BG66568B1 - Микросензор на хол - Google Patents

Abstract

Микросензорът на Хол съдържа полупроводникова подложка (1) с примесен тип проводимост, върху едната страна на която са формирани на разстояния един от друг правоъгълни омични контакти (2, 3, 4, 5, 6 и 7), двата (2 и 3) от които са захранващи. Симетрично и в близост до всеки от тях е разположен по един изходен контакт - външен (4 и 5) и вътрешен (6 и 7) спрямо съответния контакт (2 и 3). Областта, съдържаща всички контакти (2, 3, 4, 5, 6 и 7) е оградена с дълбок правоъгълен ринг (8) с противоположна проводимост на подложката (1). Рингът (8) е секциониран на шест части, в които е разположен по един от омичните контакти (2, 3, 4, 5, 6 и 7). Контактите (2 и 3) са свързани с токоизточник (9). Двойките външен и вътрешен изходен контакт (4 и 6), и (5 и 7) са свързани с входовете на два измервателни усилвателя (10 и 11), изходите на които са съединени с входа на суматор (12), чийто изход е изходът (13) на микросензора на Хол. Магнитно поле (14) е приложено перпендикулярно на напречното сечение на подложката (1).

Description

Техническа същност на изобретението

Задача на изобретението е да се създаде микросензор на Хол с повишена магниточувствителност, редуциран офсет и минимален температурен дрейф на изхода.

Тази задача се решава с микросензор на Хол, съдържащ полупроводникова подложка с примесен тип проводимост, върху едната страна на която са формирани на разстояния един от друг правоъгълни омични контакти, разположени успоредно на дългите си страни. Два от тези контакти са захранващи като симетрично и в близост до всеки от тях е разположен по един изходен контакт - външен и вътрешен спрямо съответния захранващ контакт. Повърхностната област, съдържаща всички контакти е оградена с дълбок правоъгълен ринг, типът проводимост на който е противоположен на подложката. Този ринг е секциониран на шест части, в които е разположен по един от омичните контакти. Захранващите контакти са свързани с токоизточник. Двойките външен и вътрешен изходен контакт са свързани с входовете на два измервателни усилвателя, изходите на които са съединени с входа на суматор, чийто изход е изходът на микросензора на Хол. Външното магнитно поле е приложено перпендикулярно на напречното сечение на подложката и е успоредно на дългите страни на правоъгълните контакти.

Пояснение на приложените фигури

По-подробно изобретението се пояснява с едно негово примерно изпълнение като:

на фигура 1 е дадено напречното му сечение; а на фигура 2 - неговият поглед отгоре.

Примери за изпълнение на изобретението

Микросензорът на Хол съдържа полупроводникова подложка 1 с примесен тип проводимост, върху едната страна на която са формирани на разстояния един от друг правоъгълни омични контакти, разположени успоредно на дългите си страни. Два от тези контакти 2 и 3 са захранващи като симетрично и в близост до всеки от тях е разположен по един изходен контакт - външен 4 и 5 и вътрешен 6 и 7 спрямо съответния захранващ контакт 2 и 3. Повърхностната област, съдържаща всички контакти 2, 3, 4, 5, 6 и 7 е оградена с дълбок правоъгълен ринг 8, типът проводимост на който е противоположен на подложката 1.

(54) МИКРОСЕНЗОР HA ХОЛ

Област на техниката

Изобретението се отнася до микросензор на Хол, приложимо в областта на роботиката, $ системното инженерство, микро- и нано-сензориката, автомобилостроенето, енергетиката, контролно-измервателната технология, слабополевата магнитометрия, безконтактната автоматика и управление, безжичните комуникации, медицината, навигацията, позиционирането на обекти в пространството, военното дело, сигурността и др.

Предшестващо състояние на техниката

Известен е микросензор на Хол, съдържащ полупроводникова подложка с примесен тип проводимост, върху едната страна на която са формирани на разстояния един от друг пет правоъгълни 20 омични контакти, разположени успоредно на дългите си страни. Един от тях е централен и спрямо него са разположени симетрично останалите четири - два от които са външни и два са вътрешни. Повърхностната област, съдържаща контактите е оградена с дълбок правоъгълен ринг, проводимостта на който е противоположна на подложката. Външните контакти са съединени с единия извод на токоизточник, другият извод зо на който е свързан с централния контакт. Магнитното поле е приложено перпендикулярно на напречното сечение на подложката и е успоредно на дългите страни на правоъгълните контакти като вътрешните контакти са изходът на микро- 3$ сензора на Хол [I].

Недостатък на този микросензор на Хол е ограничената магниточувствителност в резултат на снемане от изхода само на част от цялото напрежение на Хол, генерирано в полупроводнико- дд вата подложка от протичащия ток и приложеното магнитно поле.

