BG66804B1 - Равнинно-магниточувствително устройство на хол - Google Patents

Abstract

Равнинно-магниточувствителното устройство на Хол съдържа три еднакви равнинно-магниточувствителни сензори на Хол - първи (1), втори (2) и трети (3), състоящи се от n-тип полупроводникова подложка (4, 5 и 6), като върху едната страна на всяка от подложките (4, 5 и 6) са формирани отляво надясно последователно и на равни разстояния един от друг три правоъгълни омични контакта - първи (7, 8 и 9), втори (10, 11 и 12) и трети (13, 14 и 15), разположени успоредно на дългите си страни, като вторите контакти (10, 11 и 12) са централни и спрямо тях симетрично от двете им дълги страни са разположени останалите двойки контакти (7 и 13), (8 и 14), (9 и 15). Контактът (11) на сензора (2) е съединен с единия извод на токоизточник (16). Контактът (8) на сензора (2) е свързан с контакта (7) на сензора (1), контактът (14) на сензора (2) е съединен с контакта (15) на сензора (3), а контактът (13) на сензора (1) е свързан с контакта (9) на сензора (3) и с другия извод на токоизточника (16). Контактът (10) на сензора (1) и контактът (12) на сензора (3) са свързани с входа на първи измервателен усилвател (17), а първият (8) и третият контакт (14) на сензора (2) са съединени с входа на втори измервателен усилвател (18). Контактът (10) на сензора (1) и контактът (8) на сензора (2) са съединени едновременно само с неинвертиращите или съответно само с инвертиращите входове на усилвателите (17 и 18). Изходите на усилвателите (17 и 18) са свързани с входа на диференциален усилвател (19), чийто изход е изход (20) на устройството на Хол. Магнитното поле (21) е успоредно на дългите страни на контактите (7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14 и 15).

Description

(54) РАВНИННО-МАГНИТОЧУВСТВИТЕЛНО УСТРОЙСТВО НА ХОЛ

Област на техниката

Изобретението се отнася до равнинно-магниточувствително устройство на Хол, приложимо в областта на безконтактното измерване на ъглови и линейни премествания, позиционирането на обекти в равнината и пространството, роботиката и мехатрониката, когнитивните системи и автоматиката, електромобилостроенето, биомедицинските изследвания, енергетиката, контролно-измервателната технология и слабополевата магнитометрия, военното дело и сигурността, и др.

Предшестващо състояние на техниката

Известно е равнинно-магниточувствително устройство на Хол, съдържащо един равнинно-магниточувствителен сензор на Хол, два еднакви по стойност товарни резистора и токоизточник. Сензорът на Хол се състои от полупроводникова подложка с п-тип примесна проводимост, върху едната страна на която са формирани на равни разстояния един от друг последователно три правоъгълни омични контакти - първи, втори и трети, разположени успоредно на дългите си страни, като вторият е централен и спрямо него симетрично от двете му дълги страни са разположени останалите два контакта. Първият и третият контакт през товарните 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, а първият и третият контакт са изходът на устройството на Хол [1,2,3].

Недостатък на това равнинно-магниточувствително устройство на Хол е ограничената му чувствителност (преобразувателна ефективност), поради използване на резистори в изхода, които са пасивни компоненти и обуславят при фиксиран захранващ ток само едно напрежение на Хол.

Недостатък е също наличието на паразитно изходно напрежение в отсъствие на магнитно поле (офсет) в резултат от електрическа асиметрия, породена от геометрична асиметрия в разположението на първия и третия контакт спрямо централния, неминуеми технологични несъвършенства, механични напрежения най-често от корпусирането на чипа и др.

Техническа същност на изобретението

Задача на изобретението е да се създаде равнинно-магниточувствително устройство на Хол с повишена чувствителност и компенсиран офсет.

