BG67038B1 - Равнинно-магниточувствителна микросистема на хол - Google Patents

Abstract

Равнинно-магниточувствителната микросистема на Хол съдържа три полупроводникови подложки с n-тип проводимост - от ляво на дясно първа (1), втора (2) и трета (3), разположени успоредно една спрямо друга и токоизточник (4). Върху едната страна на всяка от тях последователно и на разстояния един от друг са формирани от ляво на дясно по три правоъгълни омични контакти - първи (5), (6) и (7), втори (8), (9) и (10), и трети (11), (12) и (13), като вторите контакти (8), (9) и (10) са централни, а първите (5), (6) и (7) и третите (11), (12) и (13) са симетрични спрямо тях. Единият извод на токоизточника (4) е съединен с централния контакт (8) от първата подложка (1), а другият - със средната точка на нискоомен тример (14), крайните изводи на който са свързани с контакта (12) и контакта (7). Контактът (6) е съединен с контакта (11), а контактът (5) - с контакта (13). Диференциалният изход (15) на микросистемата на Хол са вторите контакти (9) и (10) от втората (2) и третата (3) подложка, като измерваното магнитно поле (16) е успоредно както на равнините на подложките (1), (2) и (3), така и на дългите страни на контактите (5), (6), (7), (8), (9), (10), (11), (12) и (13).

Description

Област на техниката

Изобретението се отнася до равнинно-магниточувствителна микросистема на Хол, приложимо в областта на сензориката, характеризирането на полупроводникови пластини за целите на микроелектрониката, микро- и нанотехнологиите, роботиката и мехатрониката, безпилотните летателни апарати, електромобилите и хибридните превозни средства, когнитивните интелигентни системи, биомедицинските изследвания и роботизираната хирургия, енергетиката и енергийната ефективност, безконтактното измерване на ъглови и линейни премествания, контролно-измервателната техника и слабополевата магнигометрия, военното дело и сигурността.

Предшестващо състояние на техниката

Известна е равнинно-магниточувствителна микросистема на Хол, съдържаща две еднакви полупроводникови подложки с п-тип примесна проводимост - първа и втора, разположени успоредно една спрямо друга и токоизточник. 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. Подложките с контактите образуват микросистема с два равнинно-магниточувствителни петконтактни сензора на Хол. 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 микросистемата на Хол са двата централни контакта като измерваното магнитно поле е успоредно както на равнините на подложките, така и на дългите страни на контактите [1-4].

Недостатък на тази равнинно-магниточувствителна микросистема на Хол е понижената й магниточувствителност, тъй като в полупроводниковите подложки на двата микросензора се използва само половината от общия ток през съответните захранващи контакти.

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

Техническа същност на изобретението

Задача на изобретението е да се създаде равнинно-магниточувствителна микросистема на Хол с висока магниточувствителност и опростена конструкция - по-малък брой контакти и връзки между тях.

Тази задача се решава с равнинно-магниточувствителна микросистема на Хол, съдържаща три полупроводникови подложки с п-тип примесна проводимост - отляво надясно първа, втора и трета, разположени успоредно една спрямо друга и токоизточник. Върху едната страна на всяка от подложките последователно и на разстояния един от друг са формирани отляво надясно по три правоъгълни омични контакти - първи, втори и трети, като вторите контакти са централни, а първите и третите са съответно симетрични спрямо тях. Единият извод на токоизточника е съединен с централния контакт от първата подложка, а другият - със средната точка на нискоомен тример, крайните изводи на който са свързани съответно с третия контакт от втората и първия контакт от третата подложка. Първият контакт от първата подложка е съединен с третия контакт от третата подложка, а третият контакт от първата - с първия контакт от втората подложка. Диференциалният изход на микросистемата на Хол са вторите контакти от втората и третата подложка като измерваното магнитно поле е успоредно на равнините на подложките и на дългите страни на контактите.

Предимство на изобретението е повишената два пъти магниточувствителност в резултат от сумирането на изхода на микросистемата на Холовото напрежение, генерирано от сензорите от втората и третата подложка с цялото напрежение на Хол от сензора от първата подложка.

Предимство е също опростената конструкция на микросистемата, съдържаща общо девет, вместо десет омични контакта и само три, вместо шест връзки между тях.

Предимство е и възможността за пълно компенсиране на паразитното напрежение на несиметрия

Описания на издадени патенти за изобретения № 05.1/15.05.2020 на изхода в отсъствие на магнитно поле (офсет) с помощта на нискоомния тример.

Предимство е още повишената метрологична точност и резолюцията при измерване на минималната магнитна индукция в резултат на високото ниво сигнал/шум, поради съществената магниточувствителност и компенсирания чрез тримера паразитен офсет на изхода.

