BG112816A - Полупроводникова конфигурация с равнинна магниточувствителност - Google Patents

Abstract

Полупроводниковата конфигурация с равнинна магниточувствителност съдържа две еднакви полупроводникови подложки с n-тип примесна проводимост, разположени успоредно една спрямо друга - първа (1) и втора (2). Върху едната страна на всяка от тях са формирани последователно на разстояния един от друг по четири правоъгълни омични контакта, отляво надясно - първи (3 и 4), втори (5 и 6), трети (7 и 8), и четвърти (9 и 10), разположени успоредно на дългите си страни. Първият контакт (3) на първата подложка (1) и четвъртият контакт (10) на втората (2) през токоизточник (11) са свързани с третия контакт (7) на първата (1) и втория контакт (6) на втората подложка (2). Вторият контакт (5) на първата подложка (1) е съединен с първия контакт (4) на втората (2), а четвъртият контакт (9) на първата (1) е свързан с третия контакт (8) на втората (2). Четвъртият контакт (9) на първата (1) и първият контакт (4) на втората подложка (2) са диференциалният изход (12) на конфигурацията, като измерваното магнитно поле (13) е успоредно както на равнината на подложките (1 и 2), така и на дългите страни на контактите (3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 и 10).

Description

ПОЛУПРОВОДНИКОВА КОНФИГУРАЦИЯ С РАВНИННА МАГНИТОЧУВСТВИТЕЛНОСТ

ОБЛАСТ НА ТЕХНИКАТА

Изобретението се отнася до полупроводникова конфигурация с равнинна магниточувствителност, приложимо в областта на роботиката и мехатрониката, контролно-измервателната технология, позиционирането на обекти в равнината и пространството, слабополевата магнитометрия, навигацията, електромобилостроенето, автоматиката, безконтактното измерване на ъглови и линейни премествания, квантовата комуникация, 3D и минимално инвазивната хирургия, безпилотните летателни системи, военното дело и контратероризма.

ПРЕДШЕСТВАЩО СЪСТОЯНИЕ НА ТЕХНИКАТА

Известна е полупроводникова конфигурация с равнинна магниточувствителност, съдържаща полупроводникова подложка с п-тип примесна проводимост, върху едната страна на която са формирани последователно на разстояния един от друг четири правоъгълни омични контакти, от ляво надясно - първи, втори, трети и четвърти, разположени успоредно на дългите си страни. Първият и третия контакт са свързани с токоизточник, а вторият и четвъртият са диференциалният изход на конфигурацията като измерваното магнитно поле е успоредно както на равнината на подложката, така и на дългите страни на правоъгълните контакти, [1 - 6].

Недостатък на тази полупроводникова конфигурация с равнинна магниточувствителност е наличието на паразитно напрежение на диференциалния изход в отсъствие на магнитно поле (офсет) в резултат преди всичко на електрическата асиметрия, породена от присъщата за тази структура асиметрия на токовата траектория по отношение на двата изходни контакта, както и неминуеми технологични несъвършенства, механични напрежения най-често от корпусирането на чипа, температурни градиенти и др.

Недостатък е също нелинейността на изходното напрежение в магнитно поле поради различните по стойност потенциали на Хол върху двата изходни контакта, генерирани от ефекта на Хол, което е причината независимо, че изходът е диференциален известна част от силно нелинейната магниторезистивна компонента, присъстваща в полупроводиците да прониква в изхода, смесвайки се с метрологичния линеен сигнал.

ТЕХНИЧЕСКА СЪЩНОСТ

Задача на изобретението е да се създаде полупроводникова конфигурация с равнинна магниточувствителност с максимално редуциран офсет и линеен изход.

Тази задача се решава с полупроводникова конфигурация с равнинна магниточувствителност, съдържаща две еднакви полупроводникови подложки с п-тип примесна проводимост, разположени успоредно една спрямо друга - първа и втора. Върху едната страна на всяка от тях са формирани последователно на разстояния един от друг по четири правоъгълни омични контакти, от ляво надясно - първи, втори, трети и четвърти, разположени успоредно на дългите си страни. Първият контакт на първата подложка и четвъртият контакт на втората през токоизточник са свързани с третия контакт на първата и втория контакт на втората подложка. Вторият контакт на първата подлока е съединен с първия контакт на втората, а четвъртият контакт на първата е свързан с третия контакт на втората. Четвъртият контакт на първата и първият контакт на втората подложка са диференциалният изход на конфигурацията като измерваното магнитно поле е успоредно както на равнината на подложките, така и на дългите страни на правоъгълните контакти.

Предимство на изобретението е драстично редуцираният офсет в резултат на свързване на контактите от двете подложки по двойки така, че се постига взаимно изравняване на електрическите потенциали на изхода, независимо от асиметрията на токовите траектории.

Предимство е също линейността на изходното напрежение поради оригиналното свързване на контактите, формиращи диференциалния изход, осъществявайки максимално възможна компенсация на силно нелинейното магнитосъпротивление.

