BG65935B1

BG65935B1 - Микропреобразувател на хол

Info

Publication number: BG65935B1
Application number: BG109868A
Authority: BG
Inventors: Чавдар РУМЕНИН; Сия ЛОЗАНОВА; Светослав НОЙКОВ
Original assignee: Институт По Управление И Системни Изследвания При Бан
Priority date: 2007-05-02
Filing date: 2007-05-02
Publication date: 2010-05-31
Also published as: BG109868A

Abstract

Микропреобразувателят на Хол съдържа полупроводникова подложка (1), токоизточник (10), първи, втори и трети диференциален усилвател (11, 12 и 13), като изходите на първия и втория усилвател са съединени с входа на третия усилвател (13), чийто изход е изходът на микропреобразувателя. Върху едната страна на подложката (1) са формирани пет правоъгълни омични контакти - първи (2), втори (3), трети (4), четвърти (5) и пети (6), разположени успоредно на дългите си страни. Вторият (3) и четвъртият (5) контакт през два еднакви резистора (7 и 8) са свързани с тример (9), средната точка на който е съединена с единия извод на токоизточника (10), а другият е свързан с контакт (4). Вторият (3) и четвъртият (5) и съответно първият (2) и петият (6) контакт са свързани с входовете на първия (11) и втория (12) диференциален усилвател. Магнитното поле (15) е перпендикулярно на напречното сечение на подложката (1).

Description

Изобретението се отнася до микропреобразувател на Хол, приложимо в областта на безконтактната автоматика, микросистемите, сензорната електроника, системите за управление, контролно-измервателната технология, автомобилостроенето, енергетиката, позиционирането на обекти в пространството, уредостроенето, медицината, военното дело и др.

Предшестващо състояние на техниката

Известен е микропреобразувател на Хол с редуциран офсет (паразитно изходно напрежение в отсъствие на магнитно поле), съдържащ правоъгълна полупроводникова подложка с при- 20 месен тип проводимост, от двете дълги страни на която са формирани на разстояния, последователно и симетрично спрямо надлъжната ос на подложката съответно по един първи, по един втори, по един трети и по един четвърти омичен контакт. Двойките втори и четвърти контакт са свързани с по един източник на постоянен ток, така че полярностите на вторите и съответно на четвъртите контакти да съвпадат като четвъртите контакти са съединени помежду си. Двойките 30 първи и трети контакт са свързани съответно с входовете на първи и втори диференциален усилвател като изходите на тези два диференциални усилватели са съединени с входа на трети диференциален усилвател, чийто изход е изходът на микропреобразувателя на Хол, а външното магнитно поле е приложено перпендикулярно на равнината на полупроводниковата подложка [1,2].

Недостатъци на този микропреобразувател на Хол са усложнената конструкция, съдържаща два отделни токоизточника, и недостатъчно ефективното редуциране на офсета в различните образци, от предварителните оптимизации на геометрични размери, работни режими и технологии на производство. 45

Известен е още и микропреобразувател на Хол, съдържащ полупроводникова подложка с примесен тип проводимост, върху едната страна на която са формирани последователно и на разстояния един от друг четири правоъгълни омични контакти първи, втори, трети и четвърти, разположени успоредно на дългите си страни. Първият и третият контакт са свързани през първи токоизточник, вторият и четвъртият контакти 5 са съединени с втори токоизточник, токоизточниците са в режим генератор на ток като полярностите на захранване на втория и третия контакт съвпадат. Вторият и третият, и съответно първият и четвъртият контакт са свързани с входо10 вете на първи и на втори диференциален усилвател, изходите на които са съединени с входа на трети диференциален усилвател, приложеното външно магнитно поле е перпендикулярно на напречното сечение на полупроводниковата 15 подложка и е успоредно на дългите страни на омичните контакти като изход на микропреобразувателя на Хол е изходът на третия диференциален усилвател [3].

Недостатъци на този микропреобразувател на Хол са усложнената конструкция от двата отделни токоизточника и високото ниво на шума, тъй като омичните контакти, свързани с входовете на диференциалните усилватели са едновременно и захранващи, и двата тока директно 2 5 генерират паразитни шумови напрежения, влошаващи качеството на метрологичната информация.

