BG66403B1

BG66403B1 - Микросензор на хол с паралелна ос на магниточувствителност

Info

Publication number: BG66403B1
Application number: BG10110498A
Authority: BG
Inventors: SiyaЛОЗАНОВА Сия Lozanova; ЧавдарRoumenin CHavdar РУМЕНИН
Original assignee: Institout Po Oupravlenie I Sistemni Izsledvaniya PИНСТИТУТ ПО УПРАВЛЕНИЕ И СИСТЕМНИ ИЗСЛЕДri Ban ВАНИЯ ПРИ БАН
Priority date: 2009-10-20
Filing date: 2009-10-20
Publication date: 2013-12-31
Also published as: BG110498A

Abstract

Микросензорът на Хол с паралелна ос на магниточувствителност съдържа полупроводникова подложка (1), върху едната страна на която са формирани четири омични контакта - първи (2), втори (3), трети (4) и четвърти (5). Първият (2) и вторият (3) контакт през товарни резистори (6 и 7) са свързани с по един от изводите на два източника (8 и 9), които са в режим генератор на напрежение, като полярността на тези изводи съвпада. Третият (4) и четвъртият (5) контакт през резистори (10 и 11) са съединени с другите изводи на източниците на напрежения (8 и 9). Четирите товарни резистора (6, 7, 10 и 11) са с една и съща стойност. Първият (2) и вторият (3), и съответно третият (4) и четвъртият (5) омичен контакт са двата независими изхода (12 и 13) на микросензора на Хол. Външното магнитно поле (16) е приложено перпендикулярно на напречното сечение на подложката (1).

Description

Изобретението се отнася до микросензор на Хол с паралелна ос на магниточувствителност, приложимо в областта на микро- и наносензориката, слабополеватамагнитометрия, безконтактната автоматика и управление, безжичните комуникации, контролно-измервателната технология, навигацията, автомобилостроенето, енергетиката, позиционирането на обекти в пространството, уредостроенето, медицината, военното дело и антитерористичната дейност и др.

Предшестващо състояние на техниката

Известен е микросензор на Хол с паралелна ос на магниточувствителност, 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 са свързани с първи захранващ източник в режим генератор на ток. Вторият и четвъртият омичен контакт са свързани през втори източник в режим генератор на ток. Полярностите на захранване на втория и третия омичен контакгсъвпадат. Изходите на микросензора на Хол с паралелна ос на магниточувствителност са съответно първият и четвъртият, и вторият и третият омични контакти. Външното магнитно поле е приложено перпендикулярно на напречното сечение на полупроводниковата подложка и е успоредно на дългите страни на правоъгълните омични контакти [1].

Недостатък на този микросензор на Хол с паралелна ос на магниточувствителност е ниската преобразувателна ефективност (магниточувствителност) в резултат на значително редуцираното напрежение на Хол между изходните на втория и третия омични контакти, тъй като в зоната между тях двата захранващи тока са противоположно насочени, което отслабва в значителна степен генерирания чрез тях ефект на Хол.

Техническа същност на изобретението

Задача на изобретението е да се създаде микросензор на Хол с паралелна ос на магниточувствителност с висока преобразувателна ефективност (магниточувствителност).

Тази задача се решава с микросензор на Хол с паралелна ос на магниточувствителност, 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 вторият контакти през съответни товарни резистори са свързани с по един от изводите на два захранващи източника, които са в режим генератор на напрежение като полярността на тези изводи съвпада, а третият и четвъртият контакти също през съответни товарни резистори са съединени с другите изводи на източниците на напрежение, като четирите товарни резистори са с една и съща стойност. Първият и вторият, и съответно третият и четвъртият омични контакти са двата независими изхода на микросензора на Хол с паралелна ос на магниточувствителност, като външното магнитно поле е приложено перпендикулярно на напречното сечение на полупроводниковата подложка и е успоредно на дългите страни на правоъгълните контакти.

