BG113589A - Равнинно-чувствителен сензор на хол - Google Patents

Abstract

Равнинно-чувствителният сензор на Хол съдържа токоизточник (1) и две идентични полупроводникови правоъгълни подложки с n-тип примесна проводимост - първа (2) и втора (3), разположени успоредно на дългите си страни. Върху едната страна на всяка от подложките (2 и 3) последователно и на близки разстояния са формирани отляво надясно по три еднакви правоъгълни омични контакта - първи (4 и 5), втори (6 и 7) и трети (8 и 9), разположени успоредно на дългите си страни. Всеки един от контактите (4, 5, 6, 7, 8 и 9) в приповърхностните области на подложките (2 и 3) е обхванат съответно в ринг (10, 11, 12, 13, 14 и 15) с p-тип примесна проводимост. Вторите контакти (6 и 7) са свързани, а първите контакти (4 и 5) са съединени с токоизточника (1). Двата трети контакта (8 и 9) са диференциалният изход (16) на сензора, като измерваното магнитно поле (17) е успоредно както на равнините на подложките (2 и 3), така и на дългите страни на контактите (4, 5, 6, 7, 8 и 9).

Description

РАВНИННО-ЧУВСТВИТЕЛЕН СЕНЗОР НА ХОЛ

ОБЛАСТ НА ТЕХНИКАТА

Изобретението се отнася до равнинно-чувствителен сензор на Хол, приложимо в областта на медицината, лапароскопията и 3D телемедицината, роботизираната минимално инвазивна хирургия, квантовата комуникация, системите за сигурност с изкуствен интелект, роботиката, мехатрониката, биохимичните изследвания, навигацията, микро- и нано-технологиите, безконтактната автоматика включително дистанционното измерване на ъглови и линейни премествания, измервателната технология и слабополевата магнитометрия, електромобилите и хибридните превозни средства в това число ABS системите и сензорите за положение на педалите, контратероризма, военното дело и др.

ПРЕДШЕСТВАЩО СЪСТОЯНИЕ НА ТЕХНИКАТА

Известен е равнинно-чувствителен сензор на Хол, съдържащ токоизточник и правоъгълна полупроводникова подложка с /г-тип примесна проводимост, върху едната страна на която са формирани последователно три правоъгълни омични контакти - първи, втори и трети, разположени на разстояние един до друг и успоредно на дългите си страни. Вторият контакт е централен и спрямо него симетрично от двете му дълги страни са разположени другите два. Първият и третият контакт през товарни резистори са съединени с единия извод на токоизточника, другият извод на който е свързан с централния контакт. Измерваното магнитно поле е успоредно както на равнината на подложката, така и на дългите страни на правоъгълните контакти като първият и третият контакт са диференциалният изход на сензора на Хол, [1-12].

Недостатък на този равнинно-чувствителен сензор на Хол е понижената преобразувателна ефективност (магниточувствителност) в резултат на протичащите паразитни повърхностни токове, които са част от захранващите между контактите, които редуцират изходното напрежение на Хол.

Недостатък е също усложнената технологична реализация на сензора поради несъвместимост на интегралните процеси при формиране на омичните контакти и на двата товарни резистора върху повърхността на полупроводниковата подложка.

Недостатък е още редуцираната метрологична точност поради ниската чувствителност, водеща до забележимото присъствие в изходното Холово напрежение на паразитни сигнали от типичните сензорни недостатъци като температурен дрейф, офсет, хистерезис, вътрешен 1//(фликер) шум и др.

ТЕХНИЧЕСКА СЪЩНОСТ

Задача на изобретението е да се създаде равнинно-чувствителен сензор на Хол с висока чувствителност, пълна технологична съвместимост на интегралните процеси на микроелектронното производство на сензора и висока метрологична точност.

Тази задача се решава с равнинно-чувствителен сензор на Хол, съдържащ токоизточник и две идентични правоъгълни полупроводникови подложки с п-тип примесна проводимост - първа и втора, разположени успоредно на дългите си страни. Върху едната страна на всяка от подложките последователно и на близки разстояния са формирани от ляво на дясно по три правоъгълни омични контакти първи, втори и трети, успоредни на дългите си страни. Всеки един от контактите в приповърхностните области на подложките е обхванат в ринг с р-тип примесна проводимост. Вторите контакти са свързани, а първите са съединени с токоизточника. Двата трети контакта са диференциалният изход на сензора като измерваното магнитно поле е успоредно както на равнините на подложките, така и на дългите страни на контактите.

