BG112485A

BG112485A - Микросензор на хол

Info

Publication number: BG112485A
Application number: BG112485A
Authority: BG
Inventors: Вълчева Лозанова Сия; Станоев Руменин Чавдар
Original assignee: Институт По Роботика - Бан
Priority date: 2017-04-04
Filing date: 2017-04-04
Publication date: 2018-10-31
Also published as: BG67134B1

Abstract

Микросензорът на Хол съдържа токоизточник (1) и две еднакви правоъгълни полупроводникови подложки с n-тип проводимост - първа (2) и втора (3), разположени успоредно една спрямо друга. Върху едната страна на всяка от тях последователно и на разстояния един от друг са формирани от ляво на дясно по четири правоъгълни омични контакта - първи (4) и (5), втори (б) и (7), трети (8) и (9) и четвърти (10) и (11). Единият извод на токоизточника (1) е съединен с втория контакт (б) на първата подложка (2) и с третия контакт (9) на втората (3), а другият извод - с четвъртия контакт (10) на първата подложка (2) и първия контакт (5) на втората подложка (3). Първият контакт (4) на първата подложка (2) е съединен с четвъртия контакт (11) на втората подложка (3). Измерваното магнитно поле (12) е успоредно както на равнините на подложките (2) и (3), така и на дългите страни на контактите (4), (5), (б), (7), (8), (9), (10) и (11), като диференциален изход (13) на микросензора са контактите (7) и (8).

Description

МИКРОСЕНЗОР НА ХОЛ

ОБЛАСТ НА ТЕХНИКАТА

Изобретението се отнася до микросензор на Хол, приложимо в областта на роботиката и мехатрониката, когнитивните интелигентни системи, безконтактната автоматика и безконтактното измерване на ъглови и линейни премествания, позиционирането на обекти в равнината и пространството, биомедицината включително за целите на геномиката, контролно-измервателната техника и слабополевата магнитометрия, енергетиката, военното дело и контратероризма, микро- и нанотехнологиите, автомобилостроенето и др.

ПРЕДШЕСТВАЩО СЪСТОЯНИЕ НА ТЕХНИКАТА

Известен е микросензор на Хол, съдържащ токоизточник и две еднакви правоъгълни полупроводникови подложки с и-тип 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 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 на двете подложки са свързани помежду си. Вторият контакт от първата подложка е съединен с четвъртия от втората, а четвъртият контакт от първата - с втория контакт от втората подложка. Изводите на токоизточника са свързани с втория и четвъртия контакт от първата подложка. Измерваното магнитно поле е успоредно както на равнините на подложките, така и на дългите страни на контактите като диференциалният изход на микросензора са двата централни контакта, [1 -4].

Недостатък на този микросензор на Хол е понижената магниточувствителност, тъй като в полупроводниковите подложки захранващият ток се разделя на по две еднакви и противоположно насочени компоненти, което води до използване само на половината от общия ток за генериране на изходното напрежение на Хол.

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

ТЕХНИЧЕСКА СЪЩНОСТ

Задача на изобретението е да се създаде микросензор на Хол с висока магниточувствителност и опростена конструкция чрез редуциран брой контакти и връзки между тях.

Тази задача се решава с микросензор на Хол, съдържащ токоизточник и две еднакви правоъгълни полупроводникови подложки с п-тип 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 четири правоъгълни омични контакти - първи, втори, трети и четвърти. Единият извод на токоизточника е съединен с втория контакт на първата подложка и с третия контакт на втората подложка, а другият извод - с четвъртия контакт на първата подложка и първия контакт на втората подложка. Първият контакт на първата подложка е съединен с четвъртия контакт на втората. Измерваното магнитно поле е успоредно както на равнините на подложките, така и на дългите страни на контактите като диференциалният изход на микросензора на Хол са третият контакт на първата подложка и вторият контакт на втората.

Предимство на изобретението е високата магниточувствителност в резултат на генериране от захранващите токове през подложките на две напрежения на Хол, които чрез схемата на свързване се сумират.

