BG113156A

BG113156A - Елемент на хол с равнинна чувствителност

Info

Publication number: BG113156A
Application number: BG113156A
Authority: BG
Inventors: Сия ЛОЗАНОВА; Вълчева Лозанова Сия
Original assignee: Институт По Роботика - Бан
Priority date: 2020-06-03
Filing date: 2020-06-03
Publication date: 2021-12-15
Also published as: BG67450B1

Abstract

Елементът на Хол с равнинна чувствителност съдържа токоизточник (1) и правоъгълна полупроводникова подложка (2) с n-тип примесна проводимост, разделена през средата на две равни половини с тясна и дълбока p-тип зона (3), успоредна на дългите страни на подложката (2). Върху всяка от тези половини напречно са формирани на разстояния по три еднакви омични контакти с правоъгълна форма, успоредни на късите страни на подложката (2) - отляво надясно първи (4 и 5), втори (6 и 7) и трети (8 и 9). Първият (5) и вторият (7) контакт, и вторият (6) и третият (8) контакт са захранващи като съответно разстоянията между тях са равни. Първият контакт (4) от едната половина на подложката (2) и вторият контакт (6) на същата половина са силно доближени, контактът (9) от другата половина и контактът (7) на същата половина на подложката (2) са също силно доближени, като разстоянията между тях са равни. Контактът (4) от едната половина и контактът (9) от другата са диференциален изход (10) на елемента. Първият (5) и вторият (7) контакт от едната половина на подложката (2) са свързани накръстно с втория (6) и третия (8) контакт на другата половина и са съединени с токоизточника (1). Магнитно поле (11) е приложено успоредно на подложката (2) и дългите страни на контактите (4, 5, 6, 7, 8 и 9).

Description

Сия Вълчева Лозанова

София

ЕЛЕМЕНТ НА ХОЛ С РАВНИННА ЧУВСТВИТЕЛНОСТ

ОБЛАСТ НА ТЕХНИКАТА

Изобретението се отнася до елемент на Хол с равнинна чувствителност, приложимо в областта на роботиката; мехатронните системи с изкуствен интелкт; квантовата комуникация и управлението на риска; 3D роботизираната медицина и минимално инвазивната хирургия; автоматиката; слабополевата магнитометрия и контролно-измервателната технология; електромобилите и хибридните превозни средства; безконтактното измерване на ъглови и линейни премествания в равнината и пространството; позиционирането на движещи се обекти; навигацията; енергетиката; контратероризма; военното дело и сигурността включително подводно, наземно и въздушно наблюдение и превенция.

ПРЕДШЕСТВАЩО СЪСТОЯНИЕ НА ТЕХНИКАТА

Известен е елемент на Хол с равнинна чувствителност, съдържащ токоизточник и правоъгълна полупроводникова подложка с и-тип примесна проводимост, разделена през средата на две равни половини с тясна и дълбока р-тип зона, успоредна на дългите страни на подложката. Върху всяка от тези половини напречно са формирани по три еднакви и на равни разстояния един от друг омични контакти с правоъгълна форма, успоредни на късите страни на подложката. Крайните контакти във всяка от двете части са съединени накръстно и са включени към токоизточника, а двата средни контакта са диференциалният изход на елемента. Външното магнитно поле е приложено успоредно на подложката и на дългите страни на контактите, [1 - 6].

Недостатък на този елемент на Хол с равнинна чувствителност е ниската преобразувателна ефективност (магниточувствителност), тъй като в тези структури с планарни контакти поради наличие на средни електроди, разстоянието между захранващите контакти е голямо и положително заредените повърхностни дефекти редуцират повърхностното съпротивление и част от захранващия ток преминава през повърхностната област, ставайки магнитнонеуправляем.

Недостатък е също понижената точност при измерване на минималната магнитна индукция 5_min, поради редуцираното отношение сигнал/шум от високото ниво на собствения вътрешен шум (фликер шум) от протичащия по повърхността захранващ ток през зоните с изходните (средните) контакти.