Предимство на изобретението е високата магниточувствителност от повишеното напрежение на Хол в резултат на драстично редуцираните паразитни повърхностни токове с р-ринговете, обхващащи контактите.

Предимство е също реализацията на сензора в единен цикъл, без необходимост от различни по своята природа технологични процеси, усложняващи формирането върху силициевия чип на товарните резистори и на структурните конфигурации с омичните контакти, както и възможността за конструиране на 2D и 3D векторни магнитометри.

Предимство е още повишената измервателна точност поради високата чувствителност и допълнително ограниченото ниво на сензорните паразитни сигнали - температурен дрейф, хистерезис, офсет и вътрешен (фликер) шум от редуцираните с р-ринговете повърхностни токове.

Предимство е и увеличената резолюция при измерване на минималната магнитна индукция предвид високата чувствителност едновременно с повишеното отношение сигнал/шум от силно редуцираните паразитни сигнали в изхода на сензорната конфигурация, което осигурява по-детайлно картографиране на равнинната и пространствената топология на магнитното поле.

ОПИСАНИЕ НА ПРИЛОЖЕНИТЕ ФИГУРИ

По-подробно изобретението се пояснява с едно негово примерно изпълнение, дадено на приложените фигури, където Фигура 1 представлява напречното сечение и схемата на включване на сензора на Хол, а Фигура 2 е план на конфигурацията на структурата.

ПРИМЕРИ ЗА ИЗПЪЛНЕНИЕ

Равнинно-чувствителният сензор на Хол съдържа токоизточник 1 и две идентични полупроводникови правоъгълни подложки с /г-тип примесна проводимост - първа 2 и втора 3, разположени успоредно на дългите си страни. Върху едната страна на подложките 2 и 3 последователно и на близки разстояния са формирани от ляво на дясно по три правоъгълни омични контакти - първи 4 и 5, втори 6 и 7, и трети 8 и 9, успоредни на дългите си страни. Всеки един от контактите 4, 5, 6, 7, 8 и 9 в приповърхностните области на подложките 2 и 3 е обхванат съответно в ринг 10, 11, 12, 13, 14 и 15 с р-тип примесна проводимост. Вторите контакти 6 и 7 са свързани, а първите 4 и 5 са съединени с токоизточника 1. Двата трети контакта 8 и 9 са диференциалният изход 16 на сензора на Хол като измерваното магнитно поле 17 е успоредно както на равнините на подложките 2 и 3, така и на дългите страни на контактите 4, 5, 6, 7, 8 и 9.

Действието на равнинно-чувствителния сензор на Хол, съгласно изобретението, е следното. След свързване на вторите контакти 6 и 7, и включването на двата контакта 4 и 5 към токоизточника 1, в обемите на двете идентични подложки 2 и 3 протичат две срещуположно насочени и еднакви по стойност токови компоненти /₄,₆ и - /_5>7; /₄₆ = | - /_5;7 |. Захранващите планарни контакти 4 и 6, съответно 5 и 7 представляват еквипотенциални равнини, към които в отсъствие на външно магнитно поле В 17, В = 0, токовете през тях са перпендикулярно насочени спрямо горните страни на подложки 2 и 3, прониквайки дълбоко в обемите им. Дълбочината на проникване, например в силициевите структури, при фиксирана концентрация на легиращите донорни примеси N_D = п₀ = const в подложки 2 и 3 зависи от съотношението между ширината на захранващите контакти 4, 6, 5 и 7, и разстоянието между тях Z₄.₆ и Z₅_₇. Дълбочината при концентрация N_D = 10¹⁵ cm'³ и оптимизирани геометрични размери съставлява около 30 - 40 pm. Ето защо омичните контакти 4, 5, 6, 7, 8 и 9 в двете подложки 2 и 3 са разположени близко един до друг. Допълнително увеличение на чувствителността с около 35 % се постига с помощта на ринговете 10, 11,12,13,14 и 15 с р-тип проводимост, обхващащи контакти 4, 5, 6, 7, 8 и 9 в приповърхностните зони на двете подложки 2 и 3, Фигура 1 и Фигура 2. Освен това с тяхна помощ драстично се елиминира разтичането на паразитните токове в повърхностните области, оказващи негативно шунтиращо въздействие върху напрежението на Хол Г_Н(В) 16. Между контакти 4 и 6 и съответно 5 и 7 токовите линии в първо приближение са успоредни на горните страни на подложките 2 и 3. В резултат траекториите на токоносителите в конфигурацията от Фигура 1 са криволинейни, [2 - 10].

