BG113356A - Микросензор на хол с повече от един изход - Google Patents

Abstract

Микросензорът на Хол с повече от един изход съдържа n-тип квадратна полупроводникова (силициева) подложка (1), върху едната страна на която в близост до четирите й ъгъла са формирани по един ъглов омичен контакт (2, 3, 4 и 5). По средите на линиите, минаващи през ъгловите контакти успоредно на страните на подложката (1) има още по един среден омичен контакт (6, 7, 8 и 9). Двойките срещуположни средни контакти (6 и 8), и съответно (7 и 9) са съединени и са свързани с изводите на токоизточник (10). Всяка двойка ъглови контакти (2 и 3), (3 и 4), (4 и 5), (5 и 2), прилежаща на която и да е страна на квадратната подложка (1) е отделен диференциален изход (11, 12, 13 и 14) на микросензора, като измерваното магнитно поле (15) е перпендикулярно на равнината на подложката (1).

Description

МИКРОСЕНЗОР НА ХОЛ С ПОВЕЧЕ ОТ ЕДИН ИЗХОД

ОБЛАСТ НА ТЕХНИКАТА

Изобретението се отнася до микросензор на Хол с повече от един изход, приложимо в областта на роботиката и мехатронните платформи с изкуствен интелкт; квантовата комуникация; 3D роботизираната медицина и минимално инвазивната хирургия, включително лапароскопията; безконтактната автоматика; контролно-измервателната технология и слабополевата магнитометрия; определянето на едноосни деформации чрез магнитомодулаторни системи; автомобилната промишленост, в това число хибридните превозни средства и електромобилите; позиционирането на обекти в равнината; навигацията; военното дело и сигурността, включително подводни, наземни и въздушни системи за наблюдение и превенция; контратероризма и др.

ПРЕДШЕСТВАЩО СЪСТОЯНИЕ НА ТЕХНИКАТА

Известен е микросензор на Хол с повече от един изход, съдържащ птип правоъгълна полупроводникова (силициева) подложка, върху едната страна на която са формирани на равни разстояния един от друг три правоъгълни омични контакти съответно първи, втори и трети, разположени успоредно на дългите си страни и успоредно на късите страни на подложката. Вторият контакт е централен и спрямо него от двете му дълги страни са разположени - от ляво първият и от дясно - третият. Откъм късите страни на тези три контакта и на равни близки разстояния от тях има още по един страничен омичен контакт - първият и вторият са при левия правоъгълен контакт, третият и четвъртият - при централния, а петият и шестият - при левия. Първият, третият и петият контакти са откъм едната къса страна на правоъгълните контакти, а вторият, четвъртият и шестият - откъм срещуположната. Първият и третият правоъгълни контакти са съединени с единия извод на токоизточник, другият извод на който е свързан с централния контакт. Страничните трети и четвърти контакти са единият изход на микросензора, а първият и шестият - другият изход като втори и пети контакти са свързани. Измерваното равнинно (тангенциално) магнитно поле е в равнината на подложката и е перпендикулярно на дългите страни на правоъгълните контакти, [1-7].

Недостатък на този микросензор на Хол с повече от един изход са увеличените размери на чипа с корпуса както в посока на активиращото равнинно (тангенциално) магнитно поле, перпендикулярно на дългите страни на последователно подредените правоъгълни контакти, а също и в направление на дългите страни, и като резултат на тези фактори обемът на корпусираната микросензорна структура е повишен. Това редуцира управляващата двата изхода външна магнитна индукция, водещо до понижаване стойността на изходните напрежения, намалявайки преобразувателната ефективност (чувствителност).

Недостатък е също намалената метрологична точност поради едновременно редуцираните магнитна индукция в преобразувателната зона на микросензора и чувствителността на изходите от конструкцията.

ТЕХНИЧЕСКА СЪЩНОСТ

Задача на изобретението е да се създаде микросензор на Хол с повече от един изход, който да е с висока чувствителност на изходните канали и повишена измервателна точност.

Тази задача се решава с микросензор на Хол с повече от един изход, съдържащ и-тип квадратна полупроводникова (силициева) подложка, върху едната страна на която в близост до четирите й ъгъла са формирани по един ъглов омичен контакт. По средите на линиите, минаващи през ъгловите контакти успоредно на страните на подложката има още по един среден омичен контакт. Двойките срещуположни средни контакти са съединени и съответно са свързани с изводите на токоизточник. Всяка двойка ъглови контакти прилежаща на която и да е страна на квадратната подложка е отделен диференциален изход на микросензора, като измерваното магнитно поле е перпендикулярно на равнината на подложката.

