BG113014A - Интегрален сензор на хол с равнинна чувствителност - Google Patents

Abstract

Интегралният сензор на Хол с равнинна чувствителност съдържа две полупроводникови подложки с n-тип проводимост, разположени успоредно - първа (1) и втора (2), и токоизточник (3). Върху едната страна на подложките (1 и 2) са формирани последователно отляво надясно пет и съответно три омични правоъгълни контакта, успоредни на дългите си страни - първи (4), втори (5), трети (6), четвърти (7) и пети (8) на подложка (1), и първи (9), втори (10) и трети (11) на втората (2). Контакт (6) на първата (1) и контакт (10) на подложка (2) са централни като спрямо тях първият (4) и петият (8), и съответно вторият (5) и четвъртият (7) контакт на подложка (1), както първият (9) и третият (11) контакт на втората (2) са разположени симетрично. В близост до двете дълги страни на контактите (6 и 10), успоредно и на равни разстояния от тях има по една дълбока зона (12) с р-тип проводимост, чиято дължина е равна на тази на контактите (6 и 10). Двата извода на токоизточника (3) са свързани с контактите (6 и 10). Първият контакт (4) на подложка (1) е съединен с контакт (9) на втората (2), а петият контакт (8) на първата (1) е свързан с контакт (11) на подложка (2). Първият (4) и четвъртият (7) контакт, и съответно вторият (5) и петият (8) контакт на подложка (1) са съединени. Диференциалният изход (13) на сензора са първият (9) и третият (11) контакт на подложката (2), а измерваното магнитно поле (14) е успоредно както на равнините на подложките (1 и 2), така и на дългите страни на контактите (4, 5, 6, 7, 8, 9, 10 и 11).

Description

Изобретението се отнася до интегрален сензор на Хол с равнинна чувствителност, приложимо в областта на сензориката; роботиката и мехатрониката включително роботизираната и минимално инвазивната хирургия; биомедицината; квантовата комуникация; системите за сигурност с изкуствен интелект и военното дело; електромобилите и хибридните превозни средства; безпилотните летателни апарати; машиностроенето и автоматизацията на производството; безконтактното измерване на ъглови и линейни премествания; слабополевата магнитометрия; енергетиката; контратероризма включително подводно, наземно и въздушно наблюдение и превенция; навигацията и др.

ПРЕДШЕСТВАЩО СЪСТОЯНИЕ НА ТЕХНИКАТА

Известен е интегрален сензор на Хол с равнинна чувствителност, съдържащ две еднакви полупроводникови подложки с и-тип примесна проводимост - първа и втора, разположени успоредно и токоизточник. Върху едната страна на всяка от подложките последователно от ляво на дясно и на равни разстояния са формирани по пет правоъгълни омични контакти, успоредни на дългите си страни - първи, втори, трети, четвърти и пети. Първите и петите, и съответно вторите и четвъртите контакти са симетрични спрямо третите. Първите и петите контакти са свързани помежду си. Вторият контакт на първата подложка е съединен с четвъртия на втората, а четвъртият контакт на първата подложка — с втория контакт на втората. Двата извода на токоизточника са свързани с втория и четвъртия контакт на първата подложка. Диференциалният изход на сензора на Хол са двата централни контакта като измерваното магнитно поле е успоредно както на равнините на подложките, така и на дългите страни на контактите, [1-7].

Недостатък на този интегрален сензор на Хол с равнинна чувствителност е ниската преобразувателна ефективност (магниточувствителност) поради планарно разположените върху една и съща повърхност на подложките на входните и изходните контакти като захранващият ток протича в по-голямата си част хоризонтално. Действието на магнитното поле чрез отклоняващата сила на Лоренц върху хоризонталния ток е несъществено и чувствителността се генерира от вертикалната компонента на тока.

Недостатък е също усложнената конструкция на сензора, съдържаща десет контакта с общо четири връзки между тях, които ограничават технологичната реализация чрез интегралните микроелектронни процеси.