Предимство е също опростената конструкция на микросензора, съдържащ общо осем, вместо десет омични контакти и само една връзка между тях, вместо пет както е в известното решение.

Предимство е още повишената метрологична точност и резолюция от високото ниво сигнал/шум, в резултат 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 съдържа токоизточник 1 и две еднакви правоъгълни полупроводникови подложки с п-тип 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 четири правоъгълни омични контакти - първи 4 и 5, втори 6 и 7, трети 8 и 9, и четвърти 10 и 11. Единият извод на токоизточника 1 е съединен с втория контакт 6 на първата подложка 2 и с третия контакт 9 на втората подложка 3, а другият извод - с четвъртия контакт 10 на първата подложка 2 и първия контакт 5 на втората подложка 3. Първият контакт 4 на първата подложка 2 е съединен с четвъртия контакт 11 на втората 3. Измерваното магнитно поле 12 е успоредно както на равнините на подложките 2 и 3, така и на дългите страни на контактите 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10 и 11 като диференциалният изход 13 на микросензора на Хол са третият контакт 8 на първата подложка 2 и втория контакт 7 на втората 3.

Действието на микросензора на Хол, съгласно изобретението, е следното. Включването на контакти 6 и 9, и съответно контакти 5 и 10 към токоизточника 1, води до протичане в обема на еднаквите като конструкция подложки 2 и 3 на захранващи токове /₆д₀ и /_9>5, Фигура 1. Планарните омични контакти би 10, и съответно 5 и 9 представляват еквипотенциални равнини, към които в отсъствие на външно магнитно поле В 12, В = 0, равните по стойност токовете Ц = /ю и съответно /₅ = /₉ са винаги перпендикулярно насочени спрямо горните страни на подложките 2 и 3, прониквайки дълбоко в обемите им. Токовите линии в останалите части на траекториите си са успоредни на горните страни, преминавайки под контакти 8 и съответно 7. Ето защо траекториите /₆д₀ и на токоносителите са криволинейни, [5 - 6]. Дълбочината на проникване на токовите компоненти при фиксирана концентрация на легиращите донорни примеси N_d в подложките 2 и 3 зависи от съотношението между ширината на контакти 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10 и 11 и разстоянията между тях. Максималната дълбочина на проникване при концентрация N_D ~ 10 cm’ и оптимизирани разстояния съставлява около 35 - 40 pm, [6[.

Прилагането на измервано магнитно поле В 12, успоредно на подложките 2 и 3, и на дългите страни на контактите 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10 и 11 води до отклонение на токовите линии по цялата дължина на нелинейните им траектории. Това се дължи на действието на силите на Лоренц F_L)i, F_L = g V_dr x В, където q е елементарният товар на електрона, a V_dr е векторът на средната дрейфова скорост на електроните в п-тип подложките 2 и 3. На Фигура 1 магнитният вектор В 12 е перпендикулярен на напречното им сечение. В резултат на Лоренцовото отклонение от силата F_L, дефинирано от посоките на протичащите токове /₆д₀ и - 1_9>5, които са противоположни и полярността на магнитното поле В 10, нелинейните траектории в единия равнинно-магниточувствителен елемент на Хол, например 2 се “свиват”, а в другия 3 - съответно се “разширяват”, или обратно. Освен това токовете /₆до и - /_9>5 са равни по стойност, /₆д₀ = | - /9,51 поради еднаквостта на двете Холови структури 2 и 3. В резултат на деформациите на токовите линии в магнитно поле В 12, върху планарните контакти 8 и 9, и съответно 4 и 11 се генерират едновременно две Холови напрежения У_Н8,9(^) и Ун4,п(В). В рамките на съвременната интерпретация на ефекта на Хол тези напрежения са свързани с протичане на магнитноуправляем повърхностен ток, който зависи линейно и полярно от магнитното поле В 12 и от захранващия ток, [7]. Характерна особеност на преобразувателния механизъм в новия микросензор е, че Холовите потенциали върху контакти 4 и 11 са винаги с противоположен знак. Следователно непосредственото свързване на тези два контакта 4 и 11 осъществява алгебрично сумиране на двете Холови напрежения VhsX#) и Vh4,ii(#)· В резултат върху диференциалния изход УнгвФ) = ГщзСД) 13 на микросензора възниква сумарно напрежение на Хол ГшзСД) = ^нвХ·®) + Ун4,и(В)> което обуславя съществено по-висока магниточувствителност в сравнение с известния микросензор.