Предимство е още и повишената измервателна точност в резултат на компенсирането на паразитния офсет едновременно с минимизиране на температурния дрейф и подобрената линейност на изхода.

ОПИСАНИЕ НА ПРИЛОЖЕНИТЕ ФИГУРИ

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

ПРИМЕРИ ЗА ИЗПЪЛНЕНИЕ

Полупроводниковата конфигурация с равнинна магниточувствителност съдържа две еднакви полупроводникови подложки с ч-тип примесна проводимост, разположени успоредно една спрямо друга - първа 1 и втора 2. Върху едната страна на всяка от тях са формирани последователно на разстояния един от друг по четири правоъгълни омични контакти, от ляво надясно - първи 3 и 4, втори 5 и 6, трети 7 и 8 и четвърти 9 и 10, разположени успоредно на дългите си страни. Първият контакт 3 на първата подложка 1 и четвъртият контакт 10 на втората 2 през токоизточник 11 са свързани с третия контакт 7 на първата 1 и втория контакт 6 на втората подложка 2. Вторият контакт 5 на първата подложка 1 е съединен с първия контакт 4 на втората 2, а четвъртият контакт 9 на първата 1 е свързан с третия контакт 8 на втората 2. Четвъртият контакт 9 на първата 1 и първият контакт 4 на втората подложка 2 са диференциалният изход 12 на конфигурацията като измерваното магнитно поле 13 е успоредно както на равнината на подложките 1 и 2, така и на дългите страни на правоъгълните контакти 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 и 10.

Действието на полупроводниковата конфигурация с равнинна магниточувствителност, съгласно изобретението, е следното. Поради планарността на захранващите омични контакти 3, 10, 7 и 6, Фигура 1, които в отсъствие на магнитно поле В = 0 представляват еквипотенциални равнини, токовите траектории първоначално са насочени вертикално надолу в обема на подложки 1 и 2, след това стават успоредни на горните им повърхности, и накрая отново са перпендикулярни към горните равнини. Следователно токовите линии в така формираните равнинномагниточувствителни елементи на Хол са криволинейни. Съгласно избраната оригинална схема на включване на двете еднакви структури, посоките на равните по стойност захранващи токове в тях са противоположно насочени. Предвид тази огледална симетрия на двата конструктивно идентични преобразуватели на Хол, те могат де се разглеждат като функционално интегрирани в действието си. Това означава, че на отделните диференциални изходи V₅g и V^, формирани от контакти 5 и 9, и съответно 4 и 8, при отсъствие на магнитно поле В = 0, в идеалния случай следва да отсъстват офсети, = 0) = Т₄,₈(В = 0) = 0. В резултат обаче на геометричната асиметрия на двете токови траектории /₃₎₇ и 7б,ю спрямо съответните изходни контакти 5-9 и 4-8, на тези изходи винаги присъства офсет V^B = 0) 0 и V^(B = 0) 0. В предложеното решение, Фигура 1, преодоляването на този сериозен сензорен недостатък се постига с директното скъсяване на контакти 5 — 4и8 — 9 на подложки 1 и 2. При такова нестандартно свързване протичат компенсиращи (изравняващи) токове между самите подложки 1 и 2, уеднаквяващи електрическите условия (потенциали) в тях. Ето защо в зоните на двата изходни контакти 5 - 9 и 4 - 8 в отсъствие на магнитно поле В 13, В — 0, офсетът е драстично редуциран или компенсиран (нулиран), = 0) ~ θ· Този подход в сравнение със сложната динамична компенсация на офсета или т.н. токов спининг [6], е съществено опростен и е иманентен на самото техническо решение като крайните резултати и в двата случая са близки.

При поставяне на полупроводниковата конфигурация с планарна чувствителност в магнитно поле В 13, протичат следните магнитноелектрични процеси, генерирани чрез съответните сили на Лоренц F_L,i = qV& х В. Траекториите на движещите се в обемите на подложки 1 и 2 електрони със средна дрейфова скорост E_dr се изменят както следва. Например, в подложка 1 токовите линии /₃,₇ се „свиват” нагоре към повърхността и в зоната с контакт 5 се генерират от ефекта на Хол допълнителни отрицателни товари като потенциалът там е отрицателен. Едновременно с това в зоната на контакт 9 потенциалът става положителен и между контакти 5 и 9 възниква напрежение на Хол V^^B). В подложка 2 токовата компонента /ю,б се удължава навътре в обема, като потенциалът върху контакт 8 става положителен, докато в зоната с контакт 4 се генерират от ефекта на Хол допълнителни отрицателни товари потенциалът там е отрицателен. В резултат върху контакти 4 и 8 се генерира напрежение на Хол - което обаче е с противоположна полярност на това между контакти 5 и 9, V^B). Причината е противоположните посоки на захранващите токове /3,7 и Адо в подложки 1 и 2. Следователно оригиналното свързване на двата елемента на Хол осъществява генериране на две напрежения на Хол ^ρ(Β) и - ΙΖ^Β), които предвид идентичността на струтктурите 1 и 2 са близки по стойност, но са с противоположен знак ^5,9(B) ~ I ^4,s(^) | · Различието в двете напрежения по стойност ψ | - ^(В) е от принципно естество. Поради несиметричността на токовите траектории спрямо изходните контакти, в магнитно поле В 13 на диференциалния изход Vn(B) 12 на конфигурацията присъства силно нелинейната магниторезистивна компонента MR ~ В¹. Тя не може да се компенсира напълно от диференциалния изход 12 и по тази причина линейността се нарушава. Използваното обаче в конфигурацията непосредствено свързване на изходните контакти 5-4 и 9-8 изравнява чрез скъсяване на еднакви по знак офсет-потенциали, което води до максимално компенсиране на квадратично магнитосъпротивление MR ~ В? в изхода 12. По този начин се осъществява висока степен на линеаризация на изходното напрежение Г₁₂(В). В новата конфигурация, Фигура 1, захранващите и изходните контакти на двете структури 1 и 2 са взаимозаменяеми.