Недостатък е още понижената измервателна точност поради ниската чувствителност и повишеното ниво на собствения Ι/f (фликер) шум от преминаването на хоризонталната компонента на захранващия ток през изходните Холови контакти.

ТЕХНИЧЕСКА СЪЩНОСТ

Задача на изобретението е да се създаде интегрален сензор на Хол с равнинна чувствителност, който да е с висока преобразувателна ефективност (магниточувствителност), опростена конструкция чрез намаляване на броя на контактите и връзките между тях, и повишена измервателна точност чрез редуциране на собствения Ι/f шум.

Тази задача се решава с интегрален сензор на Хол с равнинна чувствителност, съдържащ две полупроводникови подложки с и-тип примесна проводимост, разположени успоредно - първа и втора, и токоизточник. Върху едната страна на всяка подложка са формирани последователно от ляво надясно пет и съответно три омични правоъгълни контакти, успоредно на дългите си страни - първи, втори, трети, четвърти и пети на първата подложка, и първи, втори и трети на втората. Третият контакт на първата и вторият контакт на втората подложка са централни като спрямо тях първият и петият, и съответно вторият и четвъртият контакт на първата подложка както първият и третият контакт на втората са разположени симетрично. В близост до двете дълги страни на централните контакти, успоредно и на равни разстояния от тях има по една дълбока зона с р-тип примесна проводимост, чиято дължина е равна на тази на третите контакти. Двата извода на токоизточника са свързани с централните контакти. Първият контакт на първата подложка е съединен с първия контакт на втората, а петият контакт на първата е свързан с третия контакт на втората подложка. Първият и четвъртият, и съответно вторият и петият контакт на първата подложка са съединени. Диференциалният изход на сензора на Хол са първият и третият контакт на втората подложка, а измерваното магнитно поле е успоредно както на равнините на подложките, така и на дългите страни на контактите.

Предимство на изобретението е повишената магниточувствителност в резултат на: 1. силно редуцираните хоризонтални компоненти на захранващия ток в двете подложки от формираните дълбоки р-тип зони откъм дългите страни на централните контакти, определящи проникването на захранващия ток дълбоко в обема на структурите и способстващи за доминиране на магнитноуправляемите вертикални компонети; 2. близко разположените първи и втори, и съответно четвърти и пети контакт на първата подложка чрез свързването си обединяват значителните съпосочни изменения в магнитно поле на вертикалните токови компоненти, генерирани от Лоренцовото им отклонение.

Предимство е също опростената конструкция на сензора на Хол, съдържаща общо осем, вместо десет омични контакта, което спомага за технологичната реализация.

Предимство е още редуцираният Ι/f фликер шум чрез сензорната конструкция, съдържаща дълбоки /?-тип ограждащи зони, равни по дължина на централните контакти, което драстично редуцира хоризонталните токови компоненти, за да не преминават те през изходните контакти.

Предимство освен това е повишената резолюция при измерване на минималната магнитна индукция в резултат на увеличеното отношение сигнал/шум посредством високата чувствителност и редуцирания фликер шум.

Предимство е и високата измервателна точност в резултат на нарастналата чувствителност и редуцирания ί/f шум от отстраненото преминаване на хоризонталните компоненти на захранващия ток през контактите.

Предимство е и минимизираният паразитен офсет на изхода чрез непосредствените връзки на двойките контакти на първата подложка, компенсиращи неминуеми паразитни потенциали и подобряващи електрическата симетрия спрямо изхода.

Предимство е също така повишената стабилност на изходното напрежение към температурни флуктуации поради функционирането на сензора на Хол в режим генератор на ток, формиран от вътрешните съпротивления на подложките.