Неочакваният положителен ефект на новото техническо решение се заключава в иновативната конструкция, съдържаща два еднакви четириконтактни равнинно-магниточувствителни елементи на Хол, свързани по оригинална схема. При това броят на контактите е редуциран с два и между тях има само една връзка. Всичко това драстично опростява приборната конструкция. Фактически реализиран е функционалноинтегриран микросензор на Хол, захранен с един токоизточник 1. Постигнати са нови положителни свойства, отсъстващи в известното решение: опростена сензорна конфигурация едновременно с повишена пространствена резолюция; съществено увеличена магниточувствителност от ефекта на сумиране на двете Холови напрежения; високи отношение сигнал/шум и метрологична точност.

Равнинно-магниточувствителният микросензор на Хол може да се реализира с интегралните CMOS, BiCMOS или микромашининг технологии като преобразувателните зони в общия случай представляват дълбоки силициеви /z-тип правоъгълни „джобове” 2 и 3.

Функционирането на предложения микросензор на Хол е в широк температурен диапазон, включително и при криогенни температури, например при Т = 77 К. За още по-висока чувствителност за целите на слабополевата магнитометрия и контратероризма, подложките 2 и 3 могат да се интегрират между два еднакви продълговати концентратори на магнитното поле В 12 от ферит или μ-метал. Редуцирането на неминуемия офсет - паразитното напрежение на изхода 13 в отсъствие на магнитно поле В 12 може да се постигне чрез схемотехниката токов спининг. Използва се комутация на токовете в структурите 2 и 3 в магнитно поле В 12 и алгебрично сумиране на изходните сигнали от отделните фази. Поради еднаквостта на елементите на Хол, офсетите са с един и същ знак, а Ходовите напрежения с противоположен. При това сумиране изходният Холов сигнал съществено нараства, а резултиращият офсет е драстично редуциран.

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] 0. Paul, R. Raz, T. Kaufmann, Analysis of the offset of semiconductor vertical Hall devices, Sensors and Actuators J., A 174 (2012) pp. 24-32.

[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] R. Popovic, “Integrated Hall element”, US Patent 4 782 375/01.11.1988.

[5] C. Sander, C. Leube, O. Paul, Compact 2D CMOS Hall sensor based on switchable configurations of four three-contact elements, Sensors and Actuators J., A 248 (2016) pp. 281-289.

[6] 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.

[7] C. Roumenin, S. Lozanova, S. Noykov, Experimental evidence of magnetically controlled surface current in Hall devices, Sensors and Actuators J., A 175 (2012) pp. 45-52.

Claims

ПАТЕНТНИ ПРЕТЕНЦИИ

Микросензор на Хол, съдържащ токоизточник и две еднакви правоъгълни полупроводникови подложки с п-тип проводимост - първа и втора, разположени успоредно една спрямо друга, върху едната страна на всяка от подложките са формирани правоъгълни омични контакти, а измерваното магнитно поле е успоредно на равнините на подложките и на дългите страни на контактите, ХАРАКТЕРИЗИРАЩ СЕ с това, че върху всяка от подложките (2) и (3) последователно и на разстояния един от друг са формирани от ляво на дясно по четири омични контакти - първи (4) и (5), втори (6) и (7), трети (8) и (9), и четвърти (10) и (11), единият извод на токоизточника (1) е съединен с втория контакт (6) на първата подложка (2) и с третия контакт (9) от втората подложка (3), а другият извод - с четвъртия контакт (10) на първата подложка (2) и първия контакт (5) на втората подложка (3), първият контакт (4) на първата подложка (2) е съединен с четвъртия контакт (11) на втората (3), като диференциалният изход (13) на микросензора на Хол са третият контакт (8) на първата подложка (2) и вторият контакт (7) на втората (3).