Тази задача е решена с равнинно-магниточувствително устройство на Хол, съдържащо три еднакви равнинно-магниточувствителни сензори на Хол - първи, втори и трети, състоящи се от полупроводникова подложка с п-тип примесна проводимост; като върху едната страна на всяка от подложките са формирани отляво надясно последователно и на равни разстояния един от друг три правоъгълни омични контакти - първи, втори и трети, разположени успоредно на дългите си страни, като вторите контакти са централни и спрямо тях симетрично от двете им дълги страни са разположени останалите двойки контакти. Централният контакт на втория сензор на Хол е съединен с единия извод на токоизточник. Първият контакт на втория сензор е свързан с първия контакт на първия сензор, третият контакт на втория сензор е съединен с третия контакт на третия сензор, а третият контакт на първия сензор е свързан с първия контакт на третия сензор и с другия извод на токоизточника. Централният контакт на първия сензор и централният контакт на третия сензор са свързани с входа на първи измервателен усилвател, а първият и третият контакт на втория сензор са съединени с входа на втори измервателен усилвател. Централният контакт на първия сензор и първият контакт на втория сензор са съединени едновременно само с неинвертиращите или съответно само с инвертиращите входове на двата измервателни усилвателя. Изходите на тези усилватели са свързани с входа на диференциален усилвател, чийто изход е изходът на устройството на Хол, като измерваното магнитно поле е успоредно както на равнините на подложките, така и на дългите страни на правоъгълните контакти.

Предимство на изобретението е повишената магниточувствителност в резултат на изваждане чрез диференциалния усилвател при фиксиран захранващ ток на две напрежения на Хол с противоположен знак.

Описания на издадени патенти за изобретения № 01.2/31.01.2019

Предимство е също възможността за максимално редуциране или пълно компенсиране (нулиране) на паразитното изходно напрежение на устройството на Хол (офсетът) чрез изваждане с диференциалния усилвател на изходните сигнали от измервателните усилватели, съдържащи индивидуалните офсети на сензорите на Хол, които са почти равни и са с един и същ знак.

Предимство е още повишената измервателна точност в резултат на компенсирането на паразитния офсет.

Предимство е и пълната технологична съвместимост на трите сензори на Хол и операционните усилватели с планарните силициеви технологии, използвани в производството на интегрални схеми в микроелектрониката, което позволява едновременната им реализация върху общ силициев чип, включително и с допълнителната интерфейсна електроника, обработваща изходния сигнал на устройството.

Пояснение на приложената фигура

По-подробно изобретението се пояснява с едно негово примерно изпълнение, дадено на приложената фигура 1.

Примери за изпълнение на изобретението

Равнинно-магниточувствителното устройство на Хол съдържа три еднакви равнинно-магниточувствителни сензори на Хол - първи 1, втори 2 и трети 3, всеки от които се състои от полупроводникова подложка 4, 5 и 6 с п-тип примесна проводимост, като върху едната страна на всяка от подложките 4, 5 и 6 са формирани отляво надясно последователно и на равни разстояния един от друг три правоъгълни омични контакти - първи 7, 8 и 9, втори 10, 11и12и трети 13, 14 и 15, разположени успоредно на дългите си страни. Вторите контакти 10, 11 и 12 са централни и спрямо тях симетрично от двете им дълги страни са разположени съответно останалите двойки контакти 7 и 13, 8 и 14, 9 и 15. Централният контакт 11 на втория сензор 2 е съединен с единия извод на токоизточник 16. Първият контакт 8 на втория сензор 2 е свързан с първия контакт 7 на първия сензор 1, третият контакт 14 на втория сензор 2 е съединен с третия контакт 15 на третия сензор 3, а третият контакт 13 на първия сензор 1 е свързан с първия контакт 9 на третия сензор 3 и с другия извод на токоизточника 16. Централният контакт 10 на първия сензор 1 и централният контакт 12 на третия сензор 3 са свързани с входа на първи измервателен усилвател 17, а първият 8 и третият контакт 14 на втория сензор 2 са съединени с входа на втори измервателен усилвател 18. Централният контакт 10 на първия сензор 1 и първият контакт 8 на втория сензор 2 са съединени едновременно само с неинвертиращите или съответно само с инвертиращите входове на двата измервателни усилвателя 17 и 18. Изходите на тези усилватели 17 и 18 са свързани с входа на диференциален усилвател 19, чийго изход е изходът 20 на устройството на Хол, като измерваното магнитно поле 21 е успоредно както на равнините на подложките 4, 5 и 6, така и на дългите страни на правоъгълните контакти 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14 и 15.