Прилагане на измерваното магнитно поле В 17 успоредно на подложките 2 и 3, и на дългите страни на контакти 4, 5, 6, 7, 8 и 9 води до странично (латерално) отклонение (дефлекция) на токовите линии по цялата дължина на нелинейните им траектории. Причината за това е действието на локалните сили на Лоренц F^, F_L = qV_dT х В, където q е елементарният товар на електрона, a V_dr е векторът на средната дрейфова скорост на електроните в подложки 2 и 3, [2 - 10]. Този способ за магнитно активизиране на сензорите дава наименованието им - равнинночувствителни елементи на Хол. В резултат на Лоренцовото отклонение от силите F_u„ в зависимост от посоките на токовете /_4>6 и /₅₎₇, и на магнитното поле В 17, нелинейните траектории в обемите на подложки 2 и 3 се “свиват” и съответно “разширяват”. От съществено значение е едновременното деформиране отклонението в противоположни посоки на еднаквите по стойност токови компоненти /₆ и - Ι_Ί, протичащи през захранващи контакти 6 и 7. Генерират се равни по стойност и с противоположен знак Холови потенциали, които се регистрират с контакти 8 и 9, φ&(Β) и - като φ&(Β) = |- ^9(Я)|. Този резултат се постига с иновативното схемно решение, при което чрез свързаните контакти 6 и 7 се осъществява реверсиране на протичащия ток, /₆ и |- /₇|. Фактически измерваното магнитно поле В 17 нарушава електрическата симетрия на токовите траектории. Следователно в резултат на Лоренцовата дефлекция, върху диференциалния изход 16 на сензора възниква напрежение на Хол V^B) = У_н,8-9(^)- Този сигнал е линейна и нечетна функция от силата и посоките на токовете и - Ι^_Ί, така и на магнитната индукция В 17. При това преобразувателната ефективност (чувствителността) S е право пропорционална на подвижността μ_η на електроните, респективно на силата на Лоренц F_L за съответния полупроводников материал, S ~ μ. и S~F_L, [1-12].

Следователно описаният галваномагнитен процес повишава съществено изходното напрежение на микросензора V_H(B) 16. Ключова роля оказват формираните рингове 10и 11, 12 и 13, 14и15с р-тип примесна проводимост, обхващащи съответно контакти 4 и 5, би 7, 8 и 9 в приповърхностните области на двете подложки 2 и 3, както и иновативната схема на включване, Фигура 1, Фигура 2. Ограчените области на омичните контакти 4, 5, 6, 7, 8 и 9 с рингове 10 и 11, 12 и 13, 14 и 15, които са отворени към обемите на подложки 2 и 3 изпълняват ролята на „джобове”, в които се натрупват едновременно съответно положителни и отрицателни товари от действието на силите на Лоренц Fy на токовете /₆ и |- /₇|. Също така се предотвратява тяхното разтичане по повърхността на подложки 2 и 3. В резултат чувствителността нараства допълнително. Обстоятелството, че двата изходни контакта 8 и 9 са извън зоните на протичане на двете токови компоненти Д,6 и - /_5>7 драстично намалява още и паразитните ефекти - ограничава факторите, водещи до негативния офсет на изхода 16; намаляване на вътрешния (фликер) 1// шум, а от тук нараства отношението сигнал/шум (S/N); минимизира се температурният дрейф на издходното напрежение 16, а хистерезисът е редуциран. За преодоляване на посочените недостатъци положително въздействие оказва идентичният потенциал на вторите непосредствено свързани контакти 6 и 7. В резултат офсетът на изхода 16 и температурният му дрейф са значително редуцирани. Чрез техническото решение от Фигура 1 магниточувствителността S и измервателната точност на полето В 17 нарастват. Същевременно високият сигнал V_H16(B) 16 води до увеличаване на резолюцията при измерване на минималната магнитна индукция B_min. Това осигурява по-детайлно определяне на топологията на магнитното поле В 17, особено за целите на биохимията и нанобиологията, включително при малформации на кръвта (аномалии на магнетизма на съдържащата желязо Fe кръв), [13].