Пояснение на приложената фигура

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

Примери за изпълнение на изобретението

Равнинно-магниточувствителната микросистема на Хол съдържа три полупроводникови подложки с п-тип примесна проводимост - отляво надясно първа 1, втора 2 и трета 3, разположени успоредно една спрямо друга и токоизточник 4. Върху едната страна на всяка от подложките 1,2 и 3 последователно и на разстояния един от друг са формирани отляво надясно по три правоъгълни омични контакти - първи 5, 6 и 7, втори 8, 9 и 10, и трети 11, 12 и 13, като вторите контакти 8, 9 и 10 са централни, а първите 5, 6 и 7 и третите 11, 12и13са съответно симетрични спрямо тях. Единият извод на то ко източника 4 е съединен с централния контакт 8 от първата подложка 1, а другият - със средната точка на нискоомен тример 14, крайните изводи на който са свързани съответно с третия контакт 12 от втората 2 и първият контакт 7 от третата подложка 3. Първият контакт 5 от първата подложка 1 е съединен с третия контакт 13 от третата подложка 3, а третият контакт 11 от първата 1 - с първия контакт 6 от втората подложка

2. Диференциалният изход 15 на микросистемата на Хол са вторите контакти 9 и 10 от втората 2 и третата 3 подложка, като измерваното магнитно поле 16 е успоредно на равнините на подложките 1, 2 и 3, и на дългите страни на контактите 5, 6, 7, 8, 9 10, 11, 12 и 13.

Действието на равнинно-магниточувствителната микросистема на Хол, съгласно изобретението, е следното.

При включване на централния контакт 8 към единия извод на токоизточника 4, а другият извод към тримера 14 и контактите 7 и 12, в обемите на трите подложки 1, 2 и 3 протичат токовете I 1₁₂₆и I В подложка 1 поради структурната симетрия токът I_g от контакт 8 се разделя на две равни и срещуположно насочени компоненти I_g = I + |-I |, I = |-1 |, Фигура 1. В резултат на оригиналното свързване на съответните планарни контакти Пи 6,5и13,в подложки 2 и 3 протичат противоположно насочени токови компоненти 1₆ и -I Траекториите на електроните и в трите подложки 1, 2 и 3 са криволинейни, тъй като в отсъствие на магнитно поле В 16 планарните омични контакти 5, 8, 11, 6, 12, 7 и 13, през които протичат токовете са еквипотенциални равнини. През тези контакти токовите линии първоначално са насочени вертикално към обема на подложките 1, 2 и 3, след което променят посоката си и в определен участък са успоредни на горните равнини на подложките 1,2 и 3. Най-общо дълбочината на проникване w на токовите линии при фиксирана концентрация на легиращата донорна примес N_d в п-тип подложките 1, 2 и 3 зависи от съотношението М между ширината I на контакти 8, 11,6, 12, 7 и 13, и разстоянията/₂ между тях, М = /у/₂, [4-6]. Максималната дълбочина w при най-често използваната в микроелектрониката концентрация на легиращи донорни примеси N_D~ 10¹⁵ спг³ в Si съставлява около w ~ 30 - 40 pm. Подложки 2 и 3 с контакти 6,9, 12 и съответно 7,10 и 13 представляват по същество разсредоточен в тези подложки 2 и 3 петконтактен микросензор на Хол, в който два от контактите 12 и 7 по предназначение са еквивалентни и функционират като един. Същевременно подложка 1 с контакти 5, 8 и 11 представлява добре известният триконтактен микросензор на Хол, познат в литературата още като микросензор на Руменин, [4-6]. Неговите товарни резистори, които обикновено се включват в крайните електроди 5 и 11, в случая са вътрешните съпротивления R₆₁₂ и R_? на разсредоточения петконтактен микросензор на Хол. Тези резистори R₆ и R_? обуславят на сензора на Хол от подложка 1 работен режим генератор на ток. Съпротивления R_6|2 и R₇₁₃ са с еднаква стойност поради структурната симетрия в разположението на контакти 6, 12 и 7, 13 в структурите 2 и 3. Обикновено на диференциалния изход 15, формиран от средните контакти 9 и 10, в отсъствие на външно магнитно поле В 16, присъства несвързано с магнитната индукция В 16 паразитно напрежение или офсет. Неговата компенсация (нулиране) се осъществява чрез изменение на стойността на ниско

Описания на издадени патенти за изобретения № 05.1/15.05.2020 омния тример г 14, Фигура 1. Такава възможност отсъства в известното решение.

