BG113018A - Равнинно-магниточувствително устройство на хол - Google Patents

Abstract

Равнинно-магниточувствителното устройство на Хол съдържа токоизточник (1) и правоъгълна полупроводникова подложка (2) с n-тип примесна проводимост, върху едната страна на която последователно и на разстояния един от друг са формирани успоредно пет правоъгълни омични контакта - първи (3), втори (4), трети (5), четвърти (6) и пети (7). Третият контакт (5) е централен, като първият (3) и петият (7), и съответно вторият (4) и четвъртият (6) контакт са симетрични спрямо него. Откъм дългите страни на втория (4) и четвъртия (6) контакт, в близост и на равни разстояния до тях има по една дълбока p-тип зона (8), равна на дължината им. Изводите на токоизточника (1) са свързани с втория (4) и четвъртия (6) контакт. Има още два измервателни усилвателя (9 и 10), като първият (3) и петият (7) контакт са съединени едновременно само с неинвертиращите или съответно само с инвертиращите входове на усилвателите (9 и 10). Останалите два свободни инвертиращи или съответно неинвертиращи входове на усилвателите (9 и 10) са свързани помежду си и едновременно са съединени с контакта (5). Изходите на усилвателите (9 и 10) са свързани с входа на трети диференциален усилвател (11), чийто изход е изход (12) на устройството на Хол. Измерваното магнитно поле (13) е успоредно на равнината на подложката (2) и на дългите страни на контактите (3, 4, 5, 6 и 7).

Description

РАВНИННО-МАГНИТОЧУВСТВИТЕЛНО УСТРОЙСТВО НА ХОЛ

ОБЛАСТ НА ТЕХНИКАТА

Изобретението се отнася до равнинно-магниточувствително устройство на Хол, приложимо в областта на роботиката включително роботизираната и минимално инвазивната хирургия; квантовата комуникация; биомедицината и квантовата генетика; сензориката; военното дело и системите за сигурност с изкуствен интелект; геодинамиката и сеизмичното инженерство; безконтактното измерване на ъглови и линейни премествания; слабополевата магнитометрия; електромобилите и хибридните превозни средства; безпилотните летателни апарати; енергетиката; машиностроенето и автоматизацията на производството; контратероризма в това число подводно, наземно и въздушно наблюдение и превенция; навигацията и др.

ПРЕДШЕСТВАЩО СЪСТОЯНИЕ НА ТЕХНИКАТА

Известно е равнинно-магниточувствително устройство на Хол, съдържащо токоизточник и правоъгълна полупроводникова подложка с птип примесна проводимост. Върху едната страна на подложката последователно и на разстояния един от друг са формирани успоредно пет правоъгълни омични контакти - първи, втори, трети, четвърти и пети. Третият контакт е централен като първият и петият, и съответно вторият и четвъртият контакти са симетрично разположени спрямо него. Единият извод на токоизточника е свързан с централния, а другият - едновременно с първия и петия контакт. Изходът на устройството са вторият и четвъртият контакт като измерваното магнитно поле е успоредно на равнината на подложката и на дългите страни на контактите, [1-8].

Недостатък на това равнинно-магниточувствително устройство на Хол е ниската преобразувателна ефективност (магниточувствителност) поради: а) хоризонталното протичане на доминираща част от захранващия ток през зоните на изходните контакти, планарно разположени едновременно със захранващите върху една и съща повърхност на подложката, и б) действието на магнитното поле чрез отклоняващата сила на Лоренц върху хоризонталния ток е незначително, докато чувствителността се генерира от вертикалната токова компонента.

Недостатък е също високата стойност на паразитното напрежение на изхода в отсъствие на магнитно поле (офсет) по причина на електрическата асиметрия, възникваща от геометрична несъосност в разположението на контактите спрямо централния, неизбежни технологични несъвършенства, механични напрежения при метализацията на чипа и корпусирането му, температурни флуктуации и др.

Недостатък е още понижената измервателна точност в резултат на ниската чувствителност, високата стойност на офсета и повишеното ниво на собствения Ι/f шум от преминаването на хоризонталната компонента на захранващия ток през зоните на изходните (Ходовите) контакти.

ТЕХНИЧЕСКА СЪЩНОСТ

Задача на изобретението е да се създаде равнинномагниточувствително устройство на Хол с висока чувствителност, редуциран офсет и повишена измервателна точност.

