BG112991A - Електронно устройство с равнинна магниточувствителност - Google Patents

Abstract

Електронното устройство с равнинна магниточувствителност съдържа токоизточник (1) и правоъгълна полупроводникова подложка (2) с n-тип примесна проводимост. Върху горната й страна последователно и на равни разстояния един от друг са формирани отляво надясно три правоъгълни омични контакта - първи (4), втори (6) и трети (8), разположени успоредно с дългите си страни, като вторият контакт (6) е централен, а първият (4) и третият (8) са симетрични спрямо него. Първият (4) и третият контакт (8) са свързани с токоизточника (1), като външното измервано магнитно поле (11) е в равнината на подложката (1) и е успоредно на дългите страни на контактите (4, 6 и 7). Има още втора полупроводникова подложка (3), разположена успоредно на първата (2) с дългите си страни и еднаква с нея - със същия тип проводимост, брой контакти върху едната й страна и разстояния между тях. Първият контакт (4) на първата подложка (2) е свързан с третия контакт (9) на втората (3) и третият контакт (8) на първата подложка (2) е свързан с първия контакт (5) на втората подложка (3). Двата централни контакта (6 и 7) са изход (10) на електронното устройство.

Description

ЕЛЕКТРОННО УСТРОЙСТВО С РАВНИННА МАГНИТОЧУВСТВИТЕЛНОСТ

ОБЛАСТ НА ТЕХНИКАТА

Изобретението се отнася до електронно устройство с равнинна магниточувствителност, приложимо в областта на роботиката и мехатрониката, безпилотните летателни апарати, сензориката, микро- и нано-технологиите, електромобилите и хибридните превозни средства, квантовите комуникационни системи с изкуствен интелект, биомедицинските изследвания и роботизираната хирургия, енергетиката, безконтактното измерване на ъглови и линейни премествания, контролноизмервателната техника и слабополевата магнитометрия, контротероризма, военното дело и сигурността включително подводно, наземно и въздушно наблюдение и превенция.

ПРЕДШЕСТВАЩО СЪСТОЯНИЕ НА ТЕХНИКАТА

Известно е електронно устройство с равнинна магниточувствителност, съдържащо токоизточник и правоъгълна полупроводникова подложка с п-тип примесна проводимост. Върху едната й страна последователно и на равни разстояния един от друг са формирани от ляво на дясно три правоъгълни омични контакти - първи, втори и трети, разположени успоредно с дългите си страни като вторият контакт е централен, а първият и третият са симетрични спрямо него. Първият и третият контакт са свързани с токоизточника, към който са съединени и крайните контакти на високоомен тример. Средната точка на тримера и централният контакт са диференциалният изход на електронното устройство, а измерваното външно магнитно поле е в равнината на подложката и е успоредно на дългите страни на омичните контакти, [1 - 9].

Недостатък на това електронно устройство с равнинна магниточувствителност е редуцираната му преобразувателна ефективност (чувствителност), тъй като се използва само част от изходното напрежаение, генерираното от ефекта на Хол в подложката.

Недостатък е също усложнената интегрална реализация на устройството, изискваща допълнителни технологични операции и процеси за формиране на високоомния тример с определена стойност в полупроводниковата подложка.

ТЕХНИЧЕСКА СЪЩНОСТ

Задача на изобретението е да се създаде електронно устройство с равнинна магниточувствителност, притежаващо висока преобразувателна ефективност (чувствителност) и опростена технологична реализация.

Тази задача се решава с електронно устройство с равнинна магниточувствителност, съдържащо токоизточник и две еднакви правоъгълни полупроводникови подложки с η-тип примесна проводимост - първа и втора, разположени успоредно с дългите си страни. Върху едната страна на подложките последователно и на равни разстояния един от друг са формирани от ляво на дясно по три правоъгълни омични контакти съответно първи, втори и трети, разположени успоредно един спрямо друг като вторите контакти са централни, а първите и третите са симетрични спрямо централните. Първият контакт на първата подложка е свързан с третия контакт на втората като общата им точка е съединена с единия извод на токоизточника. Третият контакт на първата подложка е свързан с първия контакт на втората като общата точка е съединена с другия извод на токоизточника. Двата централни контакти са диференциалният изход на електронното устройство като измерваното външно магнитно поле е в равнината на подложките и е успоредно на дългите страни на омичните контакти.

Предимство на изобретението е повишената магниточувствителност в резултат на формираната втора подложка, идентична на първата и функционално интегрирана с нея така, че захранващият ток да е с противоположна посока спрямо този в първата подложка, като в резултат изходното напрежение на Хол съществено нараства в сравнение с известното решение.

Предимство е още опростената реализация на устройството чрез пълна съвместимост с еднотипни процеси на силициевите технологии, използвани в микроелектрониката като отпадат допълнителните операции за формиране на тримера, ролята на който изцяло се изпълнява от втората подложка с трите омични контакти, осъществена в общ технологичен цикъл с първата.

