BG112918A

BG112918A - Сензор на хол

Info

Publication number: BG112918A
Application number: BG112918A
Authority: BG
Inventors: Сия ЛОЗАНОВА; Вълчева Лозанова Сия
Original assignee: Институт По Роботика - Бан
Priority date: 2019-04-18
Filing date: 2019-04-18
Publication date: 2020-10-30
Also published as: BG67336B1

Abstract

Сензорът на Хол съдържа две еднакви полупроводникови подложки (1 и 2) с формата на равнобедрен триъгълник и с n-тип примесна проводимост. Триъгълните подложки (1 и 2) са разположени в близост откъм страните на основите си, които са успоредни, а срещуположните им върхове лежат на една ос (3). На всеки връх на двете подложки е формиран омичен контакт (4, 5, 6, 7, 8 и 9). Контактите (4 и 8) на двата срещуположни върха на подложките (1 и 2) са съединени с изводите на токоизточник (10). Двойките срещулежащи контакти (6 и 9) и съответно (5 и 7) към двете основи на подложките (1 и 2) са свързани съответно с крайните изводи на два нискоомни тримера (11 и 12), средните точки на които са диференциалният изход (13) на сензора, а външното магнитно поле (14) е перпендикулярно на равнината на подложките (1 и 2).

Description

СЕНЗОР НА ХОЛ

ОБЛАСТ НА ТЕХНИКАТА

Изобретението се отнася до сензор на Хол, приложимо в областта на роботиката и мехатрониката, квантовата комуникация, безконтактната автоматика, 3D роботизираната и минимално инвазивната хирургия включително телемедицината, измерването на ъглови и линейни премествания, слабополевата магнитометрия, мултироторните безпилотни апарати, навигацията, интелигентните системи за сигурност, електромобилостроенето, енергетиката, позиционирането на обекти в равнината и пространството, военното дело, контратероризма и др.

ПРЕДШЕСТВАЩО СЪСТОЯНИЕ НА ТЕХНИКАТА

Известен е сензор на Хол, съдържащ правоъгълна полупроводникова подложка с п-тип примесна проводимост, върху едната й страна са формирани на равни разстояния един от друг три правоъгълни омични контакти - един централен и два крайни. Крайните контакти са симетрични спрямо дългите страни на централния. С по един товарен високоомен резистор крайните контакти са свързани с единия извод на токоизточник, другият извод на който е съединен е централния контакт. Диференциалният изход на сензора на Хол са крайните контакти като измерваното магнитно поле е успоредно на равнината на подложката и на дългите страни на контактите, [1-8].

Недостатък на този сензор на Хол е пониженото изходно напрежение на Хол от увеличеното разстояние между преобразувателната зона на сензора и управляващия елемента на Хол магнит, поради задължителното разполагане на ширината на сензорния чип заедно е дългите страни на контактите успоредно на полето на магнита, която дистанция съставлява милимитри, противно на случая, когато полето на магнита е успоредно на дебелината на чипа при отстояние, съставляващо микрометри.

Недостатък на сензора е също понижената измервателна точност от наличието на офсет (паразитно изходно напрежение в отсъствие на магнитно поле), в резултат на неминуема асиметрия на двата крайни контакта по отношение на централния по технологични причини несъвършенства в легирането, несъосност на маските при фотолитографията, механични напрежения най-често от метализацията и корпусирането на чипа, температурни градиенти и др.

ТЕХНИЧЕСКА СЪЩНОСТ

Задача на изобретението е да се създаде сензор на Хол, който да е е високо напрежение на Хол и с повишена измервателна точност.

Тази задача се решава със сензор на Хол, съдържащ две еднакви полупроводникови подложки с формата на равнобедрен триъгълник и с птип примесна проводимост. Триъгълните подложки са разположени в близост откъм страните на основите си, които са успоредни, а срещуположните им върхове лежат на една ос. На всеки връх на двете подложки е формиран омичен контакт. Контактите на двата срещуположни върха на подложките са съединени е изводите на токоизточник. Двойките срещулежащи контакти към двете основи на подложките са свързани съответно с крайните изводи на два нискомни тримери, средните точки на които са диференциалният изход на сензора, а външното магнитно поле е перпендикулярно на равнината на подложките.

Предимство на изобретението е високото изходно напрежение на Хол в резултат на силно редуцираното разстояние между преобразувателната зона на сензора и управляващия елемента на Хол магнит, съставляващо в общия случай микрометри.

Предимство е също повишената измервателна точност поради компенсираното (нулираното) паразитно изходно напрежение (офсет) на сензора по причина на оригиналното свързване на съответните двойки срещулежащи контакти към основите на подложките с по един нискоомен тример, изменението на стойностите на които позволява нулиране на диференциалния изход в отсъствие на магнит.

