BG112804A - 2d микросензор на хол с равнинна чувствителност - Google Patents

Abstract

2D микросензорът на Хол с равнинна чувствителност съдържа n-тип полупроводникова подложка (1), върху едната страна на която има четири еднакви омични контакти (2, 3, 4 и 5), дълбока р+-тип зона (6) с форма на равностранен кръст, обграждаща областта с контактите (2, 3, 4 и 5), разположени в краищата на кръстовидната р+-зона (6) и симетрични спрямо центъра й, токоизточник (11) и два измервателни усилвателя (12 и 13). Контактите (2, 3, 4 и 5) са свързани с по един товарен резистор (7, 8, 9 и 10), като резистори (7 и 9) са съединени със срещуположните първи (2) и трети (4) контакти и са свързани с единия извод на токоизточника (11), а резистори (8 и 10) към втория (3) и четвъртия (5) контакт - с другия извод на токоизточника (11). Първият (2) и третият (4), респективно вторият (3) и четвъртият (5) контакт са свързани с входовете на усилватели (12 и 13). Изходите (14 и 15) на усилвателите (12 и 13) са изходи на 2D микросензора на Хол за двете взаимноперпендикулярни равнинни компоненти на измерваното магнитно поле (16), което лежи в равнината на n-тип подложката (1) и е с произволна ориентация.

Description

2D МИКРОСЕНЗОР НА ХОЛ С РАВНИННА ЧУВСТВИТЕЛНОСТ

ОБЛАСТ НА ТЕХНИКАТА

Изобретението се отнася до 2D микросензор на Хол с равнинна чувствителност, приложимо в областта на автоматиката, роботиката и мехатрониката включително роботизираната и минималноинвазивната хирургия, сензориката, контролно-измервателната техника, микро- и нанотехнологиите, слабополевата магнитометрия, позиционирането на обекти в равнината, безконтактното измерване на ъглови и линейни премествания, енергетиката, интелигентните системи за квантова комуникация, военното дело, сигурността, контратероризма, и др.

ПРЕДШЕСТВАЩО СЪСТОЯНИЕ НА ТЕХНИКАТА

Известен е 2D микросензор на Хол с равнинна чувствителност, съдържащ п-тип полупроводникова подложка, върху едната страна на която са формирани централен омичен контакт с квадратна форма като на разстояния и симетрично спрямо четирите му страни има по един правоъгълен вътрешен омичен контакт - първи, втори, трети и четвърти като първият и третият, и съответно вторият и четвъртият са срещуположни. Има още по един външен омичен контакт на равни разстояния от вътрешните контакти и симетрично разположени спрямо тях. Четирите външни контакти са електрически съединени и през токоизточник са свързани с централния. На повърхността на подложката, където са централният, вътрешните и външните контакти, и в близост до тях е образувана дълбока р*- тип зона с форма на равностранен кръст, обграждаща областта с всички контакти. Първият и третият, и съответно вторият и четвъртият контакти са свързани с входовете на два измервателни усилватели. Изходите на тези усилватели са изходи на 2D микросензора на Хол за двете взаимноперпендикулярни равнинни компоненти на измерваното магнитно поле, което лежи в равнината на птип подложката и е с произволна ориентация, [1 - 4].

Недостатък на този 2D микросензор на Хол с равнинна чувствителност е редуцираната разделителна способност (резолюция) при измерване на двете взаимноперпендикулярни магнитни компоненти поради увеличените геометрични размери на преобразувателната зона в подложката.

Недостатък е също усложнената конструкция, съдържаща девет контакти в преобразувателната зона и съпътстващите електрически връзки между тях, което затруднява технологичната реализация на 2D микросензора.

ТЕХНИЧЕСКА СЪЩНОСТ

Задача на изобретението е да се създаде 2D микросензор на Хол с равнинна чувствителност, който да е с повишена резолюция чрез намаляване на геометричните му размери и да е с опростена конструкция, съдържаща минимален брой омични контакти.

