BG112935A

BG112935A - Микросензор за хол с равнинна чувствителност

Info

Publication number: BG112935A
Application number: BG112935A
Authority: BG
Inventors: Сия ЛОЗАНОВА; Вълчева Лозанова Сия
Original assignee: Институт По Роботика - Бан
Priority date: 2019-05-15
Filing date: 2019-05-15
Publication date: 2020-11-30
Also published as: BG67384B1

Abstract

Микросензорът на Хол с равнинна чувствителност съдържа две еднакви правоъгълни полупроводникови подложки с n-тип примесна проводимост - първа (1) и втора (2), разположени максимално близко и успоредно на дългите си страни. Върху едната страна на всяка от тях са формирани последователно на равни 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 както на дългите си страни, така и на късите страни на подложките (1 и 2). Вторият контакт (5) на първата подложка (1) и третият контакт (8) на втората подложка (2) през токоизточник (11) са свързани с четвъртия контакт (9) на първата (1) и с първия контакт (4) на втората (2) подложка. Първият контакт (3) на първата (1) подложка е съединен с втория контакт (6) на втората (2), а третият контакт (7) на първата (1) е свързан с четвъртия контакт (10) на втората подложка (2). Вторият (6) и четвъртият (10) контакт на втората подложка (2) са диференциалният изход (12) на микросензора, като измерваното магнитно поле (13) е успоредно, както на равнините на подложките (1 и 2), така и на дългите страни на контактите (3, 5, 7, 9, 4, 6, 8 и 10).

Description

МИКРОСЕНЗОР НА ХОЛ С РАВНИННА ЧУВСТВИТЕЛНОСТ

ОБЛАСТ НА ТЕХНИКАТА

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

ПРЕДШЕСТВАЩО СЪСТОЯНИЕ НА ТЕХНИКАТА

Известен е микросензор на Хол с равнинна чувствителност, съдържащ правоъгълна полупроводникова подложка с п-тип примесна проводимост, върху едната страна на която са формирани последователно и на равни разстояния един от друг четири правоъгълни омични контакти, от ляво надясно - първи, втори, трети и четвърти, разположени успоредно както на дългите си страни, така и на късите страни на подложката. Първият и третия контакт са свързани с токоизточник, а вторият и четвъртият са диференциалният изход на микросензора като измерваното магнитно поле е успоредно както на равнината на подложката, така и на дългите страни на контактите, [1-7].

Недостатък на този микросензор на Хол с равнинна чувствителност е понижената измервателна точност от наличието на паразитно напрежение на диференциалния изход в отсъствие на магнитно поле (офсет) в резултат на електрическата асиметрия, породена от присъщата за този тип структури с планарни контакти 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 нелинейната компонента в изходното напрежение в магнитно поле, поради различните по стойност потенциали на Хол върху двата изходни контакта, генерирани от ефекта на Хол, което е причина, независимо че изходът е диференциален известна част от нелинейната магниторезистивна компонента да прониква в изхода, смесвайки се с метрологичния линеен Холов сигнал.

ТЕХНИЧЕСКА СЪЩНОСТ

Задача на изобретението е да се създаде микросензор на Хол с равнинна чувствителност с висока измервателна точност и линеен изход.

Тази задача се решава с микросензор на Хол с равнинна чувствителност, съдържащ две еднакви правоъгълни полупроводникови подложки с п-тип примесна проводимост - първа и втора, разположени максимално близко и успоредно на дългите си страни. Върху едната страна на всяка от тях са формирани последователно на равни разстояния един от друг по четири правоъгълни омични контакти, от ляво надясно - първи, втори, трети и четвърти, разположени успоредно както на дългите си страни, така и на късите страни на подложките. Вторият контакт на първата подложка и третият контакт на втората през токоизточник са свързани с четвъртия контакт на първата и с първия контакт на втората подложка. Първият контакт на първата подложка е съединен с втория контакт на втората, а третият контакт на първата е свързан с четвъртия контакт на втората подложка. Вторият и четвъртият контакт на втората подложка са диференциалният изход на микросензора като измерваното магнитно поле е успоредно както на равнините на подложките, така и на дългите страни на контактите.

