BG112827A - Интегрален микросензор на хол с равнинна чувствителност - Google Patents

Abstract

Интегралният микросензор на Хол с равнинна чувствителност съдържа два токоизточника (1 и 2), и правоъгълна полупроводникова подложка (3) с n-тип примесна проводимост. Върху едната страна на подложката (3) последователно и на разстояния един от друг са формирани отляво надясно пет правоъгълни омични контакти - първи (4), втори (5), трети (6), четвърти (7) и пети (8), разположени успоредно на дългите си страни. Третият контакт (6) е централен, като първият контакт (4) и петият контакт (8), и съответно вторият контакт (5) и четвъртият контакт (7) са симетрични спрямо него. В равнината на подложката (3), извън първия (4) и петия (8) контакт има още по един външен омичен контакт с правоъгълна форма, съответно шести (9) и седми (10), също успоредни с дългите си страни на останалите пет контакта (4, 5, 6, 7 и 8), и симетрично разположени спрямо централния (6). Токоизточниците (1 и 2) са в режим генератори на ток, като по един от изводите им с една и съща полярност са свързани с първия (4) и с петия (8) контакт, а другите два извода са съединени с централния контакт (6). Вторият (5) и четвъртият (7) контакт са непосредствено свързани. Диференциалният изход (11) на микросензора на Хол са шестият (9) и седмият (10) контакт, като измерваното магнитно поле (12) е успоредно както на равнината на подложката (3), така и на дългите страни на контактите (4, 5, 6, 7, 8, 9 и 10).

Description

ИНТЕГРАЛЕН МИКРОСЕНЗОР НА ХОЛ С РАВНИННА ЧУВСТВИТЕЛНОСТ

ОБЛАСТ НА ТЕХНИКАТА

Изобретението се отнася до интегрален микросензор на Хол с равнинна чувствителност, приложимо в областта на роботиката, роботизираните и мехатронните системи с изкуствен интелкт; сензориката; квантовата комуникация и управлението на риска; 3D роботизираната медицина и минимално инвазивната хирургия; безпилотните летателни апарати; автоматиката; слабополевата магнитометрия и контролноизмервателната технология; електромобилите и хибридните превозни средства; безконтактното измерване на ъглови и линейни премествания в равнината и пространството; позиционирането на движещи се обекти; навигацията; енергетиката; контратероризма; военното дело и сигурността включително подводно, наземно и въздушно наблюдение и превенция.

ПРЕДШЕСТВАЩО СЪСТОЯНИЕ НА ТЕХНИКАТА

Известен е интегрален микросензор на Хол е равнинна чувствителност, съдържащ токоизточник и правоъгълна полупроводникова подложка с п-тип примесна проводимост. Върху едната страна на подложката последователно и на разстояния един от друг са формирани от ляво на дясно пет правоъгълни омични контакти - първи, втори, трети, четвърти и пети, разположени успоредно на дългите си страни. Третият контакт е централен като първият и петият, и съответно вторият и четвъртият са симетрични спрямо него. Първият и петият контакт през токоизточника са свързани с централния. Диференциалният изход на микросензора на Хол са вторият и четвъртият контакт като измерваното магнитно поле е успоредно както на равнината на подложката, така и на дългите страни на контактите, [1 - 6].

Недостатък на този интегрален микросензор на Хол с равнинна чувствителност е ниската магниточувствителност (преобразувателна ефективност), тъй като в такива полупроводникови микросензори на Хол с планарна топология на захранващите контакти чувствителността се генерира основно от две (хоризонтални) от всичките четири компоненти, формирани от захранващия ток, което е ограничаващ фактор на сензорната преобразувателна ефективност.

Недостатък е също понижената метрологична точност при определяне на минимално регистрируемата магнитна индукция (резолюцията), поради редуцираното отношение сигнал/шум в резултат на: високо ниво на собствения вътрешен шум (фликер шума), създаден от протичащия по повърхността захранващ ток през зоните, където са разположени изходните (втория и четвъртия) контакти; ниска магниточувствителност и непредсказуемо хаотично изменение на дрейфа на офсета на изхода в отсъствие на магнитно поле е течение на времето от процесите на стареене и миграция на легиращите примеси по повърхността на подложката с контактите.

