Магниточувствителният сензор съдържа две еднакви и паралелепипедни полупроводникови подложки с п-тип проводимост, разположени успоредно една спрямо друга - първа 1 и втора 2, 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 три правоъгълни омични контакти - първи 4 и 5, втори 6 и 7, и трети 8 и 9, разположени успоредно на дългите си страни. Третият контакт 8 на подложка 1 и първият контакт 5 на подложка 2 са съединени с нискоомен тример 10, средната точка на който е свързана с единия извод на токоизточника 3. Вторият контакт 6 на подложка 1 и вторият контакт 7 на подложка 2 са свързани с другия извод на токоизточника 3. Диференциалният изход 11 на сензора са първият контакт 4 на подложка 1 и третият контакт 9 на подложка 2 като измерваното магнитно поле 12 е успоредно на равнините на подложките 1 и 2, и на дългите страни на контактите 4, 5, 6, 7, 8 и 9.

Действието на магниточувствителния сензор, който по същество е преобразувател на Хол с равнинна чувствителност, съгласно изобретението, е следното. В резултат на планарността на захранващите омични контакти 6 и 8, и 5 и 7, в отсъствие на магнитно поле 11, В = 0, те представляват еквипотенциални равнини. Ето защо при включване на токоизточника 3, токовите траектории /_б,8 и /_5>7 се насочват вертикално в обема на подложките 1 и 2, след което стават успоредни на горните им страни. По тази причина токовите линии /_б>8 и /_5>7 са криволинейни. Тъй като двете структури 1 и 2 са еднакви като конфигурации, стойностите на захранващите токове също са равни, /_6>8 = h,7 В резултат на оригиналната схема на свързване на контакти 6 — 7, и 8 - 5, Фигура 1, посоките на токове /_6>8 и Z5 7 в двата елемента 1 и 2 са противоположно насочени, 1(,,8 = |- Α,ϊΙ· Неминуемите технологични несъвършенства водят до появата на паразитно напрежение (офсет) на изхода 11 в отсъствие на магнитно поле В 11, В = 0. В нашия случай, съгласно изобретението, този съществен недостатък, редуциращ най-вече метрологичната точност, се отстранява с помощта на нискоомния тример г 10, включен към захранващите контакти 8 и 5. Варирайки стойностите на двете части на тримера г 10 се изменят захранващите токове в подложки 1 и 2 като се постига пълно компенсиране (нулиране) на офсета на диференциалния изход 11. За да се осъществи нулиране на изхода lie тримера 10 е необходимо потенциалите върху контакти 4 и 9 да са с един и същ знак. Той се определя от полярността на съответния извод на токоизточника 3, задаващ захранващия ток през контакти 6 и 7. Един и същ потенциал се постига с иновативния способ на свързване на контакти 6-7, и съответно 8-5 на двете конфигурации 1 и 2. Реализацията на сензора, състоящ се от две еднакви структури 1 и 2 с помощта на унифицирана интегрална технология при нулиран офсет дава възможност за минимално пълзене на „нулата” 11 с времето както и редуциране на температурния й дрейф, типични проблеми за полупроводниковите сензори. Характерна особеност на новия магнитопреобразувател на Хол, в сравнение с известното решение е, че двете приповърхностни зони, където са разположени изходните контакти 4 и 9, формиращи изхода 11 са извън обхвата на двата захранващи тока 1(,,8 и /₅₇. Фактически контакти 4 и 9 са изнесени извън областите с електрически флуктуации, формиращи собствения 1//шум. По този начин основният генератор на фликер шума - захранващият ток не оказва директно въздействие на изхода 11. Така негативното въздействие на собствения шум 1//е минимизирано и отношението сигнал/шум нараства съществено. Следователно, в резултат както на редуцираното пълзене на изхода и на температурния му дрейф, така и на същественото по стойност отношение сигнал/шум се повишават метрологичната точност и резолюцията на новия сензор.