Предимство е още увеличената магниточувствителност на сензора поради остроъгълната форма на зоните с изходните контакти, в които се натрупват допълнителнине товари от силите на Лоренц в магнитно поле, повърхностната плътност на които там е голяма, и следователно потенциалите и напрежението на Хол са високи.

ОПИСАНИЕ НА ПРИЛОЖЕНИТЕ ФИГУРИ

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

ПРИМЕРИ ЗА ИЗПЪЛНЕНИЕ

Сензорът на Хол съдържа две еднакви полупроводникови подложки 1 и 2 с формата на равнобедрен триъгълник и с и-тип примесна проводимост. Триъгълните подложки 1 и 2 са разположени в близост откъм страните на основите си, които са успоредни, а срещуположните им върхове лежат на една ос 3. На всеки връх на двете подложки е формиран омичен контакт 4, 5, 6, 7, 8 и 9. Контактите 4 и 8 на двата срещуположни върха на подложките 1 и 2 са съединени с изводите на токоизточник 10. Двойките срещулежащи контакти 6 и 9 и съответно 5 и 7 към двете основи на подложки 1 и 2 са свързани съответно с крайните изводи на два нискомни тримери 11 и 12, средните точки на които са диференциалният изход 13 на сензора, а външното магнитно поле 14 е перпендикулярно на равнината на подложки 1 и 2.

Действието на сензора на Хол, съгласно изобретението, се основава на генерирането на класически ефект на Хол чрез перпендикулярно на триъгълните полупроводникови подложки 1 и 2 магнитно поле В 14. При включване на токоизточника E_s 10, Фигура 1, и в отсъствие на магнитно поле 14, В = 0, токовите линии /₄ стартират от единия срещуположен връх, например 4. Предвид симетрията на двете равнобедрени триъгълни конфигурации 1 и 2 спрямо оста 3, токоносителите се разделят на две равни компоненти /₅ и /₆, преминавайки през контакти 5 и 6 при основата на триъгълната структура 1, /₅ = 7₆. ’След това токовете /₅ и /₆ минават през двата еднакви нискоомни тримери п 11 и г₂ 12, постъпват през контакти 7 и 9 в подложка 2, Ι_Ί и /₉, и се събират в контакт 8, Ι& = Ι_Ί + Ig. Предвид триъгълните и-тип структури 1 и 2, токовите линии в тях са криволинейни като /₄ = Д. В резултат на евентуална геометрична асиметрия, технологични несъвършенства, вътрешни механични напрежения, температурни флуктуации и т.н., на изхода 13 У₁₃, формиран чрез средните точки на тримери η 11 и г₂12, Фигура 1, може да възникне офсет V_l4(# = 0) Ψ 0. Фактически съществуването на такова паразитно изходно напрежение означава, че в идентичните структури 1 и 2 е възникнала електрическа асиметрия. В предложеното решение, Фигура 1, преодоляването на този сериозен сензорен недостатък се постига с директното свързване на контакти 6 и 9, и съответно 5 и 7 с тримерите η 11 и г₂ 12. Чрез вариране на стойностите на тези тримери Γι 11 и г₂ 12 се постига еквипотенциалност на средните им точки, т.е. офсетът на изхода 13 се компенсира напълно, т.е. ЩТЗ = 0) = 0. Предложеният в решението от Фигура 1 подход, в сравнение със сложната динамична компенсация на офсета или т.н. токов спининг [7], е съществено опростен и е иманентен на самото техническо решение като крайните резултати и в двата случая са твърде близки. Следователно при компенсиран офсет Ув(В = 0) = 0 измервателната точност на сензора на Хол нараства.