ТЕХНИЧЕСКА СЪЩНОСТ

Задача на изобретението е да се създаде елемент на Хол с равнинна чувствителност, притежаващ висока преобразувателна ефективност (магниточувствителност) и да е с повишена точност за измерване на минималната магнитна индукция.

Тази задача се решава с елемент на Хол с равнинна чувствителност, съдържащ токоизточник и правоъгълна полупроводникова подложка с «-тип примесна проводимост, разделена през средата на две равни половини с тясна и дълбока р-тип зона, успоредна на дългите страни на подложката. Върху всяка от тези половини напречно са формирани на разстояния по три еднакви омични контакти с правоъгълна форма, успоредни на късите страни на подложката - от ляво на дясно първи, втори и трети. Първият и вторият контакт от едната половина, и вторият и третият контакт от другата половина са захранващи като разстоянията между тях са равни. Първият контакт от едната половина на подложката и вторият контакт на същата половина са силно доближени, третият контакт от другата половина и вторият контакт на същата половина на подложката са също силно доближени като съответните разстояния между тях са равни. Първият контакт от едната половина и третият контакт от другата са диференциалният изход на елемента. Първият и вторият контакт от едната половина на подложката са свързани накръстно с втория и третия контакт на другата половина, и са съединени с токоизточника. Външното магнитно поле е приложено успоредно на подложката и на дългите страни на контактите.

Предимство на изобретението е високата магниточувствителност в резултат на драстично минимизирания повърхностен компонент на захранващия ток от късото разстояние между съответните захранващи контакти поради отсъствие между тях на изходни контакти, формираната по тази причина токова траектория първоначално е насочена вертикално спрямо захранващите контакти като силно доближените изходни контакти до захранващите оптимизират действието на магнитоуправляемата сила на Лоренц.

Предимство е също увеличената точност при измерване на минималната магнитна индукция, в резултат едновременно на нарастналата чувствителност и на повишеното отношението сигнал/шум от редуцирания собствен шум на елемента, тъй като през зоните с изходните контакти не преминава захранващ ток.

Предимство е още повишената пространствена резолюция на елемента на Хол от значително редуцираните разстояния между тройките контакти.

ОПИСАНИЕ НА ПРИЛОЖЕНИТЕ ФИГУРИ

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

ПРИМЕРИ ЗА ИЗПЪЛНЕНИЕ

Елементът на Хол с равнинна чувствителност съдържа токоизточник 1 и правоъгълна полупроводникова подложка 2 с п-тип примесна проводимост, разделена през средата на две равни половини с тясна и дълбока р-тип зона 3, успоредна на дългите страни на подложката 2. Върху всяка от тези половини напречно са формирани на разстояния по три еднакви омични контакти е правоъгълна форма, успоредни на късите страни на подложката 2 - от ляво на дясно първи 4 и 5, втори 6 и 7 и трети 8 и 9. Първият 5 и вторият 7 контакт от едната половина, и вторият 6 и третият 8 контакт от другата половина са захранващи като разстоянията между тях са равни. Първият контакт 4 от едната половина на подложката и вторият контакт 6 на същата половина са силно доближени, третият контакт 9 от другата половина и вторият контакт 7 на същата половина на подложката 2 са също силно доближени като съответните разстояния между тях са равни. Първият контакт 4 от едната половина и третият контакт 9 от другата са диференциалният изход 10 на елемента. Първият 5 и вторият 7 контакт от едната половина на подложката 2 са свързани накръстно с втория 6 и третия 8 контакт на другата половина, и са съединени с токоизточника 1. Външното магнитно поле 11 е приложено успоредно на подложката 2 и дългите страни на контактите 4, 5, 6, 7, 8 и 9.