ТЕХНИЧЕСКА СЪЩНОСТ

Задача на изобретението е да се създаде интегрален микросензор на Хол с равнинна чувствителност, притежаващ висока преобразувателна ефективност (магниточувствителност) и висока точност при определяне на минималната магнитна индукция (резолюцията).

Тази задача се решава с интегрален микросензор на Хол е равнинна чувствителност, съдържащ два токоизточника и правоъгълна полупроводникова подложка с и-тип примесна проводимост. Върху едната страна на подложката последователно и на разстояния един от друг са формирани от ляво на дясно пет правоъгълни омични контакти - първи, втори, трети, четвърти и пети, разположени успоредно на дългите си страни. Третият контакт е централен като първият и петият, и съответно вторият и четвъртият са симетрични спрямо него. В равнината на подложката, извън първия и петия контакт има още по един външен омичен контакт с правоъгълна форма, съответно шести и седми, също успоредни с дългите си страни на останалите пет и симетрично разположени спрямо централния. Двата токоизточника са в режим генератори на ток като изводите им с една и съща полярност са свързани съответно с първия и с петия контакт, а другите два извода са съединени с централния контакт. Вторият и четвъртият контакт са непосредствено свързани помежду си. Диференциалният изход на микросензора на Хол са шестият и седмият контакт като измерваното магнитно поле е успоредно както на равнината на подложката, така и на дългите страни на контактите.

Предимство на изобретението е високата магниточувствителност в резултат на използване на всички генерирани напрежения на Хол от компонентите на захранващите токове като чрез свързването на втория и четвъртия контакт тези напрежения са сумирани.

Предимство е също увеличената точност при определяне на минималната магнитна индукция (резолюция), в резултат на едновременно високите нива на магниточувствителността (изходния сигнал) и отношението сигнал/шум, включително редуцирания собствен шум върху двата изходни контакта, през зоните на които не преминава захранващ ток.

Предимство е още минимизираният паразитен офсет на изхода в отсъствие на външно магнитно поле чрез непосредствената връзка на втория и четвъртия контакт, окъсяваща офсет-потенциалите в подложката от двете страни на централния контакт.

ОПИСАНИЕ НА ПРИЛОЖЕНИТЕ ФИГУРИ

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

ПРИМЕРИ ЗА ИЗПЪЛНЕНИЕ

Интегралният микросензор на Хол с равнинна чувствителност съдържа два токоизточника 1 и 2, и правоъгълна полупроводникова подложка 3 с н-тип примесна проводимост. Върху едната страна на подложката 3 последователно и на разстояния един от друг са формирани от ляво на дясно пет правоъгълни омични контакти - първи 4, втори 5, трети 6, четвърти 7 и пети 8, разположени успоредно на дългите си страни. Третият контакт 6 е централен като първият 4 и петият 8, и съответно вторият 5 и четвъртият 7 са симетрични спрямо него. В равнината на подложката 3, извън първия 4 и петия 8 контакт има още по един външен омичен контакт с правоъгълна форма, съответно шести 9 и седми 10, също успоредни с дългите си страни на останалите пет 4, 5, 6, 7 и 8, и симетрично разположени спрямо централния 6. Двата токоизточника 1 и 2 са в режим генератори на ток като по един от изводите им с една и съща полярност са свързани с първия 4 и с петия 8 контакт, а другите два извода са съединени с централния контакт 6. Вторият 5 и четвъртият 7 контакт са непосредствено свързани. Диференциалният изход 11 на микросензора на Хол са шестият 9 и седмият 10 контакт като измерваното магнитно поле 12 е успоредно както на равнината на подложката 3, така и на дългите страни на контактите 4, 5, 6, 7, 8, 9 и 10.