Друг недостатък е високата стойност на изходното паразитно напрежение в отсъствие на магнитно поле (офсет) поради неминуемата асиметрия в свойствата на микросензора спрямо 45 централния омичен контакт от неотстранимите несъвършенства в полупроводниковите пластини (подложки) и технологията на производство.

Недостатък е още и силният температурен дрейф на офсета, причинен от асиметрия в съпротивленията в двете части на сензора спрямо централния контакт.

66568 Bl

Този ринг 8 е секциониран на шест части, в които е разположен по един от омичните контакти 2, 3, 4, 5, 6 и 7. Захранващите контакти 2 и 3 са свързани с токоизточник 9. Двойките външен и вътрешен изходен контакт 4 и 6, и съответно 5 и 7 са свързани с входовете на два измервателни усилвателя 10 и 11, изходите на които са съединени с входа на суматор 12, чиито изход е изходът 13 на микросензора на Хол. Външното Ц) магнитно поле 14 е приложено перпендикулярно на напречното сечение на подложката 1 и е успоредно на дългите страни на правоъгълните контакти 2, 3, 4, 5, 6 и 7.

Действието на микросензора на Хол, съглас- ¹ $ но изобретението, е следното. При включване на контакти 2 и 3 към токоизточника 9, в подложката 1 протича захранващ ток 1₂₃. Специфична особеност на класа сензори с паралелна ос на 2θ магниточувствителност, към които принадлежи настоящото техническо решение е, че траекториите на токоносителите са криволинейни. Те стартират и завършват върху горната повърхност на подложката 1, където са формирани захран- 25 ващите контакти 2 и 3. В отсъствие на магнитно поле В 14 В = 0, в резултат на еквипотенциалността на омичните контакти 2 и 3, токът 1_{2 3} под тях първоначално е перпендикулярен на горната повърхност на чипа 1, прониквайки дълбоко в обема й, след което става успореден на горната страна на подложката 1. В магнитно поле В 14 В ψ 0, по причина на латералното отклоняващо действие на силата на Лоренц F_L = q.V_dr х В, токо- 35 вите линии 1₂ и 1₃ се деформират - в зависимост от посоките на тока 1₂₃ и полето В 14 траекторията се разширява или свива. Възниква ефект на Хол, който променя електричните потенциали върху граничните повърхности на подложката 1, в това число и върху горната страна, V_dr е дрейфовата скорост на движещите се носители, a q е товарът на електрона. Съгласно известното решение [1], само Ходовото напрежение V_H12(В), развиващо се в зоната между захранващите контакти от съответни токови компоненти се снема чрез 45 вътрешно разположени два Ходови контакта Н₍ и Н₂. Това напрежение е, обаче част от генерираното пълно напрежение на Хол V_Ha||(B) в структурата 1. Така остава нерегистрирано напрежението на Хол в областите извън външните захранващи контакти, т.е. върху останалите гранични повърхности на подложката 1. В новото техническо решение, представено на Фигура 1 се постига едновременното регистриране надве независими напрежения на Хол V₄₆(B) и V₅₇(B), генерирани от един и същ ток I . Фактически микросензорът на Хол е двуизходен - в една и съща преобразувателна зона функционално са интегрирани два елемента на Хол с два отделни изхода V₄₆(B) и V₅₇(B). При това напреженията на Хол V₄₆(B) и - V₅₇(B) са с противоположен знак, тъй като вертикалните токови компоненти I, и -1 са с противоположни посоки. В магнитно поле В 14 именно тези две компоненти I и - 1₃ генерират върху горната повърхност на подложката 1, в близост до контакти 2 и 3, допълнителни електрически товари. Те са с противоположен знак от двете страни на съответните захранващи контакти 2 и 3. В тези области са разположени Ходовите (изходните) контакти 4 и 6, и съответно 5 и 7. Специфична особеност на двете изходни напрежения е, че присъстващите в тях офсети V₄₆(B = 0) # 0 и V₅₇(B = 0) # 0 са с един и същ знак, в отличие от напреженията на Хол V₄₆(B) и - V₅₇(B). Ролята на секционирания на 6 части дълбок правоъгълен ринг 8, съдържащ контакти 2, 3, 4, 5, 6 и 7 е многостранна, Фигура 2: а) ограничава разтичането по повърхността на подложката 1 на захранващия ток 1_{2 3}; б) отделя и екранира активната сензорна област от останалата част на чипа 1; в) концентрира върху ограничена площ генерираните допълнителни товари от силата на Лоренц F_L при контакти 4 и 6, и 5 и 7, повишавайки така Ходовите напрежения V₄₆(B) и V₅₇(B) и г) подобрява вертикалността на компоненти 1₇ и 1₃ под контакти 2 и 3, увеличавайки така дължината на токовите линии, отговорни за ефекта на Хол в зоните около контакти 2 и 3. Всичко това повишава магниточувствителността на микросензора на Хол.