Техническа същност на изобретението

Задача на изобретението е да се създаде микропреобразувател на Хол с опростена конструкция, винаги редуциран офсет за различните образци и понижено ниво на собствен шум. 35 Тази задача се решава с микропреобразувател на Хол, съдържащ полупроводникова подложка с примесен тип проводимост, върху едната страна на която са формирани последователно и на разстояния един от друг пет право40 ъгьлниомични контакти първи, втори, трети, четвърти и пети, разположени успоредно на дългите си страни. Третият контакт е централен като вторият и четвъртият, и съответно първият и петият контакти са симетрични спрямо централния. Вторият и четвъртият омичен контакт през два еднакви товарни резистора са свързани с тример, средната точка на който е съединена с единия извод на токоизточник, а другият му извод е свързан с третия омичен контакт. Вторият и 5 0 четвъртият, и съответно първият и петият контакт

65935 Bl са свързани с входовете на първи и втори диференциалнен усилвател, изходите на които са съединени с входа на трети диференциален усилвател, чийто изход е изходът на микропреобразувателя на Хол, а външното магнитно поле е приложено перпендикулярно на напречното сечение на полупроводниковата подложка и е успоредно на дългите страни на правоъгълните омични контакти.

Предимства на изобретението са опростената конструкция, съдържаща само един токоизточник, офсетът в различните образци е винаги редуциран, ниското ниво на шума, възможността за реализиране на двумерна сензорна микросистема за едновременно и независимо измерване на двете равнинни компоненти на магнитното поле.

Пояснение на приложената фигура

По-подробно изобретението се пояснява с приложената фигура, представляваща едно негово примерно изпълнение.

Примери за изпълнение на изобретението

Микропреобразувателят на Хол съдържа полупроводникова подложка 1 с примесен тип проводимост, върху едната страна на която са формирани последователно и на разстояния един от друг пет правоъгълни омични контакти първи 2, втори 3, трети 4, четвърти 5 и пети 6, разположени успоредно на дългите си страни. Третият контакт 4 е централен като вторият 3 и четвъртият 5, и съответно първият 2 и петият 6 контакти са симетрични спрямо централния 4. Вторият 3 и четвъртият 5 омичен контакт през два еднакви товарни резистора 7 и 8 са свързани с тример 9, средната точка на който е съединена с единия извод на токоизточник 10, а другият му извод е свързан с третия омичен контакт 4. Вторият 3 и четвъртият 5, и съответно първият 2 и петият 6 контакти са свързани с входовете на първи и втори диференциален усилвател 11 и 12, изходите на които са съединени с входа на трети диференциален усилвател 13, чийто изход 14 е изходът на микропреобразувателя на Хол, а външното магнитно поле 15 е приложено перпендикулярно на напречното сечение на полупроводниковата подложка 1 и е успоредно на дългите страни на пра воъгълните омични контакти 2,3,4,5 и 6.

Действието на микропреобразувателя на Хол, съгласно изобретението, е следното.

При включване на токоизточника 10, в резултат на структурната симетрия спрямо централния трети контакт 4 и еднаквите по стойност товарни резистори 7 и 8, в подложката 1 протичат два еднакви и с противоположна посока токове

1_{3 4} и -1_{4 5} като 1₄ = 1_{3 4} + |-1_{4 5}|. Понеже омичните контакти 3, 4 и 5 са планарни и представляват еквипотенциални равнини, токовете през тях 1₃,

1₄ и 1₅ първоначално са перпендикулярни на горната повърхност на подложката 1 и проникват навътре в обема й. При това компоненти 1₃ и 1₅са съпосочни, а токът 1₄ под контакта 4 е противоположен на тях. Ако по някакви причини двата тока 1_{3 4} и 1_{4 5} се отличават по стойност, равенството I = |-1₄₅| се установява чрез вариране съпротивлението на тримера 9. Такава възможност за изравняване на токовете не е предвидена в известното техническо решение. Различната по повърхността на полупроводниковата подложка 1 температура Т от протичането на токове 1₄,1_{3 4}и 1_{4 5}; наличието намеханични напрежения от корпусирането на чипа с микропреобразувателя на Хол, нанасянето на изолиращи диелектрични покрития или проводящи тънки слоеве върху полупроводниковата подложка 1 при технологичните процеси; геометричните литографски грешки в симетричното разположение на контактите 3 и 5, и 2 и 6, и др. водят до генериране на офсет. Анализът показва, че предложеният микропреобразувател на Хол функционално обединява в подложката 1 два елемента на Хол с изходните контакти 3 и 5, и съответно 2 и 6. По същество техническото решение е мултисензор, предоставящ информация за магнитното поле В 15 едновременно от два изхода. В резултат на описаните по-горе причини на тези два изхода възникват паразитни напрежения (офсети) в отсъствие на магнитно поле В 15 V₃₅ (В = 0) # 0 и съответно V₂₆ (В = 0) * 0. Тъй като токовите компоненти 1₃ и 1₅ през омични контакти 3 и 5 са съпосочни, това води до един и същ знак на офсетите. От друга страна двата функционално интегрирани микросензори на Хол имат обща активна зона в полупроводниковата подложка 1, което е предпоставка за почти изравнени по стойност офсети V_{3 5} (В=0)« V_{2 6} (В=0). Общата преобразувателна област също така гарантира и

