BG67134B1 - Микросензор на хол - Google Patents

Abstract

Микросензорът на Хол съдържа токоизточник (1) и две еднакви правоъгълни полупроводникови подложки с n-тип проводимост - първа (2) и втора (3), разположени успоредно една спрямо друга. Върху едната страна на всяка от тях последователно и на разстояния един от друг са формирани от ляво на дясно по четири правоъгълни омични контакта - първи (4) и (5), втори (6) и (7), трети (8) и (9) и четвърти (10) и (11). Единият извод на токоизточника (1) е съединен с втория контакт (6) на първата подложка (2) и с третия контакт (9) на втората (3), а другият извод - с четвъртия контакт (10) на първата подложка (2) и първия контакт (5) на втората подложка (3). Първият контакт (4) на първата подложка (2) е съединен с четвъртия контакт (11) на втората подложка (3). Измерваното магнитно поле (12) 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), като диференциален изход (13) на микросензора са контактите (7) и (8).

Description

Област на техниката

Изобретението се отнася до микросензор на Хол, приложимо в областта на роботиката и мехатрониката, когнитивните интелигентни системи, безконтактната автоматика и безконтактното измерване на ъглови и линейни премествания, позиционирането на обекти в равнината и пространството, биомедицината, включително за целите на геномиката, контролно-измервателната техника и слабополевата магнитометрия, енергетиката, военното дело и контратероризма, микро- и нанотехнологиите, автомобилостроенето и др.

Предшестващо състояние на техниката

Известен е микросензор на Хол, съдържащ токоизточник и две еднакви правоъгълни полупроводникови подложки с п-тип 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 на двете подложки 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. Измерваното магнитно поле е успоредно както на равнините на подложките, така и на дългите страни на контактите като диференциалният изход на микросензора са двата централни контакта, [1-4].

Недостатък на този микросензор на Хол е понижената магниточувствителност, тъй като в полупроводниковите подложки захранващият ток се разделя на по две еднакви и противоположно насочени компоненти, което води до използване само на половината от общия ток за генериране на изходното напрежение на Хол.

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

Техническа същност на изобретението

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

Тази задача се решава с микросензор на Хол, съдържащ токоизточник и две еднакви правоъгълни полупроводникови подложки с п-тип 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 от ляво на дясно по четири правоъгълни омични контакти - първи, втори, трети и четвърти. Единият извод на токоизточника е съединен с втория контакт на първата подложка и с третия контакт на втората подложка, а другият извод - с четвъртия контакт на първата подложка и първия контакт на втората подложка. Първият контакт на първата подложка е съединен с четвъртия контакт на втората. Измерваното магнитно поле е успоредно както на равнините на подложките, така и на дългите страни на контактите като диференциалният изход на микросензора на Хол са третият контакт на първата подложка и вторият контакт на втората.

Предимство на изобретението е високата магниточувствителност в резултат на генериране от захранващите токове през подложките на две напрежения на Хол, които чрез схемата на свързване се сумират.

Предимство е също опростената конструкция на микросензора, съдържащ общо осем, вместо десет омични контакти и само една връзка между тях, вместо пет както е в известното решение.

Предимство е още повишената метрологична точност и резолюция от високото ниво сигнал/шум, в резултат на високата магниточувствителност.

Пояснение на приложената фигура

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

Описания на издадени патенти за изобретения

Примери за изпълнение на изобретението № 09.2/30.09.2020

Микросензорът на Хол съдържа токоизточник 1 и две еднакви правоъгълни полупроводникови подложки с п-тип проводимост - първа 2 и втора 3, разположени успоредно една спрямо друга. Върху едната страна на всяка от подложките 2 и 3 последователно и на разстояния един от друг са формирани отляво надясно по четири правоъгълни омични контакти - първи 4 и 5, втори 6 и 7, трети 8 и 9, и четвърти 10 и 11. Единият извод на токоизточника 1 е съединен с втория контакт 6 на първата подложка 2 и с третия контакт 9 на втората подложка 3, а другият извод - с четвъртия контакт 10 на първата подложка 2 и първия контакт 5 на втората подложка 3. Първият контакт 4 на първата подложка 2 е съединен с четвъртия контакт 11 на втората 3. Измерваното магнитно поле 12 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 като диференциалният изход 13 на микросензора на Хол са третият контакт 8 на първата подложка 2 и втория контакт 7 на втората 3.

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

Включването на контакти 6 и 9, и съответно контакти 5 и 10 към токоизточника 1, води до протичане в обема на еднаквите като конструкция подложки 2 и 3 на захранващи токове 1₆ и 1_{9 5}, фигура 1. Планарните омични контакти 6 и 10, и съответно 5 и 9 представляват еквипотенциални равнини, към които в отсъствие на външно магнитно поле В 12, В = 0, равните по стойност токовете I = I и съответно 1₅ = 1₉ са винаги перпендикулярно насочени спрямо горните страни на подложките 2 и 3, прониквайки дълбоко в обемите им. Токовите линии в останалите части на траекториите си са успоредни на горните страни, преминавайки под контакти 8 и съответно 7. Ето защо траекториите I и 1₉ на токоносителите са криволинейни, [5 -6]. Дълбочината на проникване на токовите компоненти при фиксирана концентрация на легиращите донорни примеси N_D в подложките 2 и 3 зависи от съотношението между ширината на контакти 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10 и 11 и разстоянията между тях. Максималната дълбочина на проникване при концентрация N_D « 10¹⁵ спг³ и оптимизирани разстояния съставлява около 35-40 μηι. [6].