Действието на интегралния микросензор на Хол с равнинна чувствителност, съгласно изобретението, е следното. При включване на контакти 4 и 8 към токоизточниците 1 и 2, функциониращи в режим генератори на ток (постоянен ток), в обема на подложката 3 протича захранващ ток Ц = Дд + -^6,8, Фигура 1. Траекториите на тези токови компоненти са криволинейни, [6]. Дълбочината на проникване на токовите линии при фиксирана концентрация на легиращите донорни примеси N_D в подложката 3 зависи от съотношението М между ширината f на захранващите контакти 4, 6 и 8, и ефективното разстояние /2 между тях, М = Z1/Z2- При оптимизирано отношение М, максималната стойност на дълбочината на проникване при типична в микроелектрониката концентрация в подложка 3 на донорните примеси N_D ~ 10 cm съставлява около 30 - 40 pm, [5, 6]. Планарните омични контакти 4, 6 и 8 представляват еквипотенциални равнини, към които в отсъствие на външно магнитно поле В 12, В = 0, токовете през тях Ц, 1₆ и Ig са винаги перпендикулярни спрямо горните страни на подложката 3, прониквайки дълбоко в обема й на около 30 - 40 pm. Токовите линии /4,6 и Ig# в останалите части на подложка 3 са успоредни на горната повърхност. Ето защо траектории Ц# и Ig# на токоносителите са криволинейни. Ако в резултат на технологични несъвършенства, механични напрежения при корпусирането на чиповете, температурни градиенти и т.н. [5, 6], на изхода 11 на микросензора в отсъствие ва магнитно поле В 12 съществува офсет Еп(5 = 0) # 0 (паразитно изходно напрежение, не носещо метрологична информация). Фактически това паразитно изходно напрежение Уц(В = 0) означава, че в симетричните части спрямо централния контакт 6 на подложката 3 съществува електрическа асиметрия. В предложеното решение, Фигура 1, преодоляването на този сериозен сензорен недостатък се постига с директното свързване на контакти 5-7. При такова окъсяване протичат компенсиращи (изравняващи) токове между двете части на подложката 3, изравняващи електрическите условия (потенциали) в тях. Ето защо в зоните на двата изходни контакти 9 и 10 в отсъствие на магнитно поле В 12, В = 0, офсетът е драстично редуциран или компенсиран (нулиран), Vn(B = 0) = Vg.ioC^ = 0) ~ 0. Този подход в сравнение със сложната динамична компенсация на офсета или т.н. токов спининг [5, 6], е опростен и е иманентен на самото техническо решение като крайните резултати и в двата случая са близки.

Прилагане на измерваното магнитно поле В 12 успоредно на подложка 3 и на дългите страни на контакти 4, 5, 6, 7, 8, 9 и 10 води до странично (латерално) отклонение на нелинейните токови линии на захранващите компоненти по цялата им дължина. Това е в резултат на действието на силите на Лоренц F^i, - qV^ х В, където q е елементарният товар на електрона, a Кг е векторът на средната дрейфова скорост на носителите в обема на подложката 3. (На Фигура 1 магнитният вектор В 12 е перпендикулярен на напречното сечение на структурата 3). В резултат на Лоренцовото отклонение от силите F^, в зависимост от посоките на захранващите токови компоненти в подложка 3 и на магнитното поле 1? 12, нелинейните траектории “се свиват” и/или съответно “разширяват”. По тази причина върху планарните контакти 9 - 5 и съответно 7 - 10 се генерират едновременно Холови потенциали, еднакви по стойност и с противоположен знак, например: Ун9(^) и - V_H5(B), и съответно V^tB} и - КноФ)· Фактически измерваното магнитно поле В 12 нарушава цялостната електрическа симетрия на токовите траектории спрямо централния контакт 6 в подложка 3. Същевременно върху диференциалния изход 11 на микросензора на Хол с равнинна чувствителност възниква напрежение на Хол, Vu(B). То се генерира от противоположно протичащите захранващи токове /_6>4 и - /₆,8 ^и действащите в противоположни посоки сили на Лоренц F_L,i.

Ключова особеност на новото решение е непосредственото електрическо свързване на контакти 5 и 7. По този начин се осъществява сумиране на двете напрежения на Хол, генерирани от токовите компоненти наляво и надясно спрямо централния контакт 6. Следва експлицитно да се подчертае режимът на функциониране генератор на ток на токоизточниците 1 и 2. Чрез този режим на работа се реализират две независими напрежения на Хол КХ#) и генерирани от токовете /_6>4 и - /б,8· Освен това тези токови компоненти следва да са равни по стойност /б,4 = 4,8, ^за Д^{а се} постигнат еднакви по абсолютна стойност напрежения на Хол. Също така поляритетът на изводитие на токоизточниците 1 и 2, свързани с контакти 4 и 8 следва да е един и същ с цел посоките на двете основни компоненти 76,4 и - /6,8 Д^а са противоположни спрямо контакт 6. Следователно чрез генераторите на ток 1 и 2 се осъществяват два независими елементи на Хол с обща сензорна зона. Непосредсвената връзка 5-7 изпълнява сумиране на две напрежения на Хол, което двойно усилва изходното напрежение 11 Vn(B) на микросензора. Сигналът V_n(B) е линейна и нечетна функция от силата и посоката на общия захранващ ток Ig и полярността на магнитното поле В