Тази задача се решава с 2D микросензор на Хол с равнинна чувствителност, съдържащ и-тип полупроводникова подложка, върху едната страна на която има четири еднакви омични контакти - първи, втори, трети и четвърти като първият и третият, и съответно вторият и четвъртият са срещуположни. Реализирана е също дълбока р⁺- тип зона с форма на равностранен кръст, обграждаща областта с контактите, разположени в краищата на р⁺ - зоната и симетрични спрямо центъра й.

I Ш ill II lilhtll

Контактите са свързани c по един товарен резистор като тези, съединени със срещуположните първи и трети контакт са свързани с единия извод на токоизточник, а резисторите към втори и четвърти контакт - с другия извод на токоизточника. Първият и третият, респективно вторият и четвъртият контакти са свързани с входовете на два измервателни усилватели. Изходите на тези усилватели са изходи на 2D микросензора на Хол за двете взаимноперпендикулярни равнинни компоненти на измерваното магнитно поле, което лежи в равнината на п-тип подложката и е с произволна ориентация.

Предимство на изобретението е високата разделителна способност (резолюция) в резултат на значително редуцираните размери на преобразувателната зона на 2D микросензора, позволяваща детектирането на по-детайлна топология на магнитното поле.

Предимство е също силно опростената приборна конструкция, съдържаща само четири омични контакти вместо девет в преобразувателната си зона, което улеснява технологичната реализация на 2D микросензора на Хол.

Предимство е още повишената измервателна точност на двата изходни канала на 2D микросензора поради минимизираното паразитно междуканално влияние, осъществено чрез отделните генератори на ток, формирани с товарни резистори.

ОПИСАНИЕ НА ПРИЛОЖЕНИТЕ ФИГУРИ

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

ПРИМЕРИ ЗА ИЗПЪЛНЕНИЕ

2D микросензорът на Хол с равнинна чувствителност съдържа п-тип полупроводникова подложка 1, върху едната страна на която има четири еднакви омични контакти - първи 2, втори 3, трети 4 и четвърти 5 като първият 2 и третият 4, и съответно вторият 3 и четвъртият 5 са срещуположни. Реализирана е също дълбока р⁺- тип зона 6 с форма на равностранен кръст, обграждаща областта с контактите 2, 3, 4 и 5, разположени в краищата на р⁺ - зоната 6 и симетрични спрямо центъра й. Контакти 2, 3, 4 и 5 са свързани с по един товарен резистор 7, 8, 9 и 10 като резисторите 7 и 9, съединени със срещуположните първи 2 и трети 4 контакт са свързани с единия извод на токоизточник 11, а резисторите 8 и 10 към втория 3 и четвъртия 5 контакт - с другия извод на токоизточника 11. Първият 2 и третият 4, респективно вторият 3 и четвъртият 5 контакти са свързани с входовете на два измервателни усилватели 12 и 13. Изходите 14 и 15 на усилватели 12 и 13 са изходи на 2D микросензора на Хол за двете взаимноперпендикулярни равнинни компоненти на измерваното магнитно поле 16, което лежи в равнината на п-тип подложката 1 и е с произволна ориентация.