Действието на равнинно-магниточувствителното устройство на Хол, съгласно изобретението, е следното. Областта отп-полупроводниковата подложка 4 между контакти 7 и 13 на първия сензор 1, същата област от третия сензор 3 между контакти 9 и 15, както и зоните между контакти 11 и 8, исъответно 11 и 14 на втория сензор 2 представляват по същество резистори R_n R_? R_n и R_{15 д}. За тях са в сила съотношенията R_n = R_n < R_? = R_{15 g}. При това двойките резистори R_n и R_? и съответно R_n и R_{15 д} са свързани последователно, те. R_{n g} + 1Ц₁₃ = R_{int 3} и R_{n 14} + R_{15 д} = R_int2. Същевременно сумарните резистори R и R са включени паралелно към токоизточника 16. В резултат протичат две равни токови компоненти I и съответно I _д. Предвид съотношенията между резисторите R = R < R₇₁₃ = R_{15 д} режимът на функциониране на трите сензора 1, 2 и 3 е генератор на ток, I_s = 1_{п 8 713} + 1ц 1415 ₉ ⁼ const. Както се вижда от Фигура 1, схемотехниката на сензора на Хол 2 от известното решение [1-3] е съществено изменена. Товарните резистори, които са пасивни елементи в новото предложение са премахнати и са заменени с активни по своето действие сензори на Хол 1 и 3. Функционирането им се определя от същия захранващ ток I ₇ и I _д, управляващ сензора 2. В това се заключава първата проява на неочаквания положителен ефект на новото техническо решение. Протичането на токовите компоненти I_{n g 713} и 1_{п 1415 д} през двете подложки 4 и 6 е с резистивна природа, те. при равенства R₇₁₃ = R_{15 д} и R_n = R_n в отсъствие на магнитно поле В 21 на изхода V_g (В = 0) на сензора 2 следва да

Описания на издадени патенти за изобретения № 01.2/31.01.2019 отсъства паразитно напрежение (офсет), V_g (В = 0) = 0. В отличие от този идеализиран случай при геометрична асиметрия, технологични несъвършенства, механични напрежения и т.н., възникнали при реализацията на сензорите 1, 2 и 3 винаги на този изход V_{g 14} съществува офсет V_{g 14}(В = 0) / 0. По причина на планарността на всички правоъгълни омични контакти 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14 и 15, които при поле В = 0 представляват еквипотенциални равнини, токовите траектории първоначално са насочени вертикално надолу в обема на подложките 4, 5 и 6, след това стават успоредни на горната повърхност на структурите и накрая отново стават перпендикулярни на съответните горни повърхности. Следователно, токовите линии в тези равнинно-магниточувствителни сензори на Хол са криволинейни. Съгласно схемата на включване на първия и третия сензор 1 и 3, Фигура 1, посоките на равните по стойност захранващи токове в тях са противоположно насочени. Предвид тази огледална симетрия на двата конструктивно еднакви преобразуватели 1 и 3, те могат де се разглеждат като функционално обединени в действието си. Това означава, че на диференциалния изход V₁₀₁₂, формиран от контакти 10 и 12 на двата сензора 1 и 3, при отсъствие на магнитно поле В = 0 в идеалния случай също отсъства офсет, V ₁₂(В = 0) = 0. Но и тук в резултат на геометрична асиметрия, технологични несъвършенства, механични напрежения и т.н. на изхода V₁₀ винаги присъства офсет V₁₀₁₂(В = 0) / 0. Отчитайки факта, че и трите сензора на Хол 1, 2 и 3 са еднакви като геометрия и конструкция, и се реализират в единен цикъл чрез едни и същи с изключително високо качество процеси на силициевата интегрална технология означава, че офсетите на изходите V_{g 14}(В = 0) / (I и V₁₀₁₂(В = ())#() следва да са с един и същ знак и почти с една и съща стойност. В това се заключава втората проява на неочаквания положителен ефект на новото техническо решение.