Тази задача се решава с равнинно-магниточувствително устройство на Хол, съдържащо токоизточник и правоъгълна полупроводникова подложка с п-тип примесна проводимост, върху едната страна на която последователно и на разстояния един от друг са формирани успоредно пет правоъгълни омични контакти - първи, втори, трети, четвърти и пети. Третият контакт е централен като първият и петият, и съответно вторият и • · · · · · четвъртият контакти са симетрични спрямо него. Откъм дългите страни на втория и четвъртия контакт, в близост и на равни разстояния до тях има по една дълбока зона с р-тип примесна проводимост, равна на дължината им. Изводите на токоизточника са свързани с втория и четвъртия контакт. Има още два измервателни усилватели като първият и петият контакт са съединени едновременно само с неинвертиращите или съответно само с инвертиращите входове на усилвателите. Останалите два свободни инвертиращи или съответно неинвертиращи входове на измервателните усилватели са свързани помежду си и едновременно са съединени с централния контакт. Изходите на усилвателите са свързани с входа на трети диференциален усилвател, чийто изход е изходът на устройството на Хол. Измерваното магнитно поле е успоредно на равнината на подложката и на дългите страни на контактите.

Предимство на изобретението е високата магниточувствителност в резултат на: а) силно редуцираните хоризонтални компоненти на захранващия ток в приповърхностната област на подложката от формираните дълбоки р-тип зони откъм дългите страни на втория и четвъртия контакт, дефиниращи проникване на захранващия ток дълбоко в обема на структурата и способстващи за доминиране на магнитноуправляемите вертикални компонети, и б) изходното напрежение на устройството е удвоено, тъй като генерираните еднакви по стойност, но с противоположен знак напрежения на изходите на двата измервателни усилватели се изваждат алгебрично чрез третия диференциален усилвател.

Предимство е също драстично редуцираният остатъчен офсет на изхода на устройството на Хол, тъй като двете индивидуални офсетнапрежения между двойките контакти - първи и централен, и съответно централен и пети контакт са почти еднакви по стойност и с един и същ знак и чрез третия диференциален усилвател се изваждат.

Предимство е още нарастналото отношение сигнал/шум в резултат от редуцирания собствен (фликер) Ι/f шум чрез сензорната конструкция, минимизираща хоризонталните компоненти на захранващия ток с помощта на дълбоките р-тип зони, ограждащи втория и четвъртия контакти.

Предимство е и повишената резолюцията при измерване на минималната магнитна индукция B_mjn в резултат на увеличеното отношение сигнал/шум посредством високата чувствителност и редуцираните офсет и (фликер) Ι/f шум.

Предимство освен това е и нарастналата измервателна точност поради високата чувствителност и редуцираните офсет и (фликер) Ι/f шум.

Предимство е още минимизираният температурен дрейф на изхода на устройството от перфектно съгласуваните изходни напрежения от формираните два функционално-интегрирани в обща преобразувателна зона на подложката четириконтактни елементи на Хол.

ОПИСАНИЕ НА ПРИЛОЖЕНИТЕ ФИГУРИ

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

ПРИМЕРИ ЗА ИЗПЪЛНЕНИЕ

Равнинно-магниточувствителното устройство на Хол съдържа токоизточник 1 и правоъгълна полупроводникова подложка 2 с п-тип примесна проводимост, върху едната страна на която последователно и на разстояния един от друг са формирани успоредно пет правоъгълни омични контакти — първи 3, втори 4, трети 5, четвърти 6 и пети 7. Третият контакт 5 е централен като първият 3 и петият 7, и съответно вторият 4 и четвъртият 6 контакти са симетрични спрямо него. Откъм дългите страни на втория 4 и четвъртия 6 контакт, в близост и на равни разстояния до тях има по една дълбока зона 8 с р-тип примесна проводимост, равна на дължината им. Изводите на токоизточника 1 са свързани с втория 4 и четвъртия 6 контакт. Има още два измервателни усилватели 9 и 10 като първият 3 и петият 7 контакт са съединени едновременно само с неинвертиращите или съответно само с инвертиращите входове на усилвателите 9 и 10. Останалите два свободни инвертиращи или съответно неинвертиращи входове на усилватели 9 и 10 са свързани помежду си и едновременно са съединени с централния контакт 5. Изходите на усилватели 9 и 10 са свързани с входа на трети диференциален усилвател 11, чийто изход е изходът 12 на устройството на Хол. Измерваното магнитно поле 13 е успоредно на равнината на подложката 2 и на дългите страни на контактите 3, 4, 5, 6 и 7.