Прилагането на измервано магнитно поле В 12, успоредно на подложките 2 и 3, и на дългите страни на контактите 4, 5, 6, 7, 8,9,10 и 11 води до отклонение на токовите линии по цялата дължина нанелинейните им траектории. Това се дължи на действието на силите на Лоренц F_L F_L = qV_di x В, където q e елементарният товар на електрона, a V_di е векторът на средната дрейфова скорост на електроните в п-тип подложките 2 и 3. На фигура 1 магнитният вектор В 12 е перпендикулярен на напречното им сечение. В резултат на Лоренцовото отклонение от силата F дефинирано от посоките на протичащите токове I и -1 които са противоположни и полярността на магнитното поле В 10, нелинейните траектории в единия равнинно-магниточувствителен елемент на Хол, например 2 се “свиват”, а в другия 3 - съответно се “разширяват”, или обратно. Освен това токовете 1₆₁₀ и -1_{9 5} са равни по стойност, 1₆₁₀ = | -1_{9 5}1 поради еднаквостта на двете Холови структури 2 и 3. В резултат на деформациите на токовите линии в магнитно поле В 12, върху планарните контакти 8 и 9, и съответно 4 и 11 се генерират едновременно две Холови напрежения V_Hg9(B) и V_H411(B). В рамките на съвременната интерпретация на ефекта на Хол тези напрежения са свързани с протичане на магнитноуправляем повърхностен ток, който зависи линейно и полярно от магнитното поле В 12 и от захранващия ток, [7]. Характерна особеност на преобразувателния механизъм в новия микросензор е, че Холовите потенциали върху контакти 4 и 11 са винаги с противоположен знак. Следователно непосредственото свързване на тези два контакта 4 и 11 осъществява алгебрично сумиране на двете Холови напрежения V_Hg9(B) и V_{H4 П}(В). В резултат върху диференциалния изход V_H7g(B) ξ V_H13(B) 13 на микросензора възниква сумарно напрежение на Хол V_H13(B) = V_{Hg 9}(В) + V_{H4 П}(В), което обуславя съществено по-висока магниточувствителност в сравнение с известния микросензор.

Неочакваният положителен ефект на новото техническо решение се заключава в иновативната конструкция, съдържаща два еднакви четириконтактни равнинно-магниточувствителни елементи на Хол, свързани по оригинална схема. При това броят на контактите е редуциран с два и между тях има само една връзка. Всичко това драстично опростява приборната конструкция. Фактически реализиран е функционално-интегриран микросензор на Хол, захранен с един токоизточник 1. Постигнати са нови положителни свойства, отсъстващи в известното решение: опростена сензорна конфигурация едновре

Описания на издадени патенти за изобретения № 09.2/30.09.2020 менно с повишена пространствена резолюция; съществено увеличена магниточувствителност от ефекта на сумиране на двете Холови напрежения; високи отношение сигнал/шум и метрологична точност.

Равнинно-магнигочувствителният микросензор на Хол може да се реализира с интегралните CMOS, BiCMOS или микромашининг технологии, като преобразувателниге зони в общия случай представляват дълбоки силициеви п-тип правоъгълни „джобове” 2 и 3.

Функционирането на предложения микросензор на Хол е в широк температурен диапазон, включително и при криогенни температури, например при Т = 77 К. За още по-висока чувствителност за целите на слабополевата магнитометрия и контратероризма, подложките 2 и 3 могат да се интегрират между два еднакви продълговати концентратори на магнитното поле В 12 от ферит или μ-метал. Редуцирането на неминуемия офсет - паразитното напрежение на изхода 13 в отсъствие на магнитно поле В 12 може да се постигне чрез схемотехниката токов спининг. Използва се комутация на токовете в структурите 2 и 3 в магнитно поле В 12 и алгебрично сумиране на изходните сигнали от отделните фази. Поради еднаквостта на елементите на Хол, офсетите са с един и същ знак, а Холовите напрежения с противоположен. При това сумиране изходният Холов сигнал съществено нараства, а резултиращият офсет е драстично редуциран.

Claims (1)

1. Патентни претенции

   1. Микросензор на Хол, съдържащ токоизточник и две еднакви правоъгълни полупроводникови подложки с п-тип проводимост - първа и втора, разположени успоредно една спрямо друга, като върху едната страна на всяка от подложките са формирани правоъгълни омични контакти, а измервано магнитно поле е успоредно на равнините на подложките и на дългите страни на контактите, характеризиращ се с това, че върху всяка от подложките (2 и 3) последователно и на разстояния един от друг са формирани отляво надясно по четири омични контакта - първи (4 и 5), втори (6 и 7), трети (8 и 9), и четвърти (10 и 11), като единият извод на токоизточника (1) с съединен с втория контакт (6) на първата подложка (2) и с третия контакт (9) на втората подложка (3), а другият извод - с четвъртия контакт (10) на първата подложка (2) и с първия контакт (5) на втората подложка (3), като първият контакт (4) на първата подложка (2) е съединен с четвъртия контакт (11) на втората подложка (3), а диференциалният изход (13) на микросензора на Хол са третият контакт (8) на първата подложка (2) и вторият контакт (7) на втората подложка (3).