При поставяне на планарно-магниточувствителното устройство на Хол в магнитно поле В 21, протичат следните галваномагнитни процеси. Например, ако полярността на извода на токоизточника 16, с който е съединен контактът lie отрицателен и магнитно поле В 21 с указаната на Фигура 1 посока, чрез съответните сили на Лоренц F_L = qV_di х В траекториите на движещите се в обемите на подложките 4, 5 и 6 електрони със средна дрейфова V_d| скорост се изменят както следва. В подложката 4 токовите линии 1₇ се удължават навътре в обема и върху повърхността в зоната с контакта 10 се генерират от ефекта на Хол допълнителни положителни товари като потенциалът там става положителен. В подложката 2 токова компонента I се „свива” в посока към горната повърхност, увеличавайки отрицателния потенциал върху контакта 8, докато в другата част на този сензор 2 компонента I се удължава навътре в обема и потенциалът върху контакта 14 става по-малко отрицателен, т.е. приема се, че е положителен. В подложката 6 токовите линии 1_{15 9} се „свиват” в посока към горната повърхност и в зоната с контакта 12 се генерират от ефекта на Хол допълнителни отрицателни товари и потенциалът там става отрицателен. В резултат на избраната конструкция на сензорите 1 и 3, върху контактите 10 и 12 се генерира половината от развиващите се пълни напрежения на Хол в подложките 4 и 6. Използваната, обаче, в новото решение схема с диференциален изход V₁₀₁₂ сумира двете половини от регистрираните напрежения на Хол върху контактите 10 и 12. Същевременно диференциалните изходи V_{g 14}(В) и V₁₀₁₂(В) напълно компенсират квадратичното магнитосъпротивление MR —В², влошаващо метрологията на устройството на Хол. Следователно, оригиналното свързване на трите сензора 1, 2 и 3 осъществява генериране на две напрежения на Хол V_{g 14}(В) и V₁₀₁₂(В), които са с една и съща стойност V_{g 14}(В) = V₁₀₁₂(В), но са с противоположен знак V_{g 14}(В) = | - V ₁₂(В) |. Това е третата проява на неочаквания положителен ефект на новото техническо решение.

Тъй като в общия случай напрежението на Хол е неотличимо от паразитния офсет [2,3], чрез решението от Фигура 1 се екстрахира чистата метрологична Холова компонента от общия сигнал, а паразитният офсет се редуцира драстично. Това се постига със свързване на контактите 10 и 12, и 8 и 14 с входовете на двата измервателни усилвателя 17 и 18. Така се осъществява подходяща прецизна калибровка и обработка на сигналите V_{g 14}(В) и V ₁₂(В). Действието на схемата не се влияе дали изходите на сензорите 1 и 2 се свързват едновременно с инвертиращите, или съответно с неинвертиращите входове на усилвателите 17 и 18. На Фигура 1 е показана една от двете възможности на свързване. Информацията за стойността и знака на измерваното магнитно поле В 21 се получава на изхода 20 на диференциалния усилвател 19. Преди това изходните напрежения на усилвателите 17 и 18, които са

Описания на издадени патенти за изобретения № 01.2/31.01.2019 с противоположен знак и съдържат почти равни, но с един и същ знак паразитни офсети се изваждат с усилвателя 19. В резултат изходното напрежение V₂₀(B) 20 на устройството на Хол е удвоено, а остатъчният офсет е практически компенсиран. Тъй като трите сензора на Хол се реализират в единен технологичен цикъл и са практически с едни и същи характеристики, температурните дрейфове на двата офсета в напреженията V_{g 14}(В,Т) и V ₁₂(В,Т) са перфектно съгласувани и постигнатият компенсиран офсет и удвоена (повишената) магниточувствителност се запазват в широк температурен диапазон. Освен тези две предимства, новото решение предоставя повишена измервателна точност от компенсирания и температурно стабилизиран офсет.