Действието на равнинно-магниточувствителното устройство на Хол, съгласно изобретението, е следното. При включване на контакти 4 и 6 към токоизточника 1, в областите на подложката 2 под тях протичат две равни и с противоположен знак компоненти /₄ и - /₆ на захранващия ток /_4;6, Ид| = |Λ|· Омичните контакти 4 и 6 представляват еквипотенциални равнини, към които в отсъствие на външно магнитно поле В 13, В = 0, компонентите /₄ и - /₆ през тях са винаги перпендикулярни спрямо горната страна на подложката 2, прониквайки дълбоко в обема й. Токът в останалата част от обема е успореден на горната страна на структурата 2. Следователно токовата траектория /₄/, е нелинейна. Ограждащите дълбоки р-тип зони 8, които са със същата дължина като дългите страни на захранващите контакти 4 и 6 съществено ограничават протичане на хоризонтални токови компоненти по повърхността на подложката 2. Обикновено, съобразно използваната силициева технология, дълбочината на р-зоните 8 може да варира до около 12 - 15 цт. В резултат проникването w на токовите линии при концентрация на легиращата донорна примес N_D в п-тип Si, N_D = n.Q~ 10¹⁵ cm'³ съставлява около w ~ 30 40 pm. Същевременно подложка 2 с контакти 3, 4, 5 и 6, и съответно 4, 5, 6 и 7 със захранващия ток обуславят два функционално-интегрирани равнинно-магниточувствителни елементи на Хол с по четири контакта, илюстрирани на Фигура 1, показваща напречното сечение на подложката 2 с контакти 3, 4, 5, 6 и 7. Този клас микросензори са създадени и развити от Ч. Руменин, [5 - 10].

При наличие на външно магнитно поле В 13, В 0, успоредно на подложката 2 и контакти 3, 4, 5, 6 и 7 възниква странична дефлекция на вертикалните токови компоненти Ц и /₆ под контакти 4 и 6, генерирана от силата на Лоренц F_L,i = qУ* ^χ В, където q е елементарният товар на електрона, a V_dr е векторът на средната дрейфова скорост на движещите се електрони. Ето защо върху горната равнина на подложката 2, в зоните с електроди 3 и 7 се генерират Холови потенциали Унз(В) и V_m(B). Важна особеност е, че тези потенциали са с един и същ знак. В резултат на Лоренцовото отклонение от силата F^, в зависимост от посоките на тока и на магнитното поле В 13, нелинейната траектория се “свива” или “разширява”. По тази причина върху централния контакт 5 се генерира Холов потенциал - V^(B), противоположен по знак на потенциалите Уш(В) и V^B). Фактически измерваното магнитно поле В 13 нарушава електрическата симетрия на токовата траектория спрямо централния контакт 5. По тази причина върху диференциалните изходи на двата функционално-интегрирани четириконтактни елементи на Хол възникват две напрежения и - ₇(В). Особеност на решението от Фигура 1 е, че централният контакт 5 е общ за двете напрежения на Хол. Тези сигнали са линейни и нечетни от силата на тока и магнитното поле В 13, и са с противоположна полярност. Следва да се отбележи, че към изходните напрежения се включват паразитните офсети Унз,5(0) ^и Ун5,7(0) в отсъствие на магнитно поле В 13, В = 0. Предвид обаче: 1. високата прецизност на интегралните микроелектронни технологии и геометричната симетрия на сензорната конфигурация от Фигура 1 спрямо контакт 5, и 2. фактът, че офсетите се генерират от една и съща преобразувателна област в подложката 2, паразитните напрежения Унз,5(0) и VhsjCO) ^{са с} един и същ знак и са почти равни по стойност. Така техните термични дрейфове при изменение на температурата Т са перфектно съгласувани, т.е. термичното им поведение е еднакво. Подаването на сигналите V^B) и - V^B) на входовете на двата измервателни усилватели 9 и 10 осъществява схемно развързване на изходите на така формираните две четириконтактни сензорни архитектури, минимизирайки драстично взаимното им влияние. Също така е възможно при необходимост с измервателните усилватели 9 и 10 да се усилят напреженията на Хол ЩЩВ) и - Условието първият 3 и петият 7 контакт да са съединени едновременно само с неинвертиращите или съответно само с инвертиращите входове на усилватели 9 и 10 е продикувано от изискването за еднозначно запазване на полярностите на напреженията на изходите на усилватели 9 и 10 с тези на Холовите сигнали и - УзХВ), подадени на техните входове.

Останалите два свободни инвертиращи или неинвертиращи входове на усилватели 9 и 10 са едновременно свързани е централния контакт 5, който е общ за двете напрежения ^3,5(^) и - ^5,7(^)- Чрез диференциалния усилвател 11 напреженията от двата усилвателя 9 и 10 се изваждат:

и₃,₅ - у_5>7 = (VMB)) - (- У₅,₇(В)) = 2Ун(В) У₁₂(В).