Предимство е също и минималната метрологична грешка от неминуеми технологични и геометрични несъвършенства при реализацията, формиращи най-вече паразитен офсет (паразитно напрежения на изхода в отсъствие на магнитно поле), който в нашия случай е драстично минимизиран от непосредственото свързване по определен начин на първите и третите контакти на двете подложки.

ОПИСАНИЕ НА ПРИЛОЖЕНИТЕ ФИГУРИ

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

ПРИМЕРИ ЗА ИЗПЪЛНЕНИЕ

Електронното устройство с равнинна магниточувствителност съдържа токоизточник 1 и две еднакви правоъгълни полупроводникови подложки с и-тип примесна проводимост - първа 2 и втора 3, разположени успоредно е дългите си страни. Върху едната страна на подложките 2 и 3 последователно и на равни разстояния един от друг са формирани от ляво на дясно по три правоъгълни омични контакти - съответно първи 4 и 5, втори 6 и 7, и трети 8 и 9, разположени успоредно един спрямо друг като вторите контакти 6 и 7 са централни, а първите 4 и 5, и третите 8 и 9 са симетрични спрямо централните 6 и 7. Първият контакт 4 на първата подложка 2 е свързан с третия контакт 9 на втората 3 като общата им точка е съединена с единия извод на токоизточника 1. Третият контакт 8 на първата подложка 2 е свързан с първия контакт 5 на втората 3 като общата точка е съединена с другия извод на токоизточника 1. Двата централни контакти 6 и 7 са диференциалният изход 10 на електронното устройство като измерваното външно магнитно поле 11 е в равнината на подложките 2 и 3, и е успоредно на дългите страни на контакти 4, 5, 6, 7, 8 и 9.

Действието на електронното устройство с равнинна магниточувствителност, съгласно изобретението, е следното. Метрологичната информация се основава на генерирането на ефект на Хол чрез успоредно на равнините на подложки 2 и 3 магнитно поле В 11 (противно на общоприетото вертикално активизиране на явлението на Хол) - закономерност, открита и използвана за първи път от Ч. Руменин и П. Костов, и доразвита от С. Лозанова [1 - 9]. Предвид планарността на захранващите контакти 4, 5, 8 и 9, Фигура 1, при включване на източника E_s 1 и в отсъствие на магнитно поле 11, В = 0, те представляват еквипотенциални равнини за токовите линии. Токовите траектории през тези контактни повърхности първоначално са насочени вертикално надолу в обема на подложки 2 и 3, след това стават успоредни на горните им страни, и накрая отново са перпендикулярни към планарните контакти 4, 5 или 8, 9. Следователно токовите линии в подложките 2 и 3 са криволинейни. Съгласно иновативното свързване на двойките контакти 4 9 и 5 - 8, посоките на равните по стойност захранващи токове през тях са противоположно насочени. В резултат на евентуална геометрична асиметрия, технологични несъвършенства, вътрешни механични напрежения, температурни флуктуации и т.н., на изхода Е,.? 10 на устройството от Фигура 1 възниква паразитен офсет V₆^(B = 0) 0.

Фактически съществуването на такова изходно напрежение означава, че в идентичните структури 2 и 3 съществува електрическа асиметрия. В предложеното решение, Фигура 1, преодоляването на този сериозен сензорен недостатък се постига чрез директното свързване на контакти 4 9 и 5 - 8. При такова нестандартно скъсяване протичат компенсиращи (изравняващи) токове между подложките 2 и 3, уеднаквяващи електрическите условия в тях. Ето защо в зоните на двата изходни контакта 6 и 7 в отсъствие на магнитно поле В 11, В = 0, офсетът е драстично редуциран или компенсиран (нулиран), V_6>^B = 0) ~ 0. Този подход в сравнение със сложната динамична компенсация на офсета или т.н. токов спининг [7,8] е съществено опростен и е иманентен на самото техническо решение като крайните резултати и в двата случая са близки.

Прилагане на измерваното магнитно поле В 11 успоредно на подложките 2 и 3, и на дългите страни на контакти 4, 5, 6, 7, 8 и 9, които едновременно са перпендикулярни на дългите страни на подложките 2 и 3, води до странично (латерално) отклонение на нелинейните токови линии по цялата им дължина. Това е в резултат на действието на силите на Лоренц F_Lji, F_l = qV_dT χ В върху всеки сегмент от раекториите Ζ_4>8 и /_9>5, където q е елементарният товар на електрона, a V_dr е векторът на средната дрейфова скорост на електроните в обемите на подложки 2 и 3. На Фигура 1 магнитният вектор В 11 е перпендикулярен на напречните сечения на структури 2 и 3. В резултат на Лоренцовото отклонение от силите F_Li, в зависимост от посоките на захранващите токове в подложки 2 и 3, и на магнитното поле В 11, нелинейните траектории “се свиват” и/или съответно “разширяват”. По тази причина върху централните планарни контакти 6 и 7 както на изходните терминали 10 се генерират едновременно Холови потенциали, еднакви по стойност и с противоположен знак: У_Нб(^) и - Фактически измерваното магнитно поле В 11 променя антифазно положението на токовите траектории спрямо централните контакти 6 и 7. Същевременно върху диференциалния изход 10 на електронното устройство възниква напрежение на Хол, У_н = V_6t7(B). То се генерира от противоположно протичащите захранващи токове /_4;8 и -/_5;9 в първата 2 и втората 3 подложка, водещи до повишаване и съответно понижаване на потенциалите на контакти 6 и 7 от действието в противоположни посоки на силата на Лоренц F_l. Сигналът Тб₇(В) е линейна и нечетна функция от силата и посоката на общия захранващ ток и на магнитното поле В 11 и е с високо метрологично качество.