65935 Bl перфектно съгласуване и изравняване на температурните дрейфове на двата офсета в широк температурен интервал Делта Т.

Прилагането на външното магнитно поле В15 перпендикулярно на напречното сечение на полупроводниковата подложка 1 и успоредно на дългите страни на правоъгълните контакти 2,3, 4,5 и 6 чрез силата на Лоренц F_L ~ ню_0г х В води до деформиране на двете криволинейни токови траектории 1₃.₄ и 1₄₅ в противоположни посоки, ню_йг е дрейфовата скорост на движение на носителите. Например, първата 1_{3 4} се “свива” към горната повърхност на подложката 1, а втората 1₄₅ се “разширява” навътре в обема. В резултат върху горната повърхност на подложката 1, където са разположени омичните контакти се индуцират допълнителни електрически товари, формиращи полето на Хол Е_н. Този сензорен механизъм обуславя магниточувствителността на двата функционално обединени елементи на Хол. Единият от тях е триизводен, формиран е контактите 3 - 4 - 5. В него резултиращото поле на Хол Е_Н1 компенсира действието на силата на Лоренц F_l върху захранващия ток 1₄ от централния контакт 4 като напрежението на Хол е V_H1 (В)= V_{3 5} (В). Особеност на този микросензор е, че контактите 3 и 5 са едновременно захранващи и изходни. Режимът напрежение на Хол V_H1 е в резултат на товарните резистори 7 и 8. По стойност те са най-малко на порядък по-големи от входното съпротивление на микропреобразу вателя. Другият микросензор на Хол е четириизводен, формиран с омичните контакти

2-3-5-6 като захранващите са 3 и 5, а изходните 2 и 6. В него ефективното поле на Хол Е_Н2 ком5 пенсира силата на Лоренц F_L, действаща върху двете съпосочни токови компоненти 1₃ и 1₅ като напрежението на Хол е V_m (В) з V_{2 6} (В). Важна особеност на двете Холови напрежения V_H1(B) и V_ffi(B) е, че са е противоположен знак, т.е. V_H](B) 10 ⁼ |-V_H2(B)|, тъй като ток 1₄ е противоположен на компоненти 1₃ и 1₅. Ако магниточувствителността S в двата микросензора евентуално се отличава, това се преодолява чрез изравняване на двете Холови напрежения на следващия етап 15 от обработката на сигналите. Именно е вариране на коефициентите на усилване на първия 11 и на втория 12 диференциални усилватели се постига равенството V_n(B) = |-V_]2(B)|.

Ролята на диференциалните усилватели 11 20 и 12 е да се развържат двете изходни напрежения V_3;5=V_{3 5}(0)+ν_Η1(Β) и v_{2 6} = v_{2 6}(0) - V_ffi(B) на микропреобразувателя на Хол, и да се неутрализира взаимното влияние на изходите му. Диференциалните усилватели 11 и 12 формират 25 изходни напрежения V_n и V₁₂ спрямо обща точка, например третия централен контакт 4, пропорционални на разликата между потенциалите на контактите 3 и 5, и съответно 2 и 6. Чрез третия диференциален усилвател 13 изходните нап30 режения V_n и V₁₂ от усилвателите 11 и 12 се изваждат. По тази причина е в сила равенството:

ν_η(β = 0) + Гп(В) - (К₁₂(В = 0) - Т₁₂(В)) - 2Т_М(В) + (Г_П(В = 0) - Т₁₂(В = 0))

Следователно магниточувствителното изходно напрежение V₁₄(B) 14 на диференциалния усилвател 13 е удвоено, докато остатъчният офсет на изхода 14 на микропреобразувателя на Хол е драстично редуциран. Редуцирането е в резултат на двата почти равни по стойност и с един и същ знак начални офсети на изходите на микропреобразувателя, които се изваждат с диференциалния усилвател 13.