Действието на елемента на Хол с равнинна чувствителност, съгласно изобретението, е следното. При включване на захранващите контакти 5 и 7 (или 6 и 8) към токоизточника 1, в обема на подложката 2 протичат два токови компонента - Д,8 и /7,5, Фигура 1. Тяхната посока е противоположна поради накръстното свързване на контакти 5 - 8 и съответно 6-7. Траекториите на токовите компоненти са криволинейни, [1-7]. Дълбочината на проникване на токовите линии в подложката 2 при фиксирана концентрация на легиращите донорни примеси N_D зависи от съотношението между ширината 1\ на захранващите контакти 6 и 8, и 5 и 7, и особено на ефективното разстояние Z₂ между тях, Μ = Ζι/Ζ₂. При оптимизирано отношение М, максималната дълбочина t на проникване при характерната в микроелектрониката концентрация в силициевите пластини 2 на донорите N_D ~ Ю¹⁵ cm'³ съставлява около t ~ 30 - 40 pm, [2, 3, 6]. Омичните контакти 6 и 8, и съответно 5 и 7 представляват еквипотенциални равнини, към които в отсъствие на магнитно поле В 11, В = 0, токовите траектории през тях /_6? Λ и /₅ и Ι_Ί са винаги перпендикулярни спрямо горната повърхност на подложката 2, прониквайки в обема / ~ 30 - 40 pm. Линиите - /₆,8 и /7,5 в останалите части на подложка 2 са успоредни на горната равнина. Вследствие на технологичните процеси в силициевия диоксид SiO₂ и интерфейса доминират положително заредени повърхностни дефекти, клъстери, нерегулярности, механични напрежения, локални градиенти на атомни образования и др. Тези положителни товари привличат в приповърхностната зона електрони от обема на подложката 2. В резултат повърхностното съпротивление Rs се редуцира и част от захранващия ток преминава през тази област. Този ток не участва в действието на елемента на Хол и в случая е паразитен. Следователно от ключово значение е неговото минимизиране. Ето защо е наложително да се ограничи разстоянието /₂ между захранващите контакти 6 - 8 и 5-7. В новата конструкция на елемента на Хол, Фигура 1, изходните контакти 4 и 9 са извън зоните между захранващите електроди 6 - 8 и 5 - 7, което съществено намалява разстоянието Z₂. В резултат токовете 4,8 и стартират във вертикална посока като повърхностният компонент е драстично минимизиран. Едновременно с това е отстранено преминаване на токове в зоната на изходните терминали 4 и 9. Така се минимизира спектърът на собствения шум тъй като всяко насочено движение на токоносители генерира шумов сигнал в спектъра 1/4 С конструкцията от Фигура 1 са постигнати два важни резултата, отстраняващи недостатъци на известното решение - съществено се минимизира повърхностния паразитен ток, и се подобрява отношението сигнал/шум S/N. Също така нестандартното разположение на изходните контакти 4 и 9 намалява съществено паразитното изходно напрежение (офсет) 10 в отсъствие на магнитно поле 11, В = 0. Иновацията в случая е, че полярността на контакти 4 и 9, независимо от начина на включване на токоизточника 1 към елемента на Хол, винаги е една и съща, съвпадаща с тази на потенциалите на захранващи контакти 6 и 7.