В новото решение за първи път се използва иновативен способ за повишаване на магниточувствителността на изхода У_6;7(В) с помощта на еднакви по стойност, но с противоположен знак Холови потенциали, генерирани от протичащите противоположни токове в първата 2 и втората 3 подложка. По същество структури 2 и 3 заедно с контакти 4, 6 и 8, съответно 5, 7 и 9 представляват триконтактни елементи на Хол, описани и анализирани за първи път в [1 - 9]. Способът на свързване, използван в устройството на Хол от Фигура 1 увеличава съществено изходното напрежение У_н ^Ξ Уб,₇(^) Ю и магниточувствителността нараства. В новото решение отпада необходимостта да се използват усложняващи технологични операции и процеси за реализиране на високоомния тример. Постига се пълна технологична съвместимост чрез еднотипни процеси на силициевите технологии за реализация на цялото електронно устройство. В резултат от минимизиране на паразитния офсет и удвоената преобразувателна ефективност измервателната точност на конфигурацията е повишена, т.е. измервателната грешка е минимизирана. За високата преобразувателна ефективност допринася и магнитноуправляемият повърхностен ток, [10].

Неочакваният положителен ефект на новото техническо решение е, че посредством оригиналната конструкция и иновативното свързване на контакти 4-9и5-8на подложки 2 и 3 се постига: а) съществено нарастване на изходното напрежение на Хол Уб_>7(^) Ю като чувствителността се повишава, б) драстично редуциране чрез изравняващи токове на един от най-сериозните недостатъци - офсетът и в) опростяване на технологичната реализация на устройството.

Технологичното изпълнение на електронното устройство се осъществява на основата на силициеви CMOS или BiCMOS интегрални процеси. Формират се дълбоки п-тип „джобове” в />-Si пластини. Планарните омични контакти 4, 5, 6, 7, 8 и 9 се осъществяват с йонна имплантация и представляват силно легирани п⁺- области в и-Si „джобове”. Силициевите планарни технологии позволяват едновременното формиране на общ чип и на обработващата електронна схемотехника на изходното напрежение V_6J(B) 10 в зависимост от конкретното приложение. Конфигурацията от Фигура 1 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] A.M.J. Huiser, Н.Р. Baltes, Numerical modeling of vertical Hall-effect devices, IEEE Electron Device Letters, 5(9) (1984) pp. 482-484.

[3] Ch.S. Roumenin, Parallel-field triple Hall device, Compt. rendus ABS, 39(11) (1986) 65-68.

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

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

[6] Ch.S. Roumenin, Magnetic sensors continue to advance towards perfection, Invited paper, Sensors and Actuators, A 46-47 (1995) 273-279

[7] 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: 0-8155-1497-2.

[8] C. Roumenin, „Solid State Magnetic Sensors” - Handbook of Sensors and Actuators, Elsevier, Amsterdam-Lausanne-New York-OxfordShannon-Tokyo, 1994, pp. 450; ISBN: 0 444 89401.

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

[10] C. Roumenin, S. Lozanova, S. Noykov, Experimental evidence of magnetically controlled surface current in Hall devices, Sensors and Actuators, A175 (2012) 45-52.

Claims (1)

1. Електронно устройство с равнинна магниточувствителност, съдържащо токоизточник и правоъгълна полупроводникова подложка с птип примесна проводимост, върху горната й страна последователно и на равни разстояния един от друг са формирани от ляво на дясно три правоъгълни омични контакти - първи, втори и трети, разположени успоредно с дългите си страни като вторият контакт е централен, а първият и третият са симетрични спрямо него, първият и третият контакт са свързани с токоизточника като външното измервано магнитно поле е в равнината на подложката и е успоредно на дългите страни на контактите, ХАРАКТЕРИЗИРАЩО СЕ с това, че има още втора полупроводникова подложка (3), разположена успоредно на първата (2) с дългите си страни и еднаква с нея - със същия тип проводимост, брой омични контакти върху едната й страна и разстояния между тях, първият контакт (4) на първата подложка (2) е свързан с третия контакт (9) на втората (3), третият контакт (8) на първата подложка (2) е свързан с първия контакт (5) на втората (3), а двата централни контакта (6) и (7) са изход (10) на електронното устройство.