BG66560B1

BG66560B1 - Двоен полупроводников сензор на хол

Info

Publication number: BG66560B1
Application number: BG110959A
Authority: BG
Inventors: Чавдар РУМЕНИН; Вълчева Лозанов Сия; Сия ЛОЗАНОВА; Станоев Руменин Чавдар
Original assignee: Институт Посистемно Инженерство И Роботика-Бан
Priority date: 2011-06-06
Filing date: 2011-06-06
Publication date: 2017-01-31
Also published as: BG110959A

Abstract

Двойният полупроводников сензор на Хол съдържа n-тип полупроводникова подложка (1) с правоъгълна форма, върху едната страна на която са разположени омични контакти, като магнитното поле е перпендикулярно към подложката. Върху подложката (1) с формиран първи централен контакт (2), в четирите й ъглови области са разположени още по един контакт - втори (3), трети (4), четвърти (5) и пети (6), като двойките контакти - вторият (3) и четвъртият (5), и съответно третият (4) и петият (6) са симетрични спрямо централния контакт (2). Вторият (3) и третият (4), и съответно четвъртият (5) и петият (6) контакти са свързани с еднакви по стойност товарни резистори (7, 8, 9 и 10), като резисторите (7 и 8) са свързани към втория (3) и третия (4), и съответно резисторите (9 и 10) - към четвъртия (5) и петия (6) контакт, като резисторите по двойки са съединени и с двата извода на токоизточник (11). Разположените спрямо една от дългите страни на правоъгълната равнина втори (3) и пети (6) омични контакти са свързани помежду си, като третият (4) и четвъртият (5) контакт са изходът (13) на двойния сензор на Хол.

Description

(54) ДВОЕН ПОЛУПРОВОДНИКОВ СЕНЗОР НА ХОЛ

Област на техниката

Изобретението се отнася до двоен полупроводников сензор на Хол с редуциран офсет, приложимо в областта на контролно-измервателната технология, слабополевата магнитометрия, сензориката, микро- и наноелектрониката, безконтактната автоматика, уредостроенето, енергетиката, медицината, електротехниката, военното дело, системите за сигурност и др.

Предшестващо състояние на техниката

Известен е двоен полупроводников сензор на Хол, съдържащ тънка правоъгълна полупроводникова подложка с п-тип проводимост, върху двете дълги срещуположни страни на която една срещу друга са формирани симетрично две групи омични контакти, всяка с по четири контакта първи, втори, трети и четвърти. Всеки първи и трети контакт от двете групи е свързан с отделен източник на ток, като двата втори контакта са непосредствено свързани помежду си. Двата четвърти контакта са изходът на двойния сензор на Хол, а външното магнитно поле е приложено перпендикулярно на равнината на подложката [1,2].

Недостатък на този двоен полупроводников сензор на Хол е сложната му конструкция, изискваща осем омични контакта и два отделни източника на ток.

Техническа същност на изобретението

Задача на изобретението е да се създаде двоен полупроводников сензор на Хол с опростена конструкция чрез редуциране броя както на омичните контакти, така и на токоизточниците.

Тази задача се решава с двоен полупроводников сензор на Хол, съдържащ тънка полупроводникова подложка с правоъгълна форма и п-тип проводимост, върху едната страна на която в центъра й е формиран първи централен омичен контакт. Върху същата правоъгълна равнина в четирите й ъглови области са разположени последователно още по един омичен контакт - втори, трети, четвърти и пети, като двойките диагонални контакти вторият и четвъртият контакт; и съответно третият и петият контакт са симетрични спрямо централния. Вторият и третият контакт и съответно четвъртият и пе тият контакт са свързани с еднакви по стойност товарни резистори, като резисторите към втория и третия контакт и съответно резисторите към четвъртия и петия контакт са съединени с два извода на токоизточник. Разположените спрямо една от дългите страни на правоъгълната равнина втори и пети омични контакти са свързани помежду си. Външно магнитно поле е приложено перпендикулярно към равнината на подложката, като третият и четвъртият контакт са изход на двойния сензор на Хол.

Предимство на изобретението е опростената му конструкция, поради редуцирания брой контакти - само пет и отпадане на необходимостта на единия от токоизточниците.

Пояснение на приложената фигура

На приложената фигура 1 е показана схема на двойния полупроводников сензор, съгласно изобретението.