Предимство на изобретението е високата чувствителност на четирите сензорни изхода, поради съществено редуцираната дебелина на корпусирания полупроводников (силициев) чип в посока на магнитното поле, т.е. минимизираният размер е не повече от 1.0 mm в противовес на известното решение, който е около 3.5 - 5.0 mm. Освен това четирите изходни напрежения могат да се сумират алгебрично чрез измервателни операционни усилватели, което определя твърде висока стойност на крайния изходен сигнал на микросензора на Хол.

Предимство е също високата измервателна точност на четирите сензорни изхода, поради минимизираното междуканално влияние в резултат на добре локализираните симетрични компоненти на захранващия ток в подложката, генериращи напреженията на Хол в ортогонално магнитно поле, както и повишената чувствителност.

Предимство е още драстичното компенсиране на паразитното напрежение на крайния изходен сигнал в отсъствие на магнитно поле (офсет) чрез свързване на четирите двойки ъглови контакти едновременно само с неинвертиращите или само с инвертиращите входове на съответни измервателни усилватели. Тези усилватели алгебрично сумират четирите изходни напрежения, в които сигналите на Хол са с противоположен знак и фактически се сумират, а индивидуалните офсети са почти равни и са с един и същ знак, и схемотехнически се изваждат.

Предимство е и високата резолюция на микросензора в резултат на оптималните размери на квадратната структура, и особено минималната дебелина на силициевия чип.

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 повече от един изход съдържа и-тип квадратна полупроводникова (силициева) подложка 1, върху едната страна на която в близост до четирите й ъгъла са формирани по един ъглов омичен контакт 2, 3, 4 и 5. По средите на линиите, минаващи през ъгловите контакти успоредно на страните на подложката 1 има още по един среден омичен контакт 6, 7, 8 и 9. Двойките срещуположни средни контакти 6 и 8, и съответно 7 и 9 са съединени и са свързани с изводите на токоизточник 10. Всяка двойка ъглови контакти 2 и 3, 3 и 4, 4 и 5, 5 и 2, прилежаща на която и да е страна на квадратната подложка 1 е отделен диференциален изход 11, 12, 13 и 14 на микросензора, като измерваното магнитно поле 15 е перпендикулярно на равнината на подложката 1.

Действието на микросензора на Хол с повече от един изход, съгласно изобретението, е следното. При включване на двойките средни контакти 6-8 и 7-9 към токоизточника 10, както и структурната симетрия на струтурата 1, протичат четири еднакви компоненти /_{6 7} = /_6;9 = /_8>7 = /_8>9 на захранващия ток I_w. Предвид така реализираното свързване на средните омични контакти 6-8 и 7-9, токовите компоненти са противоположно насочени, Фигура 1. Предвид симетрията на микросензора и еквипотенциалността на контакти 6 и 8, и съответно 7 и 9, повърхностното разтичане на захранващия ток, водещо до множество негативни последствия, както това е в известното решениие, са силно минимизирани. Разполагането на изходните контакти 2, 3, 4 и 5 също симетрично във върховете на квадратната подложка 1 редуцира неминуемото паразитно напрежение на четирите изхода 11, 12, 13 и 14 в отсъствие на магнитно поле В 15 (офсети). Чрез добре известна схемотехника, въпреки ниската стойност на офсета в крайния изходен сигнал на микросензора, той допълнително се компенсира чрез свързване на четирите двойки ъглови контакти 2 и 3, 3 и 4, 4 и 5, 5 и 2 едновременно само с неинвертиращите или съответно само с инвертиращите входове на измервателни усилватели, [1]. Тези усилватели алгебрично сумират четирите изходни напрежения, в които сигналите на Хол са с противоположен знак и фактически се сумират, а индивидуалните офсети са почти равни и са с един и същ знак, и схемотехнически се изваждат. В крайна сметка паразитният офсет в крайния изходен сигнал е драстично компенсиран.

Наличието на външно магнитно поле В 15 води до възникване на странично отклонение от силите на Лоренц, F^ = qV^ х В в равнината на подложката 1 на движещите се носители /_6>7, Д,9, h,i и 1^, където q е елементарният товар на електрона, a V_dr е векторът на средната дрейфова скорост на токоносителите. В резултат на специфичната сензорна конструкция, Фигура 1, и посоките на полето В 15 и токовете 1^, Цр, 4,7и /_{8 9}, Лоренцовото отклонение на двойките срещуположни компоненти /_6>7 и /_8>9, и съответно /_{6 9} и /_{8 7} е съпосочно - режим на „свиване” и режим на „разгъване”. Това води до генериране на допълнителни неравновесни електрони в областите, където са разположени срещуположните ъглови контакти, например 2 и 4, и едновременно на положителни товари при другата двойка контакти 3 и 5. Фактически нъзниква ефектът на Хол.