Действието на 2D микросензора на Хол с равнинна чувствителност, съгласно изобретението, е следното. При включване на резисторите 7 и 9, и съответно 8 и 10 към токоизточника 11, между омични контакти 3 и 2, и 5 и 4 протичат две независими токови компоненти А,2 и А.д· Еднаквите по стойност товарни резистори 7, 8, 9 и 10, R₇ = R₈ = R9 = R10, гарантират режим на функциониране генератори на ток на 2-D микросензора и равенство на компоненти А,2 = Ад = const. Съпротивлението Ro на резисторите следва да е на порядък по-голямо от съпротивлението между контакти 2, 3, 4 и 5, R₇ = R₈ = R₉ = R₁₀ « R_o. По този начин се осъществява независимо функциониране на двата изходни канали Угди Узд. Фактически товарните резистори 7, 8, 9 и 10, R_7; R_8; R9 и Rio формират разделно действие за каналите, което драстично минимизира неминуемото паразитно междуканално влияние. В отсъствие на външно магнитно поле В 16, В = 0, траекториите на тези токове в областите под контакти 2, 3, 4 и 5 първоначално са перпендикулярни на горната повърхност на подложката 1, прониквайки дълбоко в обема й, тъй като нискоомните омични контакти 2, 3, 4 и 5 представляват еквипотенциални равнини. След това ефективните траектории на токовите линии /3,2 и Ад в обема на подложката 1 стават успоредни на горната й повърхност. Важна особеност, произтичаща от оригиналната прибор на конструкция е, че посоките на компоненти А,г и Ад са противоположно насочени. Всяка от независимите токови траектории А,2 и - Ад, в резултат на избраната геометрична форма на микросензора (равностранен кръст), се състои от по две части, като за всеки ток А,2 и - А,4 в първо прибижение тези части са под прав ъгъл. Дълбоката кръстовидна р -тип зона 6, обграждаща достатъчно близко омичните контакти 2, 3, 4 и 5 съществено редуцира паразитното разтичане по повърхността на подложката 1 на токовете А,2 и Ад· Ако в резултат на геометрична асиметрия на структурата при нейната реализация, Фигура 1, дефекти в полупроводниковата подложка 1, механични напрежения при корпусирането и метализацията, и др. възникне паразитно изходно напрежение на асиметрия в отсъствие на магнитно поле В 16 — офсет у₂₄(В = 0) 0 и УзХВ = 0) t θ· Тези офсети може да се редуцират и/или нулират чрез измервателните усилватели 12 и 13, които усилват сензорните сигнали У₂д и У₃,5 ако магнитната индукция В 16 и малка. С помощта на операционните усилватели 12 и 13 може да се осъществи също компенсиране на негативното влияние на температурата Т върху метрологичните сигнали У₂д и У₃,5.

Външното магнитно поле В 16, което лежи в равнината на подложката 1 и е с произволна ориентация, чрез двете си взаимноперпендикулярни компоненти В* и В_} генерира съответни латерално отклоняващи движещите се токоносители сили на Лоренц, = qV^ х В, където q е елементарният товар на електрона, a V_dr е векторът на средната дрейфова скорост на движещите се токоносителите, в нашия сучай електроните. Освен това токовите линии проникват дълбоко в обема на подложката 1, поради което възействието на силите на Лоренц F] върху съответните части от траекториите е оптимално. Иновативната конфигурация на 2D микросензора на Хол, формираща двете под прав ъгъл части на всеки от токовете /_3>2 и - /5,4 осъществява за едната от тях магнитно управление, например от поле В_х и нечувствителност към поле В_у, и съответно другата част е чувствителна към поле В_у и нечувствителна към поле В_х. В резултат на Лоренцовите дефлекции F_Ki, породени от В_х и В_у, противоположно насочените части на токовите компоненти Z_3>2 и - /5.4 се “свиват” и съответно “разширяват”. В зависимост от посоките на полетата В_х и В_у на вектора В 16, всеки от срещуположните токове /_3>2 и /_5>4 генерира на повърхността в близост до контакти 2, 3, 4 и 5 Холови потенциали с противоположен знак. Наличието на магнитноуправляем повърхностен ток, съпътстващ ефекта на Хол в този клас сензорни системи усилва преобразувателната им ефективност, [5]. Тези преобразувателни механизми генерират двете диференциални напрежения V₂^(By) и V₃^(B_X), които са линейни и нечетни функции на полета В_х и Ву, и на токовете /_3>2 и - А.4- След обработката на тези напрежения с усилватели 12 и 13, на изходите 14 и 15 на 2D микросензора на Хол се получава необходимата метрологична информация Vi₄(B_y) и Vi5(5_x) за равнинните компоненти В_х и В у на вектора 5 16. Абсолютната стойност на вектора на магнитното поле В 16 в равнината х-у на подложка 1, Фигура 1, и ъгълът Θ на полето В 16 спрямо фиксирана реперна ос в същата равнина се дават с изразите: \В\ = (В,² + ΰ,²)¹'² и 0= [1,3].