Примери за изпълнение на изобретението

Двойният полупроводников сензор на Хол съдържа тънка полупроводникова подложка 1 с правоъгълна форма и п-тип проводимост, върху едната страна на която в центъра й е формиран първи централен омичен контакт 2. Върху същата правоъгълна страна, в четирите й ъглови области са разположени последователно още по един омичен контакт втори 3, трети 4, четвърти 5 и пети 6, като двойките диагонални контакти вторият 3 и четвъртия 5, и съответно третият 4 и петият 6 контакт са симетрични спрямо централния 2 контакт. Вторият 3 и третият 4, и съответно четвъртият 5 и петият 6 контакт са свързани с еднакви по стойност товарни резистори 7 и 8, и 9 и 10, като резисторите 7 и 8 към втория 3 и третия 4, и съответно резисторите 9 и 10 към четвъртия 5 и петия 6 контакт са съединени с два извода на токоизточник 11. Разположените спрямо една от дългите страни на правоъгълната равнина втори 3 и пети 6 омични контакти са свързани помежду си. Външното магнитно поле 12 е приложено перпендикулярно към равнината на подложката 1, като третият 4 и четвъртият 5 контакт са изход 13 на двойния сензор на Хол.

Действието на двойния полупроводников сензор на Хол, съгласно изобретението, е следното.

При свързването на омичните контакти 3,4, 5 и 6 с централния контакт 1 през еднаквите по

66560 Bl стойност двойки резистори 7 и 8, и съответно 9 и 10, и токоизточника 11, в п-тип правоъгълната полупроводникова подложка 1, вследствие структурната и електрическата симетрия на сензора, протичат четири еднакви по стойност компоненти 1₂₃, 1₂₄, 1_{2 5} и 1₂₆ на захранващия ток I „ + 1.. + 1,, + I,, = 1 ., I-, = I = I,, = 1,,.

supl’ 2,3 2,4 2,5 2,6 supl’ 2,3 2,4 2,5 2,6

Стойността на еднаквите товарни резистори 7, 8,9 и 10 е на един порядък по-голяма от вътреш- 10 ното съпротивление на сензорната област между контактите 2, 3,4, 5 и 6. По този начин двойният сензор на Хол е в режим генератор на ток, I = const. Анализът на действието на структурата от Фигура 1 показва, че в нея функционално са интегрирани два еднакви елемента на Хол с ортогонална ос на магниточувствителност. Първият е изграден от първия централен 2, втория 3 и третия 4 контакт заедно със съответните 2Q резистори 7 и 8, и токоизточника 11. Вторият включва централния 2, четвъртия 5 и петия 6 контакт, заедно с резистори 9 и 10, и токоизточника 11. Диференциални изходи V₃₄ и V_S6 на тези два елемента на Хол са двойките омични 25 контакти 3 и 4, и съответно 5 и 6. В резултат на симетрията, в отсъствие на външно магнитно поле В 12, В = 0, се очаква да отсъстват офсети,

т.е. паразитни изходни сигнали, нямащи отношение към метрологията на магнитното поле. В случай, че възникнат тези паразитни и неносещи метрологична информация напрежения, основно от технологичната реализация на двойния сензор на Хол, те лесно се компенсират (нулират) чрез 35 тримиране (вариране на един или два от резисторите 7, 8, 9 и 10).

Когато се приложи външно магнитно поле В 12, В > 0, перпендикулярно към равнината на по лупроводниковата подложка 1, силата на Лоренц F_l = q V_dr х В странично отклонява движещите се с дрейфова скорост V_dr електрони в двете симетрични спрямо централния контакт 2 части на структурата. В резултат двойките токови компоненти L и I,,, и съответно I, _с и I,„ се отклоняват, например по часовниковата стрелка в равнината на подложката I. Ако товарните резистори 7,8,9 и 10 отсъстваха, този процес води до нарастване на тока, например през контакт три 4 и едновременно намаляване на тока със същата стойност през втория контакт 3. Същото поведение е в сила и за другия елемент на Хол - токът през петия контакт 6 нараства, като през четвъртия контакт намалява. Понеже работният режим на сензора е генератор на ток I = const, еквивалентната реакция от действието на силата на Лоренц F_L е промяна в потенциалите върху контакти 3 и 4, респективно 5 и 6. Следователно, върху двата изхода V₃₄(B) и V₅₆(B) се генерира напрежение на Хол. В случая от определящо значение е фактът, че двете напрежения V_{3 4}(В) и - V_{; 6}(В) са с една и съща стойност и са с противоположен знак. Ако възникнат офсети V₃₄(B = 0) ψ 0, включително свързани и с температурното въздействие върху структурата, в резултат на симетрията на сензора те ще са в първо приближение почти равни по стойност, и с един и същ знак. Следователно при фиксирана посока на магнитното поле В 12 спрямо подложката 1 и равенство на токови компоненти 1_{2 3} = 1₂₄ = 1_{2 5} = 1₂₆, двете Холови напрежения V₃₄(B) и - V₅₆(B) са равни и с противоположен знак, а двата офсета V₃₄(B = 0) и V_{5 6}(В = 0) са почти равни, V_{3 4}(В = 0) ~ V_{5 6}(В = 0). Непосредственото свързване на разположените спрямо една от дългите страни на правоъгълната равнина втори 3 и пети 6 контакт осъществява изваждане на двата изходни сигнала:

v_H = [V₃₄(B) + v₃₄(B = 0)] - [- v₅₆(B) + v₅₆(B = 0)] = 2V_{3 4}(B) + [V₃₄(B = 0) - v₅₆(B = 0).