При наличие на измервано магнитно поле 12, В Ψ 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 F_L = ^V_drx В оказват отклоняващо странично въздействие върху противоположно насочените токови компоненти в конфигурациите на Хол 1 и 2, където V_dr е средната дрейфова скорост на електроните, a q е електрическият им товар, [4, 5]. За магниточувствителността на сензора основно значение имат вертикално насочените спрямо повърхността на подложките 1 и 2 токови компоненти /₆ и Ι_Ί през контакти 6 и 7. При най-често използвания и добре усвоен технологично полупроводник силиций с концентрация на електроните η ~ 10¹⁵ cm’³, ефективното проникване на токовите линии в обема на подложките 1 и 2 съставлява около 30 - 40 pm. Тази дълбочина се определя както от разстоянията между омичните контакти 4-6-8 и 5-7-9, така и от тяхната ширина, [5, 6]. В резултат на отклоняваните странично от силите на Лоренц F_L електрони, върху повърхностите в зоните с контакти 4 и 9 се генерират от ефекта на Хол допълнителни електрически товари. Тъй като посоките на токовите линии /_6>8 и - Z₅₍₇ са противоположни, в областите с контакти 4 и 9 възникват противоположни по знак и еднакви по стойност Холови потенциали. Те формират диференциалното изходно напрежение на Хол Vhii(®) 11 на сензора.

Неочакваният положителен ефект на новото техническо решение се заключава в иновативните конфигурации на Хол 1 и 2, и на оригиналното свързване на контактите 6 и 7, 8 и 5. По този начин едновременно са осъществени: противоположно насочени и еднакви по стойност токови компоненти, обезпечаващи диференциалното напрежение на Хол 11; едни и същ потенциал върху изходните контакти 4 и 9 в отсъствие на магнитно поле В 12, гарантиращ нулирането на офсета и ключовият резултат за редуциране на собствения шум 1// чрез разполагане на изходните контакти 4 и 9 извън зоните на протичане на захранващите токове.

Формирането на магниточувствителния сензор може да се осъществи с дискретни триконтактни елементи на Хол, свързани съгласно схемата от Фигура 1. По-добри характеристики и действие на решението, обаче се постигат на основата на силициевите интегрални процеси - CMOS или BiCMOS, използвайки като подложки 1 и 2 м-тип „джобове” върху д-Si пластини. Омичните контакти 4, 5, 6, 7, 8 и 9 се формират с йонна имплантация и са силно легирани п⁺- области в //-Si „джобове”.

Функционирането на магниточувствителния сензор е 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 В 12 в преобразувателните зони на сензора.

ПРИЛОЖЕНИЕ: една фигура

ЛИТЕРАТУРА

[1] Ч.С. Руменин, П.Т. Костов, „Датчик на Хол”, BG Авторско свид. № 41974/1986 г„ с приоритет от 06.05.1986 г.

[2] Ch.S. Roumenin, „Parallel-field Hall microsensors - An overview”, Sensors and Actuators, A 30 (1992) 77-87.

[3] Ch.S. Roumenin, „Magnetic sensors continue to advance towards perfection”, Invited paper, Sensors and Actuators, A 46-47 (1995) 273-279.

[4] 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.

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

[6] 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) 92-102.

Claims (1)

1. ПАТЕНТНИ ПРЕТЕНЦИИ / Магниточувствителен сензор, съдържащ еднакви и паралелепипедни полупроводникови подложки е и-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, измерваното магнитно поле е успоредно на равнините на подложките и на дългите страни на контактите, ХАРАКТЕРИЗИРАЩ СЕ с това, че подложките са две (1) и (2) като върху всяка от тях има по три контакта - първи (4) и (5), втори (6) и 7 и трети (8) и (9), третият контакт (8) на подложка (1) и първият контакт (5) на подложка (2) са съединени с нискоомен тример (10), средната точка на който е свързана с единия извод на токоизточника (3), вторият контакт (6) на подложка (1) и вторият контакт (7) на подложка (2) са свързани с другия извод на токоизточника (3) като диференциалният изход (11) на сензора са първият контакт (4) на подложка (1) и третият контакт (9) на подложка (2).