Пониженото ниво на шума Ι/f е в резултат от използването на един токоизточник 10 и разполагането на изходните контакти 2 и 6 извън зоната на протичане на захранващия ток 1₄. Така паразитното шумово напрежение, което се по дава на входовете на диференциалните усилватели 11 и 12 е съществено намалено, което води до повишаване резолюцията на микропреобразувателя на Хол.

θ Неочаквани положителни ефекти на новото техническо решение, в сравнение с известните микропреобразуватели на Хол са: опростената конструкция, съдържаща само един токоизточник; и възможността остатъчният офсет в

5 различните образци да бъде винаги редуциран и ниското ниво на шума от оригиналната приборна конструкция. Независимо от евентуалните различия в електрическите и технологичните характеристики на отделните образци, с тримера 9

65935 Bl е възможно винаги, варирайки в малки граници токовите компоненти 1₃ и 1₅, да се постигне един и същ знак и почти изравняване по стойност на двата начални офсета. Такава алтернатива в известното решение отсъства. Това е причината в различните образци да не се постига винаги редуциране на офсета. Дори често пъти остатъчният офсет е повишен, вместо редуциран (когато началните офсети са с различен знак и диференциалният усилвател 13 ги сумира).

Проведените експерименти с п-тип силициеви микропреобразуватели на Хол, съгласно изобретението, установиха без изключение редуциране на офсета V₁₄(B=0). Редуцирането е наймалко с около два порядъка в сравнения с офсетите на двата изхода, независимо от неминуемите първоначални различия в електрическите характеристики на образците. Собственият шум 1/f (фликер шумът) е намален около 50-60 пъти.

Друго предимство на новия сензор на Хол с редуциран офсет е, че на негова основа може да се конструира двумерна 2D сензорна микросистема за измерване на двете компоненти В_х и В_у на магнитното поле В15, лежащо в равнината 25 на полупроводниковата подложка 1. Това решение съдържа два еднакви микропреобразуватели на Хол с общия трети централен контакт 4, ориентирани един спрямо друг на 90°. При произволна посока на полето В 15 неговите равнин- 30 ни компоненти В_х и В_у активират съответните взаимноперпендикулярни Холови канали, като напреженията от изходите 14 на третите диференциални усилватели 13 предоставят едновременно и независимо информация за магнитни компоненти В_х и В_у. Стойността на равнинния вектор В се дава с релацията |В| = (В_х ² + Ву²)^1/2, а ъгълът алфа между В и хоризонталната х ос на координатната система х-у с израза алфа = tan'¹ (Ву/В_х).

Предпочитаната технология за реализиране на микропреобразувателя на Хол е CMOS.

Claims

Патентни претенции

1. Микропреобразувател на Хол, съдържащ полупроводникова подложка с примесен 5 тип проводимост, върху едната страна на която са формирани последователно и на разстояния един от друг правоъгълни омични контакти, успоредни на дългите си страни, токоизточник, първи и втори диференциален усилвател, изходите на които са съединени с входа на трети диференциален усилвател, чийто изход е изходът на микропреобразувателя на Хол, външното магнитно поле е перпендикулярно на напречното сечение на полупроводниковата подложка и е успоредно на дългите страни на правоъгълните омични 15 контакти, характеризиращ се с това, че омичните контакти са пет - първи (2), втори (3), трети (4), четвърти (5) и пети (6), третият контакт (4) е централен, като вторият (3) и четвъртият (5), и съответно първият и петият (6) контакт са симетрични спрямо централния (4), вторият (3) и четвъртият (5) омичен контакт през два еднакви товарни резистора (7 и 8) са свързани с тример (9), средната точка на който е съединена с единия извод на токоизточника (10), а другият му извод е свързан с третия контакт (4), вторият (3) и четвъртият (5) и съответно първият (2) и петият (6) контакт са свързани с входовете на първия (11) и втория (12) диференциален усилвател.