Съгласно този резултат, чрез изваждане на Холовите сигнали и - V_5;7 след усилватели 9 и 10, напрежението на изхода V_U(B) = V_i2(B) 12 на диференциалния усилвател 11 е удвоено 2УнС^к (приема се, че коефициентите на усилване на усилватели 9 и 10 са равни на 1). Следователно чувствителността S на устройството на Хол, освен че е увеличена от оригиналната конструкция, съдържаща р-тип зони 8, дефиниращи магнитноуправляемите вертикални компоненти на тока тя е и удвоена в сравнение с известното решение. Допълнително нарастващо въздействие върху преобразувателната ефективност S оказва и откритият неотдавна магнитноуправляем повърхностен ток в полупроводниците, [11]Всичко това води едновременно до съществено нарастване на измервателната точност. При това ако в напреженията Уз,5 и V5 7 има паразитни офсети, те също се изваждат, но тъй като те са с един и същ знак и практически са равни по стойност, остатъчният офсет Voff(0) = ^12(6) на изхода 12 е драстично редуциран. Предвид силното минимизиране на офсета и ограничаването на протичане на повърхностен ток през областите на изходните контакти 3, 5 и 7, собственият (фликер) 1// шум от двата канала V35 и - се намалява. В резултат на високата чувствителност S съществено се увеличава отношението сигнал/шум на изхода 12. Ето защо резолюцията за детектиране на минималната магнитна индукция B_mi_n рязко нараства. Описаните положителни фактори също така водят до повишаване на важната сензорна характеристика измервателна точност в резултат (също чрез високата чувствителност и редуцираните офсет и фликер Ι/f шум).

Неочакваният положителен ефект на новото техническо решение от Фигура 1 е оригиналната му конструкция, реализираща два еднакви функционално-интегрирани в обща преобразувателна зона четириконтактни елементи на Хол. При това с един и същ захранващ ток се генерират две отделни напрежения на Хол с противоположен знак, които се алгебрично сумират. Действието на така формираната сензорна система надгражда и обуславя нови положителни свойства, отсъстващи преди това. Чрез усилвателите 9, 10 и 11 се извлича цялостно метрологичната информация за магнитното поле В 13, повишавайки значително перформанса на устройството.

Интегралната микроелектронна технология позволява всички компоненти, свързани с новото устройство на Хол, включително усилватели 9, 10 и 11 да се реализират върху общ силициев чип, образуващи интелигентна микросистема (MEMS), [1, 4, 5, 6]. Найподходяща е реализацията с CMOS, BiCMOS или микромашининг технологии като преобразувателната зона представлява дълбок п-тип правоъгълен джоб 2. Функционирането на предложения микропреобразувател е възможно в широк температурен интервал, включително в криогенна среда. За още по-висока чувствителност за целите на слабополевата магнитометрия и контратероризма, сензорът от Фигура 1 може да се разположи между два еднакви продълговати концентратори на магнитното поле В 13 от ферит или μ-метал. Чрез надграждане новото устройство позволява създаването на многофункционални двумерни 2D и тримерни 3D микросистеми за прецизно измерване на компонентите на магнитния вектор В(В_Х, В_у, В^.

ПРИЛОЖЕНИЕ: една фигура

ЛИТЕРАТУРА

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

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

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

[4] 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; ISBN: 978-3-86247-374-8.

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

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

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

[9] S. Lozanova, C. 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) pp. 77-87.

Claims (1)

1. ПАТЕНТНИ ПРЕТЕНЦИИ

   Равнинно-магниточувствително устройство на Хол, съдържащо токоизточник и правоъгълна полупроводникова подложка с и-тип примесна проводимост, върху едната страна на която последователно и на разстояния един от друг са формирани успоредно пет правоъгълни омични контакти - първи, втори, трети, четвърти и пети, третият контакт е централен, а първият и петият, и съответно вторият и четвъртият контакти са симетрични спрямо него, измерваното магнитно поле е успоредно на равнината на подложката и на дългите страни на контактите, ХАРАКТЕРИЗИРАЩО СЕ с това, че откъм дългите страни на втория (4) и четвъртия (6) контакт, в близост и на равни разстояния до тях има по една дълбока зона (8) с р-тип примесна проводимост, равна на дължината им, изводите на токоизточника (1) са свързани с втория (4) и четвъртия (6) контакт, има още два измервателни усилватели (9) и (10) като първият (3) и петият (7) контакт са съединени едновременно само с неинвертиращите или съответно само с инвертиращите входове на усилватели (9) и (10), останалите два свободни инвертиращи или съответно неинвертиращи входове на усилватели (9) и (10) са свързани помежду си и едновременно са съединени с централния контакт (5), изходите на усилватели (9) и (10) са свързани с входа на трети диференциален усилвател (11), чийто изход е изходът (12) на устройството на Хол.