BG66933B1

BG66933B1 - Микросензор на хол

Info

Publication number: BG66933B1
Application number: BG112090A
Authority: BG
Inventors: Чавдар РУМЕНИН; Вълчева Лозанова Сия; Сия ЛОЗАНОВА; Станоев Руменин Чавдар
Original assignee: Институт По Системно Инженерство И Роботика - Бан
Priority date: 2015-09-02
Filing date: 2015-09-02
Publication date: 2019-08-15
Also published as: BG112090A

Abstract

Микросензорът на Хол съдържа токоизточник (1) и две правоъгълни полупроводникови подложки с n-тип примесна проводимост - първа (2) и втора (3), разположени успоредно една спрямо друга. Върху едната страна на първата подложка (2) последователно и на разстояния един от друг са формирани отляво надясно три правоъгълни омични контакти - първи (4), втори (5) и трети (6), като вторият контакт (5) е централен, а първият (4) и третият (6) са симетрични спрямо него. Върху едната страна на втората подложка (3) са формирани отляво надясно пет правоъгълни омични контакти - първи (7), втори (8), трети (9), четвърти (10) и пети (11). Третият контакт (9) е централен, като първият (7) и петият (11), и съответно вторият (8) и четвъртият (10) са симетрични спрямо него. Изводите на токоизточника (1) са съединени с контактите (5 и 9). Контактът (4) е свързан с петия контакт (11), а третият контакт (6) - с контакта (7). Изход (12) са вторият (8) и четвъртият (10) контакти, като измерваното магнитно поле (13) е успоредно на равнините на подложките (2 и 3) и на дългите страни на контактите (4, 5, 6, 7, 8, 9, 10 и 11).

Description

Област на техниката

Изобретението се отнася до микросензор на Хол, приложимо в областта на сензориката, роботиката и роботизираните безпилотни летателни апарати, електромобилите и хибридните превозни средства, микро- и нанотехнологиите, мехатрониката и когнитивните интелигентни системи, енергетиката и енергийната ефективност, безконтактното измерване на ъглови и линейни премествания, контролноизмервателната техника и слабополевата магнитометрия, военното дело и сигурността.

Предшестващо състояние на техниката

Известен е микросензор на Хол, съдържащ токоизточник и две еднакви правоъгълни полупроводникови подложки с п-тип примесна проводимост - първа и втора, разположени успоредно една спрямо друга. Върху едната страна на всяка от подложките последователно и на разстояния един от друг са формирани отляво надясно по пет правоъгълни омични контакти - първи, втори, трети, четвърти и пети. Третите контакти са централни като първите и петите, и съответно вторите и четвъртите са симетрично разположени спрямо тях. Всички първи и пети контакти са свързани помежду си. Вторият контакт от първата подложка е съединен с четвъртия от втората, а четвъртият контакт от първата - с втория контакт от втората подложка. Изводите на токоизточника са свързани с втория и четвъртия контакт от първата подложка. Диференциалният изход на микросензора на Хол са двата централни контакта като измерваното магнитно поле е успоредно както на равнините на подложките, така и на дългите страни на контактите [1, 2, 3].

Недостатък на този микросензор на Хол е понижената му магниточувствителност, тъй като в полупроводниковите подложки се използва само половината от общия ток през съответните захранващи контакти за генериране на еднакви по стойност и противоположни по знак потенциали на Хол върху двата изходни контакта.

Недостатък е също усложнената конструкция на микросензора, съдържащ общо десет омични контакта и множество връзки между тях.

Техническа същност на изобретението

Задача на изобретението е да се създаде микросензор на Хол с висока магниточувствителност и опростена конструкция с редуциран брой контакти и връзки между тях.

Тази задача се решава с микросензор на Хол, съдържащ токоизточник и две правоъгълни полупроводникови подложки с п-тип примесна проводимост - първа и втора, разположени успоредно една спрямо друга. Върху едната страна на първата подложка последователно и на разстояния един от друг са формирани от ляво на дясно три правоъгълни омични контакти - първи, втори и трети като вторият контакт е централен, а първият и третият са симетрични спрямо него. Върху едната страна на втората подложка са формирани от ляво на дясно пет правоъгълни омични контакти - първи, втори, трети, четвърти и пети. Третият контакт е централен като първият и петият, и съответно вторият и четвъртият са симетрични спрямо него. Изводите на токоизточника са съединени с централните контакти. Първият контакт от първата подложка е свързан с петия контакт от втората, а третият контакт от първата - с първия контакт от втората подложка. Диференциалният изход на микросензора на Хол са вторият и четвъртият контакт от втората подложка, като измерваното магнитно поле е успоредно както на равнините на подложките, така и на дългите страни на контактите.