Прилагане на измерваното магнитно поле В 11 успоредно на подложка 2 и на дългите страни на контакти 4, 5, 6, 7, 8 и 9 води до странично (латерално) отклонение на нелинейните токови траектории на компоненти и I·^ по цялата им дължина. Това е в резултат от действието на силите на Лоренц F_Lj, F_Li = qV^ х В, където q е елементарният товар на електрона, а И* е векторът на средната дрейфова скорост на носителите в обема на подложката 2. В зависимост от посоките на захранващите токове - /_{6 8} и 1_Ίи на магнитното поле ± В 11, нелинейните траектории “се свиват” и “разширяват”. Така върху планарните контакти 4 и 9 се генерират едновременно Холови потенциали, еднакви по стойност, но с противоположен знак, РшСВ) и - ^(В). По тази причина изходните контакти 4 и 9 са силно доближени до захранващите електроди 6 и 7. Фактически измерваното магнитно поле В 11 нарушава цялостната електрическа симетрия на токовите траектории и върху диференциалния изход 10 на елемента възниква напрежението на Хол 10, 7ю(В). То се генерира от противоположно протичащите токове -и Ιη и съответните сили на Лоренц F_Li. Минимизираният повърхностен токов компонент е предпоставката за високата магниточувствителностт S на елемента, тъй като съществената част на токовете - 4.8 и /7 5 е подложена на действието на силите на Лоренц, генерирайки напрежението на Хол 10, 7ю(В). Увеличената преобразувателна ефективност 5 и редуцираният собствен шум повишават точността на измерване на минималната магнитна индукция S_min, ключов фактор в слабополевата магнитометрия. За нарастването на магниточувствителността допринася и магнитноуправляемият повърхностен ток iff, В}, [7]. Намалените разстояния между захранващите контакти 5 - 7, и 6 - 8, както и силно доближените до тях Холови терминали 9 и 4 обуславят увеличената пространствена резолюция, съществена в изследванията в области като генетика, вирусология, квантова комуникация и др.

Неочакваният положителен ефект на новото техническо решение се заключава в оригиналната конструкция, драстично редуцираща паразитните повърхностни токове и собствения 1// шум, едновременно с повишаване на пространствената резолюция.

Елементът на Хол може да се реализира с CMOS или BiCMOS интегрални технологии. Подложката 2 се ограничава с р-тип ринг, аналогично на р-п прехода 3, разделящ я на равни части. Функционирането на сензора на Хол с равнинна чувствителност е в широк температурен интервал, включително в криогенна среда, например, температурата на кипене на течния азот Т = 77 К. За още по-висока преобразувателна ефективност за целите на слабополевата магнитометрия, контратероризма и навигацията, подложката 2 може да се разположи между два еднакви концентратори на магнитното поле В 11 от ферит или μ-метал.

ПРИЛОЖЕНИЕ: една фигура

ЛИТЕРАТУРА

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

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

[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] U. Ausserlechner, “Vertical hall device comprising a slot in the hall effect region, US Patent 9 711 712B2/18.07.2017.

[5] C.S. Roumenin, P.T. Kostov, „Silicon Hall-effect microsensor”, Compt. rendus Acad. Bulg. Sci., 39(5) (1986) 63-66.

[6] C. 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] 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

Елемент на Хол с равнинна чувствителност, съдържащ токоизточник и правоъгълна полупроводникова подложка с «-тип примесна проводимост, разделена през средата на две равни половини с тясна и дълбока р-тип зона, успоредна на дългите страни на подложката, върху всяка от тези половини напречно са формирани на разстояния по три еднакви омични контакти с правоъгълна форма, успоредни на късите страни на подложката - от ляво на дясно първи, втори и трети, външното магнитно поле е приложено успоредно на подложкта и дългите страни на контактите, ХАРАКТЕРИЗИРАЩ СЕ с това, че първият (5) и вторият (7) контакт от едната половина, и вторият (6) и третият (8) контакт от другата половина са захранващи като разстоянията между тях са равни, първият контакт (4) от едната половина на подложката (2) и вторият контакт (6) на същата половина са силно доближени, третият контакт (9) от другата половина и вторият контакт (7) на същата половина на подложката (2) са също силно доближени като съответните разстояния между тях са равни, първият контакт (4) от едната половина и третият контакт (9) от другата са диференциалният изход (10) на елемента, а първият (5) и вторият (7) контакт от едната половина на подложката (2) са свързани накръстно с втория (6) и третия (8) контакт на другата половина и са съединени с токоизточника (1).