Неочакваният положителен ефект на новото техническо решение произтича от неговата оригинална конструкция. Постигната е възможността с един и същ захранващ ток 1_{2 3} да се генерират в една и съща сензорна област две отделни, независими и равни по стойност с противоположен знак напрежения на Хол V_{4 6}(В) и - V_{5 7}(В), V_{4 6}(В) = V (В)|. Освен това офсетите V₄₆(0) и V_J7(0) на двата изхода са с един и същ знак и не се отличават съществено по стойност един от друг, тъй като причините, които ги пораждат са локализирани в обща зона (подложката 1). Следователно,

66568 Bl при фиксирана посока на магнитното поле В 14 и ток 1₂₃ = const (или захранващо напрежение V_{2 3} = const) ако двете напрежения V_{4 6} и - V_{5 7} се извадят едно от друго V_ut = [V₄₆(B) - (- V₅₇(B)] + [(V₄₆(0)- V₅₇(0)] = 2V_Hal|(B) + V„(0) изходният ⁵ сигнал 13 на сензора се удвоява, а резултиращият офсет V_ofl(0) се редуцира драстично. Ето защо магниточувствителността на изхода 13 на новия микросензор на Хол е повишена (напрежение ,θ на Хол 2V_Hall(B) е удвоено) като резултиращият офсет V_ofT(0) е съществено минимизиран. В нашия случай температурните дрейфове на двата офсета са твърде близки по стойност, тъй като обуславящите ги процеси произхождат от 15 обща сензорна зона. В резултат на изваждането на стойностите на офсетите, резултиращият температурен дрейф на изхода 13 също се редуцира драстично. Тези положителни ефекти се ₂θ постигат с електронния интерфейс 10, 11 и 12. Двете напрежения V₄₆(B) и - V₅₇(B) се подават на двата измервателни усилвателя 10 и 11, които ги трансформират от диференциални сигнали в монополярни, след което се осъществява суми- 25 райето им със съответния знак от суматора 12. Неговият изход е изходът 13 на микросензора на Хол. Практически цялото генерирано в подложката 1 напрежение на Хол V ₁₍(В) се снема само с четири контакта 4 и 6, и съответно 5 и 7.

Реализацията на микросензора на Хол може да се осъществи с CMOS процеси като преобразувателната област 1 е n-Si джоб. При това подвижността на електроните в п-джоба, 35 отговорна за магниточувствителността е пониска от тази в обема на n-Si подложка 1. Също така усилватели 10 и 11, и суматорът 12 могат да се интегрират върху същия силициев чип 1. Друга технологична алтернатива е хибридната реализация. В този случай елементът на Хол се 4θ формира така, че активната му преобразувателна област да е отворена отдолу към обема на подложката 1. Така стойността на подвижността на електроните е обемната и магниточувствителността е по-висока. 4$

На основата на новия микросензор на Хол е възможно да се реализира двумерен векторен магнитометър, измерващ едновременно и независимо двете равнинни компоненти В_х и В_у на магнитното поле В 14. Достатъчно е единият захранващ контакт, например 3 заедно с прилежащите му изходни контакти 5 и 7 да се формират перпендикулярно на другите три контакта 2, 4 и 6. Така единият изход измерва напрежение V_H(B_x), а другият V_H(B ). Разширяване на приложимостта на микросензора на Хол се постига ако той се охлади в криогенна среда, например при температурата на кипене на течния азот Т= 77 К. Допълнително повишаване на магниточувствителността се постига с формиране на феритни концентратори, увеличаващи плътността на магнитните силови линии в активната сензорна област.

Claims (1)

1. Микросензор на Хол, съдържащ полупроводникова подложка с примесен тип проводимост, върху едната страна на която са формирани на разстояния един от друг правоъгълни омични контакти, разположени успоредно на дългите си страни, повърхностната област, съдържаща всички контакти е оградена с дълбок правоъгълен ринг, типът проводимост на който е противоположен на подложката, токоизточник, а външното магнитно поле е приложено перпендикулярно на напречното сечение на подложката и е успоредно на дългите страни на правоъгълните контакти, характеризиращ се с това, че два от тези контакти (2 и 3) са захранващи, като симетрично и в близост до всеки от тях е разположен по един изходен контакт - външен (4 и 5) и вътрешен (6 и 7) спрямо съответния захранващ контакт (2 и 3), като рингът (8) е секциониран на шест части, в които е разположен по един от омичните контакти (2, 3,4, 5, 6 и 7), а контактите (2 и 3) са свързани с токоизточника (9), при което двойките външен и вътрешен изходен контакт (4 и 6), и съответно (5 и 7) са свързани с входовете на два измервателни усилвателя (10 и 11), изходите на които сасъединени с входа насуматор (12), чийто изход е изходът (13) на микросензора на Хол.