Предимство на изобретението е високата измервателна точност от силно редуцирания офсет в резултат на свързване на контактите от двете подложки по двойки така, че се постига взаимно изравняване на електрическите потенциали на изхода в отсъствие на магнитно поле, въпреки асиметрията на токовите траектории.

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

Предимство е още и минималният температурен дрейф на изхода в резултат на компенсирания паразитен офсет.

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 с равнинна чувствителност съдържа две еднакви правоъгълни полупроводникови подложки с п-тип примесна проводимост - първа 1 и втора 2, разположени максимално близко и успоредно на дългите си страни. Върху едната страна на всяка от тях са формирани последователно на равни 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 както на дългите си страни, така и на късите страни на подложките 1 и 2. Вторият контакт 5 на първата подложка 1 и третият контакт 8 на втората 2 през токоизточник 11 са свързани с четвъртия контакт 9 на първата 1 и с първия контакт 4 на втората 2 подложка. Първият контакт 3 на първата 1 подложка е съединен с втория контакт 6 на втората 2, а третият контакт 7 на първата 1 е свързан с четвъртия контакт 10 на втората 2 подложка. Вторият 6 и четвъртият 10 контакт на втората подложка 2 са диференциалният изход 12 на микросензора като измерваното магнитно поле 13 е успоредно както на равнините на подложките 1 и 2, така и на дългите страни на контакти 3, 5, 7, 9, 4, 6, 8 и 10.

Действието на микросензора на Хол с равнинна чувствителност, съгласно изобретението, е следното. Поради планарността на захранващите омични контакти 4, 5, 8 и 9, Фигура 1, в отсъствие на магнитно поле 13, В = 0, те представляват еквипотенциални равнини. Ето защо токовите траектории /5 9 и /_4>8 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 /_5>9 и /_4;8 в така формираните два равнинно-магниточувствителни елемента на Хол са криволинейни. Съгласно еднаквостта на двете структури 1 и 2, и избраната оригинална схема на включване, захранващите токове, след включване на токоизточника 11, са равни по стойност и са противоположно насочени, /5 9 и - /_4>8. 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 индивидуалните им диференциални изходи УзХ-в) и формирани от контакти 3 и 7, и съответно 6 и 10, при отсъствие на магнитно поле В = 0, в идеалния случай следва да отсъстват офсети, ¥3,7(2? = 0) = = 0) = 0. В резултат обаче на геометричната асиметрия на двете токови траектории /_5;9и - A.s спрямо съответните контакти 3 - 7 и 6 - 10, на тези изходи винаги присъства офсет У_3;7(В = 0) # 0 и У₆,ю(В = 0) # 0. В предложеното решение, Фигура 1, преодоляването на този сериозен сензорен недостатък се постига с директното окъсяване на контакти 3 и 6, и съответно 7 и 10 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 на изхода У₁₂ 12. Ето защо в зоните на двата изходни контакти 3 - 6 и 7 - 10 в отсъствие на магнитно поле В 13, В = 0, офсетът на изхода 12 е драстично редуциран или компенсиран, Vi₂(B = 0) = 0. Този подход в сравнение със сложната динамична компенсация на офсета при 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 микросензора на Хол с равнинна чувствителност в магнитно поле В 13, протичат следните магнитноелектрични процеси, генерирани чрез съответните сили на Лоренц F^ = gV* х В. Траекториите на движещите се в обемите на подложки 1 и 2 електрони със средна дрейфова скорост V_dr се изменят. Например, в подложка 1 токовите линии /5 9 се „свиват” нагоре към повърхността и в зоната с контакт 7 се генерират от ефекта на Хол допълнителни отрицателни товари като потенциалът там става отрицателен. Едновременно с това в зоната на контакт 3 потенциалът става положителен и между контакти 3 и 7 възниква напрежение на Хол Е_{3 7}(В). В подложка 2 токовата компонента - /4,8 се удължава навътре в обема, като потенциалът върху контакт 6 става положителен, докато в зоната с контакт 10 се генерират от силата F_Lдопълнителни отрицателни товари - потенциалът там е отрицателен. В резултат върху контакти 6 и 10 се генерира напрежение на Хол, - У_6Л0(В).