12. В резултат от симетрията на микросензора спрямо централния електрод 6, Фигура 1, възможно е и еквивалентно решение - изходът да са контакти 5 и 7, а външните 9 и 10 да са електрически свързани. Следва да се отбележи и ролята на повърхностния магнитноуправляем ток в структурата 3, допълнително повишаващ изходното напрежение V_n(B), [7].

Неочакваният положителен ефект на новото техническо решение се заключава в оригиналната конструкция, нестандартното свързване на контактите 5 - 7 и двата генератори на ток 1 и 2. Постигната е повишена магниточувствителност и подобрена точност (резолюция) за детектиране на минималната магнитна индукция В_т;_п чрез повишеното отношение сигнал/шум.

Генераторите на ток 1 и 2 на Фигура 1, освен схемотехнически, могат да се реализират еквивалентно само чрез два товарни резистори Rj и R2, включени в контакти 4 и 8, другите изводи на които сае свързани с генератор на напрежение, съединен с централния контакт 6. Съпротивленията на резистори Ri и R₂ следва да са на порядък по-големи от вътрешното съпротивление R_int на сензора, R_b R₂» RintМикросензорът на Хол може да се реализира с CMOS или BiCMOS интегрални технологии. Преобразувателната зона 3 е дълбок и-тип силициев джоб. Чрез формиране на ограничитен /?-тип ринг около контакти 4, 5, 6, 7, 8, 9 и 10 се постига по-дълбоко проникване на токовете в обема на подложката 3, респективно по-ефективно е въздействието на силите на Лоренц F_L,i върху траекториите на електроните. Функционирането на интагралния микросензор на Хол е в широк температурен интервал, включително в криогенна среда, например, температурата на кипене на течния азот Т = 77 К. За още по-висока чувствителност за целите на слабополевата магнитометрия, контратероризма и навигацията, подложката 3 може да се разположи между два еднакви концентратори на магнитното поле В 12 от ферит или μ-метал.

ПРИЛОЖЕНИЕ: една фигура

ЛИТЕРАТУРА

[1] Ч.С. Руменин, П.Т. Костов, Полупроводников елемент на Хол, Авт. свидетелство BG № 39283 с приоритет от 08.01.1985.

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

[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] C.S. Roumenin, P.T. Kostov, „Silicon Hall-effect microsensor”, Compt. rendus Acad. Bulg. Sci., 39(5) (1986) 63-66.

[5] 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.

[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, A 175, (2012) 45-52.

Claims (1)

1. ПАТЕНТНИ ПРЕТЕНЦИИ

   Интегрален микросензор на Хол с равнинна чувствителност, съдържащ токоизточник и правоъгълна полупроводникова подложка с п-тип примесна проводимост, върху едната страна на която последователно и на разстояния един от друг са формирани от ляво на дясно пет правоъгълни омични контакти - първи, втори, трети, четвърти и пети, разположени успоредно на дългите си страни, третият контакт е централен като първият и петият, и съответно вторият и четвъртият са симетрични спрямо него, а измерваното магнитно поле е успоредно както на равнината на подложката, така и на дългите страни на контактите, ХАРАКТЕРИЗИРАЩ СЕ с това, че има втори токоизточник (2), двата токоизточника (1) и (2) са в режим генератори на ток като по един от изводите им с една и съща полярност са свързани с първия (4) и с петия (8) контакт, а другите два извода са съединени с централния контакт (6), в равнината на подложката (3), извън първия (4) и петия (8) контакт има още по един външен омичен контакт с правоъгълна форма, съответно шести (9) и седми (10), също успоредни с дългите си страни на останалите пет (4), (5), (6), (7) и (8), и симетрично разположени спрямо централния (6), вторият (5) и четвъртият (7) контакт са непосредствено свързани, а диференциалният изход (11) на микросензора на Хол са шестият (9) и седмият (10) контакт.