Пояснение на приложената фигура

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

Примери за изпълнение на изобретението

Микросензорът на Хол с паралелна ос на магниточувствителност съдържа полупроводникова подложка 1 с примесен тип проводимост, върху едната страна на която са формирани последователно и на разстояния един от друг четири правоъгълни омични контакти първи 2, втори 3, трети 4 и четвърти 5, разположени успоредно на дългите си страни. Първият 2 и вторият 3 контакти през съответни товарни резистори 6 и 7 са свързани с по един от изводите на два захранващи източника 8 и 9, които са в режим генератор на напрежение, като полярността на тези изводи съвпада, а третият 4 и четвъртият 5 контакти също през съответни товарни резистори 10 и 11 са съединени с другите изводи на източниците на напрежение 8 и 9, като товарните резистори 6,7,10 и 11 са с една и съща

66403 Bl стойност. Първият 2 и вторият 3, и съответно третият 4 и четвъртият 5 омични контакти са двата независими изходи 12 и 13 на микросензора на Хол с паралелна ос на магниточувствителност, като външното магнитно поле 14 е приложено перпендикулярно на напречното сечение на полупроводниковата подложка 1 и е успоредно на дългите страни на правоъгълните контакти 2,3, 4 и 5.

Действието на микросензора на Хол е паралелна ос на магниточувствителност, съгласно изобретението, е следното.

При включване на източниците на напрежение 8 и 9, в резултат на еднаквите по стойност товарни резистори R, 6 и 7, и съответно R₃ 10 и R₄ 11, R = R₂ = R₃ = R₄, които са свързани към изводите с една и съща полярност на източниците 8 и 9, в подложката 1 протичат два еднакви и съпосочни тока 1₂₅ и 1₃₄ като 1_{2 5} = 1_{3 4}. Понеже омичните контакти 2,3,4 и 5 са планарни и представляват еквипотенциални равнини, токовете през тях 1₂, 1₃, 1₄ и 1₅ първоначално са перпендикулярни на горната повърхност на подложката 1 и проникват навътре в обема й, след което траекториите им стават успоредни на горната повърхност на подложката 1. Ако по някакви причини (например, различна по повърхността на полупроводниковата подложка 1 температураТот протичането на токове 1₂, I 1 и 1₅; наличие на механични напрежения от корпусирането на чипа с микросензора на Хол; нанасяне на изолиращи диелектрични покрития, проводящи тънки слоеве или шини върху полупроводниковата подложка 1 при технологичните процеси; неминуеми геометрични литографски грешки в разположението на омичните контакти 2 и 3, и 4 и 5; нееднородности в легирането на подложката 1 и др.) двата тока 1,₅ и 1_{3 4} се отличават по стойност или топология на протичане в обема. В резултат между контактите 2 и 3, и съответно 4 и 5 могат да възникнат в отсъствие на магнитното поле В 14 паразитни напрежения (офсети) V₂₃(B = 0) ? 0 и V₄₅(B = 0) * о. Тяхното компенсиране (включително нулиране) лесно се постига чрез вариране стойностите на някои от товарните резистори 6, 7, 10 или 11. Резисторите 6, 7, 10 и 11, с които се установяват двата захранващи тока 1,₅ и 1,₄ следва да превишават най-малко с един порядък стойността на входното съпротивление на микросензора на Хол. В отличие от известното решение, ключова особеност на новото решение, че захранващите токове 1₂ и I ₄ са съпосочни във всяка една част от траекториите си в подложката 1. Анализът показва, че новият микросензор на Хол с паралелна ос на магниточувствителност функционално обединява в обща сензорна област на подложката 1 два елемента на Хол с изходните контакти 2 и 3, и съответно 4 и 5. По същество това е мултисензор, предоставящ информация за магнитното поле В 14 едновременно с два независими изходи 12 и 13.