При прилагане на магнитното поле В 14 перпендикулярно на подложките 1 и 2, т.е. когато то е насочено успоредно на дебелината на чипа (обикновено тя е е размери 200 - 300 цт), магнитът може да се разположи максималто близко до ефективната преобразувателна зона на сензора на Хол. Ето защо перпендикулярното полето 5 14 чрез действието на силите на Лоренц F_L,i> Ри = х В води до странично (латерално) отклонение на нелинейните токови траектории по цялата им дължина в равнините на подложки 1 и 2, където q е елементарният товар на електрона, а V_dr е векторът на средната дрейфова скорост на електроните в структури 1 и 2. В резултат на Лоренцовото отклонение от силите F^, в зависимост от посоките на захранващия ток /_4;8 и на магнитното поле В 14, нелинейните траектории “се изгъват” към областите с контакти 6 и 9, или към тези с контакти 5 и 7. По тази причина, например, при изгъване на тока /4,8 към зоните е контакти 6 и 9 се генерират допълнителни електрони, съответно възникват еднакви по стойност отрицателни Холови потенциали: - Е_Нб(^) и - Гн9(В), - Тнб(В) = - V_H9(B). Едновременно в съответните зони с контакти 5 и 7 допълнителните потенциали и V_m(B) са положителни, Еш(В) = Генерирането на напрежението на Хол 13 е възможно, тъй като всяка една от структурите 1 и 2 изпълнява роля на товарен резистор, който обезпечава режим на работа генератор на ток /_{4 S} = const. Така вместо изменение на токовите компоненти в магнитно поле В 14 в зоните е контактите се генерират Холови потенциали от натрупване на товари. Ето защо’върху диференциалния изход 13 на сензора възниква напрежение на Хол УнвСВ) 13· В резултат на нестандартната триъгълна топология на двете конфигурации 1 и 2, и по специално остроъгълната форма на контактните зони 6, 9 и 5, 7 при двете основи, едно и също количество допълнителни неравновесни електрони и донори може да създаде различни по стойност повърхностни потенциали в сравнение с равнина. Фактически потенциалът W в остроъгълна област е най-висок, тъй като ефективната му площ S с разположените там товари е най-малка, ΔΕ ~ 7QIS, където Δβ е допълнителният общ товар, генериран от Лоренцовото отклонение. Следователно плътността на товарите от силата на Лоренц F^ е твърде неравномерно разпределена при сложни повърхности, какъвто е случая с триъгълните структури 1 и 2. Следователно едно и също количество товари ще генерира, в зависимост от формата на повърхността, различен потенциал, т.е. различно напрежение на Хол ЕшзФ) 13. Това е причината магниточувствителността на сензора на Хол в решението от Фигура 1 да е по-висока, отколкото в стандартните правоъгълни структури. От друга страна възможността магнитът 14 да се доближи максимално близко до сензорния чип води до по-високи стойности на изходния Холов сигнал Ршз(Д) 13 при фиксирана чувствителност. Също така откритият неотдавна ефект на магнитноуправляем повърхностен ток в проводящите материали също допринася за по-висока преобразувателна ефективност, [9].

Неочакваният положителен ефект на новото техническо решение е, че посредством оригиналната триъгълна конструкция и иновативното свързване на контакти 6-9 и 5-7 при основите на подложки 1 и 2 през нискоомни тримери 11 и 12 се постига пълна компенсация на офсета, повишавайки измервателната точност. Освен това източникът на управляващото магнитно поле е максимално доближен до сензорния чип, повишавайки изходното напрежение като остроъгълните зони генерират по-високи Холови потенциали, респективно по-висока магниточувствителност.

Технологичното изпълнение на сензора на Хол се осъществява на основата на силициеви CMOS или BiCMOS интегрални процеси или микромашининг. В този случай се формират /г-тип триъгълни „джобове” в p-Si пластини. Планарните омични контакти 4, 6, 9, 5, 7 и 8 се формират с йонна имплантация и са силно легирани п⁺- области в n-Si „джобове”. Силициевите планарни технологии позволяват едновременното формиране на общ чип и на обработващата електронна схемотехника на изходното напрежение 13 в зависимост от конкретното приложение.

Конфигурацията е работоспособна и в областта на криогенните температури, например, температурата на кипене на течния азот Т = 77 К, което разширява сферата на приложение, особена при слабополевата магнитометрия и контратероризма.

ПРИЛОЖЕНИЕ: една фигура

ЛИТЕРАТУРА

[1] Ч.С. Руменин, П.Т. Костов, Планарен датчик на Хол, Авт. свид. BG № 37208/26.12.1983.

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

[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. 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.

[7] Sander, Ch., Vecchi, M., Cornils, M., Paul, O. From Three-contact vertical Hall elements to symmetrized vertical Hall sensors with low offset, Sens. Actuators, A 240 (2016), 92-102.

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

[9] C. Roumenin, S. Lozanova, S. Noykov, Experimental evidence of magnetically controlled surface current in Hall devices, Sens. Actuators, A 175 (2012) 47-52.

Claims

ПАТЕНТНИ ПРЕТЕНЦИИ

Сензор на Хол, съдържащ полупроводникова подложка с п-тип примесна проводимост, върху едната страна на която са формирани омични контакти и токоизточник, ХАРАКТЕРИЗИРАЩ СЕ с това, че има още една (2), еднаква с първата (1) полупроводникова подложка, които са с форма на равнобедрени триъгълници, подложки (1) и (2) са разположени в близост откъм страните на основите си, които са успоредни, а срещуположните им върхове лежат на една ос (3), на всеки връх на двете подложки има омичен контакт (4), (5), (6), (7), (8) и (9), контактите (4) и (8) на двата срещуположни върха на подложки (1) и (2) са съединени с изводите на токоизточника (10), двойките срещулежащи контакти (6) и (9) и съответно (5) и (7) към двете основи на подложки (1) и (2) са свързани съответно с крайните изводи на два нискомни тримери (11) и (12), средните точки на които са диференциалният изход (13) на сензора, а външното магнитно поле (14) е перпендикулярно на равнината на подложки (1) и (2).