Неочакваният положителен ефект на новото техническо решение е, че в сензориката на Хол е използван нестандартен подход за повишаване на чувствителността: формиране на р-тип „джобове” 10, 11, 12, 13, 14 и 15, повишаващи преобразувателната ефективност; извеждането извън активните зони с протичащите в подложки 2 и 3 токове на изходните контакти 8 и 9 и иновативната схема на включване, реверсираща посоката на захранващия ток, формиращ диференциалния изход 16. Важно предимство е, че сензорът на Хол се реализира в единен технологичен цикъл, като не се налагат допълнителни усложняващи процеси за формиране на товарни резистори върху силициевия чип.

Равнинно-магниточувствителният сензор може да се осъществи с CMOS или BiCMOS технологии, като п-тип конфигурацията (подложки 2 и 3) с п-тип контактите 4, 5, 6, 7, 8 и 9 се формират в п-тип области, разположени в рсилициеви пластини. Интегралната технология позволява новият микросензор заедно с обработващата сигнала Уц(В) 16 схемотехника да се осъществи върху общ силициев чип, изграждайки интелигентна микросистема (MEMS). Функционирането на предложения равнинно-чувствителен преобразувател е в широк температурен интервал, включително при криогенни температури. За още по-висока чувствителност за целите на слабополевата магнитометрия и контратероризма, чипът може да се разположи между два еднакви продълговати концентратори на магнитното поле В 17 от ферит или μ-метал.

ПРИЛОЖЕНИЕ: две фигури

ЛИТЕРАТУРА

[1] Ч.С. Руменин, П.Т. Костов, Сензор на Хол с паралелна ос на магниточувствителност, Авт. свид. BG № 37208 Ш/26.12.1983.

/И

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

[3] Ch. Roumenin, Microsensors for magnetic field, Chapter 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.

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

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

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

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

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

[9] 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.

[10] C. Sander, C. Leube, O. Paul, Three-dimensional magnetometer based on subsequent measurement principle, Sensors and Actuators, A 222 (2015) 329-334.

[11] Ed Ramsden, Hall effect sensors - Theory and application, 2^nd ed., Elsevier, Netherland, 2011.

[12] S.M. Sze, Physics of Semiconductors, 2^nd ed., Wiley-Intersc. Publ., John Wiley & Sons, New York, 1994.

[13] H. Fan, J. Wang, Q. Feng, Q. Hu, S. Zuo,V. Nabel et al., Detection techniques of biological and chemical Hall sensors, RSC Advance - Royal Soc. of Chern., 11 (2021) 7257-7270.

Claims (1)

1. Равнинно-чувствителен сензор на Хол, съдържащ токоизточник и полупроводникова правоъгълна подложка с л-тип примесна проводимост, върху едната страна на която последователно и на разстояния са формирани от ляво на дясно три правоъгълни омични контакти - първи, втори и трети, разположени успоредно на дългите си страни като измерваното магнитно поле е успоредно на равнината на подложката и на дългите страни на контактите, ХАРАКТЕРИЗИРАЩ СЕ с това, че има още една втора полупроводникова подложка (3), идентична на първата (2) и успоредно разположена на нея, върху едната страна на втората подложка (3) също са образувани от ляво на дясно на близки разстояния последователно три еднакви с тези от първата подложка (2) правоъгълни омични контакти първи (5), втори (7) и трети (9), успоредно на дългите си страни, всеки един от контактите (4), (5), (6), (7), (8) и (9) в приповърхностните области на подложките (2) и (3) е обхванат съответно в ринг (10), (11), (12), (13), (14) и (15) с р-тип примесна проводимост, вторите контакти (6) и (7) са свързани, а първите (4) и (5) са съединени с токоизточника (1) като двата трети контакта (8) и (9) са диференциалният изход (16) на сензора на Хол.