Предимство на изобретението е високата магниточувствителност в резултат на генериране от целия захранващ ток през централния контакт на първата подложка на напрежение на Хол върху първия и третия контакт, което се сумира с напрежението на Хол, получено върху втория и четвъртия изходни контакти от втората подложка.

Предимство е също опростената конструкция на микросензора, съдържащ общо осем, вместо десет омични контакта и две връзки между тях вместо пет.

Предимство е още повишената метрологична точност и резолюция от високото ниво сигнал/шум, поради съществената магниточувствителност на микросензора.

Описания на издадени патенти за изобретения № 09.1/16.09.2019

Пояснение на приложената фигура

По-подробно изобретението се пояснява е едно негово примерно изпълнение, дадено на приложената фигура 1, представляваща напречното му сечение.

Примери за изпълнение на изобретението

Микросензорът на Хол съдържа токоизточник 1 и две правоъгълни полупроводникови подложки е п-тип примесна проводимост - първа 2 и втора 3, разположени успоредно една спрямо друга. Върху едната страна на първата подложка 2 последователно и на разстояния един от друг са формирани отляво надясно три правоъгълни омични контакти - първи 4, втори 5 и трети 6, като вторият контакт 5 е централен, а първият 4 и третият 6 контакт са симетрични спрямо него. Върху едната страна на втората подложка 3 са формирани отляво надясно пет правоъгълни омични контакти - първи 7, втори 8, трети 9, четвърти 10 и пети 11. Третият контакт 9 е централен, като първият 7 и петият 11, и съответно вторият 8 и четвъртият контакт 10 са симетрични спрямо него. Изводите на токоизточника 1 са съединени е централните контакти 5 и 9. Първият контакт 4 от първата подложка 2 е свързан е петия контакт 11 от втората подложка 3, а третият контакт 6 от първата подложка 2 - е първия контакт 7 от втората подложка 3. Диференциалният изход 12 на микросензора на Хол са вторият 8 и четвъртият 10 контакт от втората подложка 3, като измерваното магнитно поле 13 е успоредно както на равнините на подложките 2 и 3, така и на дългите страни на контактите 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10 и 11.

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

При включване на централните контакти 5 и 9 към токоизточника 1, в обема на подложките 2 и 3 протичат по две противоположно насочени токови компоненти - между централните 5 и 9 и крайните захранващи контакти 4 и 6, и съответно 7 и 11 (Фигура 1). Траекториите на тези токове са криволинейни [4]. Дълбочината на проникване на токовите линии при фиксирана концентрация на легиращите донорни примеси N_D в подложките 2 и 3 зависи от съотношението М между ширината I на централните контакти 5 и 9 и разстоянието / между тях и крайните 4 и 6, и съответно 7 и 11 електроди, М = / // Максималната стойност на дълбочината на проникване при N_D « 10¹⁵ cm^-3 съставлява около 40 μηι. В триконтактния елемент на Хол (подложката 2 е контактите 4, 5 и 6) токът I през контакта 5 е подложен на отклоняващото действие на силата на Лоренц F_L като върху крайните електроди 4 и 6 се генерира напрежение на Хол V_{H4 6}(В). Произходът на това напрежение е от вътрешните съпротивления Rg ₇ и R_{9 п} между централния 9 и крайните контакти 7 и 11 (петконтактният елемент на Хол от подложката 3). Съпротивленията R₉₇ и R_{9 п} трансформират в триконтактния сензор измененията на токовете Δ7₄(Β) и АД/В) в поле В 13 в напрежение на Хол V_H46(B). Тъй като съотношението М е оптимизирано да е максимално, сигналът V_{H4 6}(В) е резултат на целия захранващ ток 1₅, а не на една втора от него. В петконтактния равнинно-магниточувствителен преобразувател на Хол, реализиран върху втората подложка 3, напрежението на Хол V_{Hg 10}(В) върху контактите 8 и 10, обаче, се генерира от половината от тока 1₉/2 през контакта 9. Основната причина е, че собствените размери на изходните контакти 8 и 10, разположени между централния 9 и крайните контакти 7 и 11 увеличават общия линеен размер / на този елемент на Хол и съотношението М = Д//₂ е понижено. При това токът/₉ през контакти 9 се разделя определено на две равни компоненти/₇ и/_п, т.е. само една втора от тока /,/2 активно генерира потенциалите на Хол V_Hg(B) и V (В) върху контактите 8 и 10. Такава е ситуацията и в известното решение [1, 2, 3], поради което чувствителността на петконтактните елементи е понижена. В новото решение на Фигура 1, съдържащо интегрирани триконтактен и петконтактен преобразувател на Хол са постигнати следните нови положителни качества. Напрежението на Хол V_{H4 6}(В) върху контактите 4 и 6 се подава върху контактите 7 и 11 на петконтактната структура 3. Така в магнитното поле В ψ 0 13 потенциалите върху контактите 7 и 11 се променят в сравнение със случая В - 0. Напрежението V_{H4 6}(В) въздейства и върху изходните електроди 8 и 10 - техните потенциали също се отместват полярно единият нараства, а другият намалява е една и съща стойност. Освен това в петконтактния елемент от подложката 3 проявата на ефекта на Хол е активна от протичането на двете противоположно насочени компонентии -7 Следователно, Ходовите потенциали върху изходните контакти 8 и 10 нарастват още повече. Двете напрежения на Хол V_H46(B) и V_Hg (В) действат синфазно, т.е. те се сумират като