Прилагането на външното магнитно поле В 14 перпендикулярно на напречното сечение на полупроводниковата подложка 1 и успоредно на дългите страни на правоъгълните контакти 2,3,4 и 5 чрез силата на Лоренц F_L = qV_dr х В води до отклонение и деформиране като цяло на двата съпосочни тока 1_{2 5} и 1_{3 4}, V_dr е дрейфовата скорост на движение на носителите, q е товарът на електрона. Например, двете траектории на токове 1₂₅ и I в зависимост от посоката на магнитното поле В 14 или едновременно се “свиват” към горната повърхност на подложката 1, или едновременно се “разширяват” навътре в обема. В резултат върху горната повърхност на подложката 1, където са разположени вътрешните омични контакти 3 и 4, магнитното поле В 14, без какьвто и да е механизъм на неутрализиране, генерира допълнителни електрически товари с един и същ знак, т.е. ефектът на Хол не се редуцира. Същевременно токът 1_{3 4} и полето В 14 индуцират върху външните контакти 2 и 5 допълнителни товари също с един и същ знак, обаче противоположен по отношение на генерираните върху контактите 3 и 4. Следователно, ефектът на Хол създава две независими напрежения на Хол V,₃(B) и - V₄₅(B) върху изходите 12 и 13, които превъзхождат по стойност тези от известното решение, т.е. магниточувствителността S на микросензора на Хол е повишена в съответствие със задачата на изобретението. Омичните контакти 2, 3, 4 и 5 на функционално интегрирания микросензор на Хол са едновременно захранващи и изходни. Възникването на напрежения на Хол се обуславя и от товарните резистори R] 6 и R₂ 7, и съответно R₃10 и R₄11. Важната особеност на двете изходни напрежения У_ЩЗ(В) и V_H45(B) е, че са с противоположен знак, т.е. V_{H2 3}(В) = |-V_{H4 5}(В)|. Ако магниточувствителностите в двата сензорни канала евентуално се отличават, изравняването им става на следващия етап от обработката на сигналите.

66403 Bl

Това може да стане, както е в известното решение, с вариране коефициентите на усилване на два суматора, към които са включени двата сензорни изходи 12 и 13. Ако изходните напрежения на двата суматора се извадят с диференциален усилвател се 5 постига драстично редуциране на резултиращия офсет и на температурния му дрейф, и удвояване на изходното напрежение [ 1 ].

Неочакваният положителен ефект на новото техническо решение, в сравнение с известния 10 четириконтактен микросензор на Хол с паралелна ос на чувствителност е отстраняване на съществуващото редуциране на ефекта на Хол чрез съпосочност на двата захранващи тока I_{2 5} и 1_{3 4}, и необичайно избраните изходи 12 и 13 - напре- 15 женията V_{2 3}(В) 12 и V_{4 5}(В) 13 се снемат от съседните контакти 2 и 3, и съответно 4 и 5, противно на общоприетия метод, при който сензорните и захранващите контакти се редуват. При необходимост микросензорът на Хол може да се 20 опрости, заменяйки захранването му от двата източника 8 и 9 с един източник на напрежение 8. В този случай резисторите 6 и 7, и съответно 10 и 11 се включват към изводите на източника 8.

Проведените експерименти с п-тип 25 силициеви микросензори на Хол с паралелна ос на магниточувствителност, съгласно изобретението, показват нарастване на преобразувателната ефективност с не по-малко от 30 %, в сравнение с известното решение. 30

Предпочитаната технология за реализиране на новия микропреобразувател на Хол е CMOS.

Патентни претенции

Claims

1. Микросензор на Хол с паралелна ос на магниточувствителност, 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, два захранващи източника, като външното магнитно поле е приложено перпендикулярно на напречното сечение на полупроводниковата подложка и е успоредно на дългите страни на правоъгълните контакти, характеризиращ се с това, че първият (2) и вторият (3) контакт през съответните товарни резистори (6 и 7) са свързани с по един от изводите на двата захранващи източника (8 и 9), които са в режим генератор на напрежение, като полярността на тези изводи съвпада, а третият (4) и четвъртият (5) контакт също през съответните товарни резистори (10 и 11) са съединени с другите изводи на източниците на напрежение (8 и 9), а товарните резистори (6, 7, 10 и 11) са с една и съща стойност, като първият (2) и вторият (3), и съответно третият (4) и четвъртият (5) омични контакти са двата независими изходи (12 и 13) на микросензора на Хол с паралелна ос на магниточувствителност.

Приложение: 1 фигура