Също така чрез високата степен на компенсация на офсета се осъществява и минимизиране на температурния дрейф на характеристиките. Ето защо подобрената линейност, минималният температурен дрейф и редуцираният офсет едновременно повишават измервателната точност на конфигурацията на Хол.

Неочакваният положителен ефект на новото техническо решение е, че посредством иновативното свързване на омичните контакти на подложки 1 и 2 се осъществява въздействие върху галваномагнитните процеси в двете структури 1 и 2 с цел постигане на електрическа симетрия, повишаваща измервателната точност чрез минимален темперагурен дрейф, подобрена линейност и редуциран/компенсиран паразитен офсет.

Реализацията на новата конфигурацият на Хол с равнинна чувствителност може да се осъществи с двойки дискретни структури 1 и 2, свързани съгласно схемата от Фигура 1. По-добри характеристики и перформанс, обаче се постигат чрез силициевите CMOS или BiCMOS интегрални процеси. В този случай подложки 1 и 2 се формират с два отделни н-тип „джобове” в p-Si пластини. Тази сепарация позволява да се елиминират взаимните негативни влияния при работата на двойката елементи на Хол. Планарните омични контакти 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 и 10 се осъществяват, например, е йонна имплантация и са силно легирани п области в и-Si „джобове”. Силициевите планарни технологии позволяват едновременното формиране на конфигурацията върху общ чип заедно с усилватели и интерфейсна електроника за обработка, дигитализиране и нормиране на изходния сигнал. В такова изпълнение новия сензор представлява интегрална схема.

Полупроводниковата конфигурация може да функционира и в областта на криогенните температури, например, температурата на кипене на течния азот Т — 77 К. В този случай магниточувствителността съществено нараства като в този режим сензорната конструкция е подходяща за слабополевата магнитометрия и контратероризма.

ПРИЛОЖЕНИЕ: една фигура

ЛИТЕРАТУРА

[1] Ч.С. Руменин, П.Т. Костов, Датчик на Хол, Авторско свид. BG № 41974 В1/06.05.1986.

[2] Ch.S. Roumenin, Parallel-field Hall microsensor, Compt. rendus ABS, 40(11)(1987) 59-62.

[3] Ch.S. Roumenin, Bipolar magnetotransistor sensors - An invited review, Sensors and Actuators, A 24 (1990) 83-105

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

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

[6] 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.

Claims (1)

1. ПАТЕНТНИ ПРЕТЕНЦИИ

   Полупроводникова конфигурация с равнинна магниточувствителност, съдържаща полупроводникова подложка с п-тип примесна проводимост, върху едната страна на която са формирани последователно на разстояния един от друг четири правоъгълни омични контакти, от ляво надясно първи, втори, трети и четвърти, разположени успоредно на дългите си страни, токоизточник като измерваното магнитно поле е успоредно както на равнината на подложката, така и на дългите страни на правоъгълните контакти, ХАРАКТЕРИЗИРАЩА СЕ с това, че има още втора полупроводникова подложка с п-тип примесна проводимост (2) еднаква с първата (1) като двете са взаимно успоредни, върху едната страна на втората подложка (2) също са формирани последователно на разстояния един от друг четири правоъгълни омични контакти, от ляво надясно първи (4), втори (6), трети (8) и четвърти (10), разположени успоредно на дългите си страни, първият контакт (3) на първата подложка (1) и четвъртият контакт (10) на втората (2) през токоизточника (11) са свързани с третия контакт (7) на първата (1) и втория контакт (6) на втората подложка (2), вторият контакт (5) на първата подложка (1) е съединен с първия контакт (4) на втората (2), а четвъртият контакт (9) на първата (1) е свързан с третия контакт (8) на втората (2) като четвъртият контакт (9) на първата (1) и първият контакт (4) на втората подложка (2) са диференциалният изход (12) на конфигурацията.