ОПИСАНИЕ НА ПРИЛОЖЕНИТЕ ФИГУРИ

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

ПРИМЕРИ ЗА ИЗПЪЛНЕНИЕ

Интегралният сензор на Хол с равнинна чувствителност съдържа две полупроводникови подложки с п-тип примесна проводимост, разположени успоредно - първа 1 и втора 2, и токоизточник 3. Върху едната страна на подложките 1 и 2 са формирани последователно от ляво надясно пет и съответно три омични правоъгълни контакти, успоредни на дългите си страни - първи 4, втори 5, трети 6, четвърти 7 и пети 8 на първата подложка 1, и първи 9, втори 10 и трети 11 на втората 2. Третият контакт 6 на първата 1 и вторият контакт 10 на втората подложка 2 са централни като спрямо тях първият 4 и петият 8, и съответно вторият 5 и четвъртият 7 контакт на първата подложка 1 както първият 9 и третият 11 контакт на втората 2 са разположени симетрично. В близост до двете дълги страни на централните контакти 6 и 10, успоредно и на равни разстояния от тях има по една дълбока зона 12 с р-тип примесна проводимост, чиято дължина е равна на тази на контакти 6 и 10. Двата извода на токоизточника 3 са свързани с централните контакти 6 и 10. Първият контакт 4 на първата подложка 1 е съединен с първия контакт 9 на втората 2, а петият контакт 8 на първата 1 е свързан с третия контакт 11 на втората подложка 2. Първият 4 и четвъртият 7 контакт, и съответно вторият 5 и петият 8 контакт на първата подложка 1 са съединени. Диференциалният изход 13 на сензора на Хол са първият 9 и третият 11 контакт на втората подложка 2, а измерваното магнитно поле 14 е успоредно както на равнините на подложките 1 и 2, така и на дългите страни на контактите 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10 и 11.

Действието на интегралния сензор на Хол с равнинна чувствителност, съгласно изобретението, е следното. При включване на централните контакти 6 и 10 към токоизточника 3, и свързването на електроди 4с9, 8 с 11, 4 със 7, и 5 с 8 съгласно Фигура 1, в обемите на двете подложки 1 и 2 протичат токовете Дл, /б,5^и - Ь,ъ - Ц#,^и съответно и -/10,11. Поради симетрията на структури 1 и 2 спрямо контакти 6 и 10, и способът на свързване, тези токови компоненти са равни и противоположно насочени. Траекториите на електроните в подложки 1 и 2 са криволинейни, тъй като в отсъствие на магнитно поле В 14 омичните планарни контакти 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10 и 11, през които протичат захранващите токови компоненти са еквипотенциални равнини. Ето защо токовите линии първоначално са перпендикулярни на горните повърхности на подложки 1 и 2, след което променят посоката си и в определен участък в обемите им са успоредни на горните равнини. Освен това дълбоките р-тип ограждащи зони 12, равни по дължина на правоъгълните централни контакти 6 и 10 не позволяват наличие на хоризонтални токови компоненти по повърхността на структурите 1 и 2. Обикновено, съобразно използаваната силициева технология, дълбочината на р-зоните 12 варира до около 12-15 цт. В резултат дълбочината на проникване w на токовите линии при фиксирана концентрация на легиращата донорна примес ND в и-тип Si подложки 1 и 2 зависи и от съотношението М между ширината 1\ на контакти 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10 и 11, и разстоянията 12 между тях, Μ = /ι//2, [1, 2, 5 - 7]. Максималната дълбочина w при най-често използваната в микроелектрониката концентрация на легиращи донорни примеси ND ~ 10¹⁵ cm'³ в Si и ширина на контактите до около 5-10 цш съставлява около w ~ 30 - 40 рш. Същевременно подложка 2 с контакти 9, 10 и 11 представлява първият равнинно-чувствителен микросензор на Хол с три омични контакти. Този клас елементи са създадени и развити от Руменин и Лозанова, [5, 8 - 10]. Товарните резистори, които се включват в крайните електроди 9 и 11 на тези микросензори, [8], в новото решение от Фигура 1 са заменени с вътрешните съпротивления R9>i₀, Rio.ii» R4,6 и R₆,s на двете подложки 1 и 2. Тези резистори обуславят работен режим генератор на ток. Съпротивленията R₉₁₀ = Rio,и ^и R4,6 = Re,8 са еднакви поради структурната симетрия на подложките 1 и 2 спрямо контакти 10 и 6. Обикновено на диференциалния изход V_H(B) = V₉,_n(B) 13, формиран от контакти 9 и 11, в отсъствие на външно магнитно поле В 14, В = 0, присъства несвързано с магнитната индукция паразитно напрежение или офсет. Неговото минимизиране в нашия случай се постига чрез иновативното решение от Фигура 1. Непосредствените връзки на двойките контакти 4 - 7 и 5 - 8 окъсяват паразитните офсет-потенциали в структури 1 и 2 спрямо потенциалите на изходни контакти 9 и 11 чрез протичането на изравняващи токове. Такава възможност отсъства в известното решение.