Следователно, изходът 13 надвойния сензор на Хол генерира удвоен Холов сигнал 2V₃₄(B), като остатъчният паразитен офсет V е драстично редуциран от изваждането на двата индивидуални офсета на функционално интегрираните елементи на Хол. Офсетите основно произтичат от неминуемото нарушаване на геометричната (приборната) симетрия при технологичната реализация, както и от температурния дрейф на изходите. Предимство при създаването на устройства на основата на новия двоен сензор на Хол е обстоятелството, че като изход 13 равнозначно могат да се ползват и контактите 3 и 6, а срещуположните 4 и 5 да се свържат непосредствено. Друга важна алтернатива на двойния полупроводников елемент на Хол е, че като изходи могат да послужат контактите 3 и 6, или 4 и 5, като в тези случаи непосредствено се съединяват контактите спрямо късите страни на правоъгълната равнина 3 и 4, или 5 и 6. Така формираните двойни сензори на Хол са с драстично редуциран остатъчен офсет. При необходимост п-тип полупроводниковата подложка 1 може да бъде с квадратна форма за по-голяма степен на

66560 Bl симетричност.

Неочакваният положителен ефект на предложеното техническо решение е следствие от оригиналната конфигурация на контактите 2, 3, 4, 5 и 6, даваща директна възможност за проява на действието на отклоняващата електроните сила на Лоренц. Така от осем в известното решение, в нашия случай контактите са сведени само до пет. Освен това вместо два, токоизточникът е един, тъй като чрез резисторите 7, 8, 9 и 10 се формира режимът генератор на ток и за двата функционално интегрирани върху обща подложка 1 елемента на Хол. Сериозно предимство на решението е, че чрез петте контакта 2,3,4,5 и 6 и единия източник на ток 11 могат да се реализират цяла гама от еквивалентни двойни елементи на Хол, в зависимост от конкретното приложение. Такива възможности отсъстват в известния двоен полупроводников сензор от [1, 2].

Реализацията на новия преобразувател на Хол е за предпочитане да става със силициева планарна технология. Оформянето на правоъгълната равнина върху горната страна на n-Si подложка 1 в случая става с дълбок изолиращ р-ринг. Използването нап-SI е свързано с неколкократно по-високата подвижност на електроните, в сравнение с р-Si, а оттук и по-съществената магниточувствителност. Омичните контакти 2, 3, 4, 5 и 6 представляват силно легирани п⁺-области, формирани чрез йонна имплантация. Върху същия чип може да се интегрира и обработващата изходния сигнал 13 електроника. Перспективен полупроводник за новия магниточувствителен сензор е също n-GaAs.

Claims

Патентни претенции

1. Двоен полупроводников сензор на Хол, съдържащ тънка полупроводникова подложка с правоъгълна форма и п-тип проводимост, върху едната страна на която са разположени омични контакти, като външно магнитно поле е приложено перпендикулярно към равнината на подложката, характеризиращ се с това, че в центъра на едната страна на правоъгълната подложка (1) е формиран първи централен омичен контакт (2), като върху същата правоъгълна страна, в четирите й ъглови области са разположени последователно още по един омичен контакт - втори (3), трети (4), четвърти (5) и пети (6), като двойките диагонални контакти, съставени от втория (3) и четвъртия (5), и съответно третия (4) и петия (6) контакт са симетрични спрямо централния контакт (2), при което вторият (3) и третият (4) контакт, и съответно четвъртият (5) и петият (6) контакт са свързани с еднакви по стойност товарни резистори (7, 8 и 9 и 10), като резисторите (7 и 8) към втория (3) и третия (4) контакт и съответно резисторите (9 и 10) към четвъртия (5) и петия (6) контакт са съединени с два извода на токоизточник (11), при което разположените спрямо една от дългите страни на правоъгълната равнина, като втори (3) и пети (6) омични контакти са свързани помежду си, а третият (4) и четвъртият (5) контакт са изход (13) на двойния сензор на Хол.

Приложение: 1 фигура

Литература

1. R. Steiner, М. Schneider, Н. Baltes, „Double Hall sensor with self-compensated offset“, Technical Digest of International Electron Device Meeting (IEDM) ,97, 1997, pp. 911-914.
2. R. S. Vanha, „Rotary Switch and Current Monitor by Hall Based Microsystems“, PEL Publ., Zurich, Switzerland, Diss. ETH No 13135, 1999, p. 147.