Реализацията на новото устройство с равнинна чувствителност може да се осъществи с отделните сензори на Хол 1, 2 и 3 и операционните усилватели 17, 18 и 19, свързани съгласно схемата от Фигура 1. По-добри характеристики и перформанс на устройството може да се постигнат на основата на силициевите интегрални процеси CMOS или BiCMOS, използвайки като подложките 4, 5 и 6 п-тип „джобове”, формирани в p-Si. Омичните контакти 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14 и 15 се осъществяват например с йонна имплантация и са силно легирани п⁺-области в n-Si „джобове”. Силициевите планарни технологии позволяват едновременното формиране на сензорите на Хол 1,2 и 3 върху общ чип заедно с усилвателите 17,18и19и интерфейсната електроника за обработка и нормиране на изходния сигнал 20. В такова изпълнение новото устройство представлява интегрална схема.

В случай, че първоначалните офсети на двата диференциални изхода V_{g 14}(В) и V₁₀₁₂(В) са с различен знак, това може да се коригира с включване на нискоомен тример г, крайните изводи на който са съединени с контактите 9 и 13, а средната му точка - със съответния извод на токоизточника 16. Така се постига нужната настройка на офсетите, за да са с един и същ знак. Ако вътрешните съпротивления R. на сензорите 1 и 3 са относително ниски, което ограничава да се развият високи стойности на изходно напрежение V_{g 14}(В) на сензора 2, може да се включат допълнително еднакви по стойност резистори, например към контактите 8 и 14. Съгласно концепцията за напълно симетричен равнинномагниточувствителен сензор на Хол, удобен за динамична компенсация на офсета чрез спининг на захранващия ток може да се използва схема, съдържаща четири еднакви триконтактни сензори, както тези от Фигура 1, свързани последователно чрез крайните си контакти.

Claims (1)

1. Патентни претенции

   1. Равнинно-магниточувствително устройство на Хол, съдържащо равнинно-магниточувствителен сензор на Хол, състоящ се от полупроводникова подложка с п-тип примесна проводимост, като върху едната й страна са формирани отляво надясно последователно на равни разстояния един от друг три правоъгълни омични контакта - първи, втори и трети, разположени успоредно на дългите си страни, като вторият контакт е централен и спрямо него симетрично от двете му дълги страни са разположени първият и третият контакт, като също така има токоизточник, а измервано магнитно поле е успоредно на дългите страни на омичните контакти, характеризиращо се с това, че има още два други сензора на Хол - втори (2) и трети (3), еднакви с равнинно-магниточувствителния сензор на Хол (1), като единият извод на токоизточника (16) е съединен с централен контакт (11) на сензора (2), а първият контакт (8) на сензора (2) е свързан с първия контакт (7) на сензора (1), третият контакт (14) на сензора (2) е съединен с третия контакт (15) на сензора (3), а третият контакт (13) на сензора (1) е свързан с първия контакт (9) на сензора (3) ис другия извод на токоизточника (16), като централни контакти (10 и 12) на сензорите (1 и 3) са свързани с входа на първи измервателен усилвател (17), а първият (8) и третият (14) контакт на сензора (2) са съединени с входа на втори измервателен усилвател (18), като централният контакт (10) на сензора (1) и първият контакт (8) на сензора (2) са свързани едновременно само с неинвертиращи или съответно само с инвертиращи входове на усилвателите (17 и 18), изходите на които са съединени с входа на диференциален усилвател (19), чийто изход е изход (20) на устройството на Хол.