Предвид симетрията и равенството на токовите компоненти, така генерираните потенциали на контакти 2, 3, 4 и 5 са равни. Следователно се реализират четири диференциални изходи с напрежения на Хол, равни помежду си, но с противоположен знак: У₂,з(В) 11, -УзХВ) 12, 13 и

-^5,2(^) 14. Следва да се отбележи, че към тези метрологични изходни сигнали се добавят паразитните индивидуални офсети на четирите изхода: У2,з(0) ~ ?зХ0) -V4XO) ~ν₅Χ0), които са почти равни и са с един и същ знак. Чрез операционни измервателни усилватели четирите напрежения 11, 12, 13 и 14 алгебрично се изваждат, крайният сензорен сигнал на Хол нараства четири пъти, а офсетът драстично е компенсиран. Освен това високата преобразувателна ефективност е резултат и от силно редуцираните габарити на елемента на Хол.

Високата измервателна точност на четирите сензорни изхода 11, 12, 13 и 14 се дължи на минимизираното между канал но влияние поради симетричните компоненти на захранващия ток /ю в подложката 1, генериращи четирите напрежения на Хол в ортогонално магнитно поле, включително и повишената чувствителност. Високата резолюция на микросензора е в резултат на оптималните размери на квадратната структура, и особено на силно редуцираната дебелина на силициевия чип и корпуса.

Неочакваният положителен ефект на новото техническо решение се заключава в оригиналността на избраната конструкция на основата на триконтактни конфигурации, ограничаваща повърхностното токово разтичане. Иновативното свързване на средните контакти 6-8 и 7-9 както и разпологането на контакти 3, 4, 5 и 6 във върховете на квадратната структура 1 формира четири сензорни изхода 11, 12, 13 и 14. Съгласно информацията, с която се разполага, това е първия интегрален елемент на Хол с четири отделни изхода.

Микросензорът на Хол с повече от един изход може да се осъществи с различните модификации на интегралната силициева технология CMOS, BiCMOS, SOS, а при необходимост може да се използват микромашининг процеси. Освен в интегрално изпълнение, елементът на Хол при необходимост допуска и дискретна реализация. Новият четириизводен магнитометър от Фигура 1 е работоспособен и в областта на ниските температури, например, температурата на кипене на течния азот Т = 77 К, което разширява сферата на приложимост за целите на криотрониката, особено в слабополевата магнитометрия и контратероризма. За още по-висока чувствителност за целите на геофизиката на земния магнетизъм, чипът може да се разположи между два еднакви продълговати концентратори на магнитното поле В 15 от ферит или μ-метал.

ПРИЛОЖЕНИЕ: една фигура

ЛИТЕРАТУРА

[1] С.В. Лозанова, Ч.С. Руменин, „Микросензор на Хол с тангенциална чувствителност”, Патент № BG 66955 В1/19.09.2019.

[2] Ч.С. Руменин, П.Т. Костов, Планарен датчик на Хол, Авт. свид. № 37208/26.12.1983.

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

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

[5] 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.

[6] T. Kaufmann, On the offset and sensitivity of CMOS-based five-contact vertical Hall devices, MEMS Technology and Engineering, v. 21, Der Andere Verlag, 2013, p. 147; ISBN: 978-3-86247-374-8.

[7] R. Steiner, Rotary switch and current monitor by Hall-based microsystems, Phys. Electr. Lab. Publ. (ETH) Zurich; ISBN: 3-89649-446-5.

Claims (1)

1. Микросензор на Хол с повече от един изход, съдържащ л-тип полупроводникова подложка, върху едната страна на която са формирани омични контакти, токоизточник като измерваното магнитно поле е перпендикулярно на равнината на подложката, ХАРАКТЕРИЗИРАЩ СЕ с това, че подложката (1) е квадратна, в близост до четирите й ъгъла са разположени по един омичен ъглов контакт (2), (3), (4) и (5), по средите на линиите, минаващи през ъгловите контакти (2), (3), (4) и (5) успоредно на страните на подложката (1) има още по един среден омичен контакт (6), (7), (8) и (9), двойките срещуположни средни контакти (6) и (8), и съответно (7) и (9) са съединени и са свързани с изводите на токоизточника (10), всяка двойка ъглови контакти (2) и (3), (3) и (4), (4) и (5), и (5) и (2), прилежаща на която и да е страна на квадратната подложка (1) е отделен диференциален изход (11), (12), (13) и (14) на микросензора.