Сигналът - Уб,ю(В) обаче е с противоположна полярност на този между контакти 3 и 7, У₃₇(В). Причината е противоположните посоки на захранващите токове /59 и - /_4>8 в подложки 1 и 2. Следователно оригиналното свързване на двата елемента на Хол осъществява генериране на две напрежения на Хол УзХВ) и - V^_W(B), които предвид идентичността на струтктурите 1 и 2 са близки по стойност, но с противоположен знак. Различието в двете напрежения Уз_;7(В) У | - Уб,ю(^) | е от принципно естество. Поради несиметричността на токовите траектории спрямо изходните контакти, в магнитно поле В 13 на диференциалния изход на микросензора V₁₂(B) 12 присъства нелинейната магниторезистивна компонента MR ~ В , генерирана и чрез магнитноуправляемия повърхностен ток i_s(B), [8]. Тя не може да се компенсира напълно и по тази причина линейността се нарушава. Използваното обаче непосредствено свързване на изходните контакти 3-6и7-10 изравнява чрез окъсяване на еднакви по знак офсет-потенциали, което води до максимално компенсиране на квадратичното магнитосъпротивление MR ~ В² в изхода 12. Важна особеност е, че върху непосредствено съединените двойки контакти 3 - 6 и 7 - 10 в магнитно поле В 13 се генерират съответно допълнителни товари с противоположен знак, обуславящи диференциалния изход 12. По този начин се постига висока степен на линеаризация на изходното напрежение Vi₂(B) 12. В новото решение, Фигура 1, захранващите (входните) и изходните контакти на двете структури 1 и 2 са взаимозаменяеми. Разполагането на подложки 1 и 2 максимално близко една до друга позволява практически идентични температурни условия за двата микросензора на Хол и висока пространствена резолюция при определяне на топологията на магнитната индукция В 13.

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 микросензора 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, изравняващи потенциалите на изходните контакти, което повишава измервателната точност чрез редуциран/компенсиран паразитен офсет, минимален температурен дрейф и подобрена линейност.

Реализацията на новия микросензор 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 интегрална реализация - силициевите

CMOS или BiCMOS интегрални процеси. В този случай подложки 1 и 2 се формират с два отделни п-тип „джоба” в p-Si пластина. Планарните омични контакти 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 и 10 се осъществяват, например, с йонна имплантация и са силно легирани и⁺- области в и-Si „джобове”. Силициевите планарни технологии позволяват едновременното формиране на микросензора 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 от Фигура 1 може да функционира и в областта на криогенните температури, например, температурата на кипене на течния азот Т = 77 К. В този случай основно чрез минимизиран шум, 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 г.

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

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

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

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

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

[8] 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

ПАТЕНТНИ ПРЕТЕНЦИИ

Микросензор на Хол с равнинна чувствителност, съдържащ токоизточник и правоъгълна полупроводникова подложка с η-тип примесна проводимост, върху едната й страна са формирани последователно на равни разстояния един от друг четири правоъгълни омични контакти, от ляво надясно - първи, втори, трети, и четвърти, разположени успоредно както на дългите си страни, така и на късите страни на подложката, измерваното магнитно поле е успоредно на равнината на подложката и на дългите страни на контактите, ХАРАКТЕРИЗИРАЩ СЕ с това, че има още една втора полупроводникова подложка (2), еднаква с първата (1) и разположена максимално близко до нея като подложки (1) и (2) са успоредни на дългите си страни, върху едната страна на втората подложка (2) също има от ляво надясно четири правоъгълни и еквидистантно разположени омични контакти - първи (4), втори (6), трети (8) и четвърти (10), еднакви с тези от първата (1), вторият контакт (5) на първата подложка (1) и третият контакт (8) на втората (2) през токоизточника (11) са свързани с четвъртия контакт (9) на първата (1) и с първия контакт (4) на втората (2) подложка, първият контакт (3) на първата подложка (1) е съединен с втория контакт (6) на втората (2), а третият контакт (7) на първата (1) е свързан с четвъртия контакт (10) на втората подложка (2), вторият (6) и четвъртият (10) контакт на втората подложка (2) са диференциалният изход (12) на микросензора на Хол.