Режимът генератор на ток, който се осъществява едновременно за двете структури 1 и 2 стабилизира температурния дрейф на изхода 13 на сензора от въздействието на температурата Т. Това се дължи на ясно регламентираното влияние при такъв работен режим на температурата Т върху кинетичните и галваномагнитните процеси в полупроводниковите структури, [5].

При наличие на външно магнитно поле В 14, в подложките 1 и 2, формиращи интегралния сензор и представляващи петконтактен и триконтактен елемент на Хол, токовите компоненти Дд, /б,5, - /б,7> - ^и съответно /ю,9 и -/10,11 са подложени на отклоняващото странично действие на силите на Лоренц Рщ [1, 2, 5 - 10]. Топологията на токовите линии в резултат на оригинално видоизменената приборна конструкция 1 е основно вертикална в зоните на контакти 4 и 5, както 7 и 8. Същевременно двойките електроди 4-5и7-8са разположени достатъчно близко един до друг. Ето защо Лоренцовото отклонение на токовите линии, в зависимост от полярностите на токоизточника Es 3 и на магнитното поле В 14, води до съществено изменение на токовете през контактите. Например, компоненти - АЩВ) и - намаляват, а компоненти + \Ц(В) ^и + нарастват. Промяната на тези токове е с една и съща стойност. Следователно чрез свързването на контакти 4 - 7 и 5 - 8 се обединяват съществените съпосочни изменения в магнитно поле В 14 на токовите компоненти през тях. Аналогична е ситуацията и за конфигурация 2 с токовете през контакти 9 и 11 в поле В 14. Чрез товарните резистори Rg,io, Rio,n, ^4,6 и R6,₈ измененията на токовете на Хол се трансформират в промяна на изходното напрежение V^(B) = Vg^(B). Ето защо решението от Фигура 1 води до съществето нарастване на магниточувствителността на сензора. Новата конфигурация е с опростена конструкция. Тя съдържа осем контакта и намален брой връзки, което улеснява технологичната й реализация. Драстичното минимизиране на хоризонталните магнитнонеуправляеми токови компоненти в двете подложки 1 и 2 редуцира преминаването им през изходните контакти 4 и 5, и 7 и 8. По тази причина собственият Ι/f шум е редуциран. Вече не се налага за намаляването му прилагане на метода токов спининг [1, 6, 7], изискващ допълнителни схемни ресурси, повишаване на ефективната площ на чипа и допълнителна консумация на захранваща мощност като отделящата се топлина води до влошаване на метрологичното качество на изходния сигнал. Едновременно с увеличената магниточувствителност и повишеното отношение сигнал/шум нараства и резолюцията при детектиране на минималната магнитна индукция B_mi_n, което е ключова характеристика за целите на слабополевата магнитометрия. От друга страна точността нараства поради синергията на висока чувствителност, намален паразитен офсет, редуциран шум и температурна стабилизация на изхода 13.

Неочакваният положителен ефект на новото техническо решение се заключава в оригиналната конструкция, нестандартното свързване на контактите 4 със 7, и 5 с 8 както и близкото им разположение. Само чрез модифициране на приборната конструкция и без използване на допълнителни схемни подходи са постигнати висока чувствителност и отношение сигнал/шум, офсетът и температурният дрейф са редуцирани и метрологичната точност е повишена.