При наличие на външно магнитно поле В 16 в триконтактния микросензор на Хол (подложка 1 с контакти 5, 8 и 11) токът I_g през контакт 8 е подложен на отклоняващото странично действие на силата на Лоренц F_L като върху крайните електроди 5 и 11 се генерира напрежение на Хол V_{H5 П}(В). Произходът му е в резултат на избраното свързване на подложки 2 и 3 с подложка 1, т.е. от съпротивленията R₆ и R_{7 |?} на разсредоточения в подложки 2 и 3 петконтактен микросензор на Хол. Тези съпротивления трансформират измененията на токовете ΔΙ₅(Β) и ΔΙ_Π(Β) в поле В 16 в напрежение на Хол V_{H5 П}(В). Тъй като съотношението М е оптимизирано да е максимално, то и сигналът V_{H5 П}(В) е максимален и се генерира от целия захранващ ток I_g, а не от негова част. В двата триконтактни микросензора на Хол, реализирани на подложки 2 и 3 потенциалите на Хол V_H9(B) върху контакт 9 и - V (В) върху контакт 10 са равни по стойност и са с противоположен знак V_H9(B) = |-V_H10(B)|. Потенциалите V_H5(B) и V_H11(B) чрез схемното решение от Фигура 1 променят полярно потенциалите на двете подложки 2 и 3 - например, на едната нараства, а на другата намалява с една и съща стойност. По този начин напрежението V (В), което е равно по стойност на Холовото напрежение V_H910(B) от подложки 2 и 3, се добавя към изходния сигнал V_H910 = V_out(B) 15 на микросистемата. Следователно изходното диференциално напрежение V (В) 15 е удвоено, т.е. магниточувствителността на равнинно-магниточувствителната микросистема на Хол е двойно по-висока в сравнение с известното решение. Освен това тя съдържа девет контакта, вместо десет, а връзките са само три.

Неочакваният положителен ефект на новото техническо решение се заключава в оригиналната конструкция и нестандартното свързване на контактите 5-13,11-6и12-7на трите структури 1, 2 и

3. Чрез триконтактния сензор на Хол (подложка 1 с контакти 5, 8 и 11), който е функционално интегриран в микросистемата, магниточувствителността нараства двойно. Решението дава възможност за пълно компенсиране на паразитния офсет и подобрява отношението сигнал/шум. Едновременно с това се повишава резолюцията за детектиране на минималната магнитна индукция 16.

Микросистемата на Хол се реализира с CMOS, BiCMOS или микромашининг микроелектронни технологии като трите преобразувателни зони 1,2 и 3 представляват дълбоки п-тип силициеви джобове с дълбочина около 7 рш. Омичните контакти 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12 и 13 са силно легирани п⁺области, формирани с епитаксия и дълбочина около 1 рш. Микросистемата на Хол може да функционира в широк температурен интервал, включително при криогенна среда, което драстично повишава чувствителността. За още по-висока преобразувателна ефективност за целите на слабополевата магнитометрия, контратероризма и навигацията, подложките (п-тип силициевите джобове) 1, 2 и 3 могат да се разположат между два еднакви концентратора на полето В 16 от ферит или р-метал. На основата на новото сензорно решение може да се изграждат 2D и 3D магнитометри.

Claims (1)

1. Патентни претенции

   1. Равнинно-магниточувствителна микросистема на Хол, съдържаща полупроводникови подложки с п-тип примесна проводимост, разположени успоредно една спрямо друга и токоизточник, като върху едната страна на всяка от подложките последователно и на разстояния един от друг са формирани отляво надясно по еднакъв брой правоъгълни омични контакти - по един централен, и останалите симетрично разположени спрямо тях, а измерваното магнитно поле е успоредно на равнините на подложките и на дългите страни на контактите, характеризираща се с това, че подложките са три - отляво надясно първа (1) , втора (2) и трета (3), като върху всяка от тях има по три контакта - първи (5, 6 и 7), втори (8,9 и 10), и трети (11, 12 и 13), като вторите контакти (8, 9 и 10) са централните, а първите (5, 6 и 7) и третите контакти (11,12и13)са съответно симетрични спрямо тях, а единият извод на то ко източника (4) е съединен с централния контакт (8) от първата подложка (1), а другият - със средната точка на нискоомен тример (14), крайните изводи на който са свързани съответно с третия контакт (12) от втората подложка (2) и първия контакт (7) от третата подложка (3), като първият контакт (5) от първата подложка (1) с съединен с третия контакт (13) от третата подложка (3), а третият контакт (11) от първата подложка (1) - с първия контакт (6) от втората подложка (2), като диференциалният изход (15) на микросистемата на Хол са вторите контакти (9 и 10) от втората (2) и третата (3) подложка.