Неочакваният положителен ефект на новото техническо решение се заключава в оригиналността на приборната конструкция на микросензора, съдържаща само четири омични контакти 2, 3, 4 и 5, както и избраният работен режим генератор на ток. Така съществено се редуцират геометричните размери на елемента на Хол и се повишава неговата разделителна способност (резолюция). Освен това неминуемото паразитно влияние между изходи 14 и 15 е значително намалено от независимото функциониране на двата информационни канала за магнитни компоненти В_х и Ву, което повишава точността.

Двумерният микросензор на Хол може да се реализира с различните модификации на планарната силициева технология - CMOS, BiCMOS, SOS, а при необходимост може да се използват микромашининг силициеви процеси. С интегралната технология могат върху общ чип да се реализират 2D микросензора на Хол и обработващата сигналите схемотехника 12 и 13. Също така с цел повишаване на магниточувствителността за целите на слабополевата магнитометрия или контратероризма, може да се използват криогенни температури, например температурата на кипене на течния азот 7=77 К.

ПРИЛОЖЕНИЕ: една фигура

ЛИТЕРАТУРА

[1] Ch.S. Roumenin, Microsensors for magnetic field, in „MEMS - a practical guide to design, analysis and applications”, Ch. 9, ed. by J. Korvink and O. Paul, William Andrew Publ., USA, 2006, pp. 453-523; ISBN: 0-81551497-2.

[2] R. Popovic, Hall effect devices, 2^nd ed., The Adam Hilger series on sensors, Bristol, IOP Publ. Ltd, 2004.

[3] C. Roumenin, Solid State Magnetic Sensors - Handbook of Sensors and Actuators, Elsevier, Amsterdam-Lausanne-New York-Oxford-ShannonTokyo, 1994, pp. 450; ISBN: 0 444 89401.

[4] F. Burger, P.-A. Besse, R.S. Popovic, “New fully integrated 3-D silicon Hall sensor for precise angular-position measurements”, Sensors and Actuators, A 67 (1998) pp. 72-76.

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

Claims (1)

1. ПАТЕНТНИ ПРЕТЕНЦИИ // 2D микросензор на Хол с равнинна чувствителност, съдържащ и-тип полупроводникова подложка, върху едната страна на която има еднакви омични контакти, дълбока р⁺- тип зона с форма на равностранен кръст, обграждаща областта с тези контакти, токоизточник и два измервателни усилватели, входовете на които са свързани с контактите, изходите на усилвателите са изходи на 2D микросензора на Хол за двете взаимноперпендикулярни равнинни компоненти на измерваното магнитно поле, лежащо в равнината на п-тип подложката и е е произволна ориентация, ХАРАКТЕРИЗИРАЩ СЕ с това, че контактите са четири първи (2), втори (3), трети (4) и четвърти (5), разположени са в краищата на кръстовидната р⁺ - зона (6) и са симетрични спрямо центъра й като първият (2) и третият (4), и съответно вторият (3) и четвъртият (5) са срещуположни, контакти (2), (3), (4) и (5) са свързани с по един товарен резистор (7), (8), (9) и (10) като резистори (7) и (9), съединени с първи (2) и трети (4) контакт са свързани с единия извод на токоизточника (11), а резисторите (8) и (10) към втория (3) и четвъртия (5) контакт - е другия извод на токоизточника (11), първият (2) и третият (4), респективно вторият (3) и четвъртият (5) контакти са свързани с входовете на двата измервателни усилватели (12) и (13).