Описания на издадени патенти за изобретения № 09.1/16.09.2019 магниточувствителността на изхода 11 нараства съществено, V (В) = V_H46(B) + V (В). Новият микросензор съдържа осем, а не десет омични контакти, което опростява конструкцията му, Фигура

1. Връзките между контактите са две, а не пет.

Неочакваният положителен ефект на новото техническо решение се заключава в оригиналната конструкция и нестандартното свързване на контактите 4-11 и 6-7 на двете структури 2 и 3. Освен това захранването може да бъде в режим генератор на ток и генератор на напрежение, разширявайки схемотехническите възможности. Интегрираното действие на триконтактен и петконтактен елемент на Хол, освен че повишава магниточувствителността, но и подобрява отношението сигнал/шум и резолюцията за детектиране на минимална магнитна индукция В^.

Микросензорът на Хол може да се реализира с CMOS, BiCMOS или микромашининг технологии, като преобразувателните зони представляват дълбоки п-тип силициеви джобове 2 и 3. Чрез формиране на дълбоки ограничителни р-тип рингове или на обратно поляризирани р⁺-п ринг-диоди около правоъгълните омични контакти 4, 5, 6 и съответно 7, 8, 9, 10 и 11 се постига по-дълбоко проникване на токовете в обема на подложките 2 и 3, респективно по-ефективно е въздействието на силата на Лоренц F_l върху токовите компоненти. Функционирането на микросензора е в широк температурен интервал, включително при криогенна среда. За още по-висока чувствителност за целите на слабополевата магнитометрия, контратероризма и навигацията, подложките 2 и 3 могат да се разположат между два еднакви концентратора на полето В 13 от ферит или μ-метал.

Claims

1. Микросензор на Хол, съдържащ токоизточник и две правоъгълни полупроводникови подложки с п-тип примесна проводимост - първа и втора, разположени успоредно една спрямо друга, като върху едната страна на подложките са формирани правоъгълни омични контакти, при което върху втората подложка отляво надясно контактите са пет - първи, втори, трети, четвърти и пети, като третият контакт е централен, а първият и петият, и съответно вторият и четвъртият контакт са симетрични спрямо него, а диференциален изход на микросензора са вторият и четвъртият контакт от втората подложка, като измервано магнитно поле е успоредно на равнините на подложките и на дългите страни на контактите, характеризиращ се с това, че върху първата подложка (2) последователно и на разстояния един от друг са формирани отляво надясно три контакта - първи (4), втори (5) и трети (6), като вторият контакт (5) е централен, а първият (4) и третият (6) контакт са симетрични спрямо него, а изводите на токоизточника (1) са съединени с двата централни контакта (5 и 9), като първият контакт (4) от първата подложка (2) е свързан с петия контакт (11) от втората подложка (3), а третият контакт (6) от първата подложка (2) - с първия контакт (7) от втората подложка (3).