Интегралният сензор на Хол се реализира с CMOS, BiCMOS или микромашининг микроелекгронни технологии като двете преобразувателни зони на петконтакгния и триконтактния елемент 1 и 2 представляват дълбоки и-тип силициеви джобове в /лтип подложки. Омичните контакти 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10 и 11 представляват силно легирани п⁺ области, формирани най-често с епитаксия. Микросензорът на Хол може да функционира в широк температурен интервал, включително в криогенна среда, което драстично повишава чувствителността и редуцира шума, подобрявайки като цяло неговия перформанс в приложенията. За още по-висока преобразувателна ефективност за целите на слабополевата магнитометрия, контратероризма и навигацията, чипът с подложките (например п-тип силициевите джобове) 1 и 2 може да се разположи между два еднакви концентратори на полето В 14 от ферит или μ-метал. Новото сензорно решение е базово за изграждане на високочувствителни 2D и 3D магнитометри.

ПРИЛОЖЕНИЕ: една фигура

ЛИТЕРАТУРА

[1] Т. 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.

[2] R. Popovic, The vertical Hall-effect device, IEEE Electron Device Letters, 5(9) (1984) pp. 357-358.

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

[4] A.M.J. Huiser, H.P. Baltes, “Numerical modeling of vertical Hall-effect devices”, IEEE Electron Device Letters, 5(9) (1984) pp. 482-484.

[5] Ch. Roumenin, “Solid State Magnetic Sensors”, Elsevier, 1994, p. 417, ISBN: 0 444 89401 2; “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.

[6] S. Oh, D. Hvang, H. Chae, ,,4-Contact structure of vertical-type CMOS Hall device for 3-D magnetic sensor”, IEICE Electr. Expr., 16 (4) (2018) pp.1-8.

[7] C. Sander, M.-C. Vecchi, M. Cornils, O. Paul, „From three-contact vertical Hall elements to symmetrized vertical Hall sensors with low offset”, Sens. Actuat., A 240 (2016) pp. 92-102.

[8] Ч.С. Руменин, П.Т. Костов, „Планарен датчик на Хол”, Авт. свид. № BG 37208 В1/26.12.1983.

[9] S. Lozanova, С. Roumenin, Parallel-field silicon Hall effect microsensors with minimal design complexity, IEEE Sensors Journ., 9(7) (2009) pp. 761-766.

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

Claims (1)

1. ПАТЕНТНИ ПРЕТЕНЦИИ

   Интегрален сензор на Хол е равнинна чувствителност, съдържащ две полупроводникови подложки с и-тип примесна проводимост, разположени успоредно - първа и втора, и токоизточник, върху едната страна на първата подложка са формирани последователно от ляво надясно пет омични правоъгълни контакти, успоредни на дългите си страни първи, втори, трети, четвърти и пети, третият контакт на първата подложка е централен като спрямо него първият и петият, и съответно вторият и четвъртият контакт са разположени симетрично, измерваното магнитно поле е успоредно както на равнините на подложките, така и на дългите страни на контактите, ХАРАКТЕРИЗИРАЩ СЕ е това, че върху едната страна на втората подложка (2) има последователно от ляво надясно три омични правоъгълни контакти, успоредни на дългите си страни - първи (9), втори (10) и трети (11) като вторият (10) е ценрален, а първият (9) и третият (11) контакт са разположени симетрично спрямо него, в близост до двете дълги страни на контакти (6) и (10), успоредно и на равни разстояния от тях има по една дълбока зона (12) с р-тип примесна проводимост, чиято дължина е равна на тази на контакти (6) и (10), двата извода на токоизточника (3) са свързани с централните контакти (6) и (10), първият контакт (4) на първата подложка (1) е съединен с първия контакт (9) на втората (2), а петият контакт (8) на първата (1) е свързан с третия контакт (11) на втората подложка (2), първият (4) и четвъртият (7) контакт, и съответно вторият (5) и петият (8) контакт на първата подложка (1) са съединени, като диференциалният изход (13) на сензора на Хол са първият (9) и третият (11) контакт на подложка (2).