BG67219B1 - Конфигурация на хол с равнинна магниточувствителност - Google Patents

Abstract

Конфигурацията на Хол с равнинна магниточувствителност съдържа четири еднакви полупроводникови подложки с n-тип примесна проводимост и правоъгълна форма - първа (1), втора (2), трета (3) и четвърта (4), разположени успоредно помежду си. Върху едната страна на всяка от подложките са формирани последователно на равни разстояния по три правоъгълни омични контакти - първи (5, 8, 11 и 14), втори (6, 9, 12 и 15), и трети (7, 10, 13 и 16), като първите (5, 8, 11 и 14) и третите (7, 10, 13 и 16) са крайни, а вторите (6, 9, 12 и 15) са централни, всичките успоредни на дългите си страни. Централните контакти (6 и 15) на първата (1) и четвъртата (4) подложка са свързани с токоизточник (17). Първият контакт (5) на първата подложка (1) е свързан с третия контакт (10) на втората (2), третият контакт (7) на първата подложка (1) е съединен с първия контакт (11) на третата (3), първият контакт (8) на втората подложка (2) е свързан с третия контакт (16) на четвъртата (4), а третият контакт (13) на третата подложка (3) е съединен с първия контакт (14) на четвъртата (4). Диференциалният изход (18) на конфигурацията на Хол са централните контакти (9 и 12) на втората (2) и третата (3) подложка, като измерваното магнитно поле (19) е успоредно на равнините на подложките (1, 2, 3 и 4), и на дългите страни на контактите (5, 8, 11, 14, 6, 9, 12, 15, 7, 10, 13 и 16).

Description

Област на техниката

Изобретението се отнася до конфигурация на Хол с равнинна магниточувствителност, приложимо в областта на роботиката и мехатрониката; електромобилостроенето; безконтактната автоматика; измерването на ъглови и линейни премествания; слабополевата магнитометрия; енергетиката; позиционирането на обекти в равнината и пространството; навигацията; мултироторните безпилотни системи; космическите изследвания, биосензориката, 3D роботизираната и минимално инвазивната хирургия, включително телемедицината; военното дело; контратероризма и сигурността, и др.

Предшестващо състояние на техниката

Известна е конфигурация на Хол с равнинна магниточувствителност, съдържаща полупроводникова подложка с п-тип примесна проводимост, върху едната страна на която са формирани на равни разстояния един от друг три правоъгълни омични контакти - един централен и два крайни. Крайните контакти са симетрични спрямо дългите страни на централния. С по един товарен резистор крайните контакти са свързани с единия извод на токоизточник, другият извод на който е съединен с централния контакт. Диференциалният изход на конфигурацията на Хол са крайните контакти като измерваното магнитно поле е успоредно на равнината на подложката и на дългите страни на контактите [1-7].

Недостатък на тази конфигурация на Хол с равнинна магниточувствителност е наличието на паразитно напрежение на изхода в отсъствие на магнитно поле (офсет) в резултат на електрическа асиметрия, възникваща от геометрична несъосност в разположението на крайните контакти спрямо централния, неизбежни технологични несъвършенства, механични напрежения при корпусирането на чипа, температурни изменения и др.

Недостатък на конфигурацията е също усложнената й реализация чрез интегралните силициеви технологии, използвани в микроелектрониката, изискваща различни по своята същност процеси в изграждането на структурата от една страна и при изпълнението на двата товарни резистори от друга.

Техническа същност на изобретението

Задача на изобретението е да се създаде конфигурация на Хол с равнинна магниточувствителност, която да е с редуциран офсет и опростена технологична реализация.

Тази задача се решава с конфигурация на Хол с равнинна магниточувствителност, съдържаща четири еднакви полупроводникови подложки с п-тип примесна проводимост и правоъгълна форма - първа, втора, трета и четвърта, разположени успоредно помежду си. Върху едната страна на всяка от подложките са формирани последователно на равни разстояния по три правоъгълни омични контакти - първи, втори и трети като първите и третите са крайни, а вторите са централни, всичките успоредни на дългите си страни. Централните контакти на първата и четвъртата подложка са свързани с токоизточник. Първият контакт на първата подложка е свързан с третия контакт на втората, третият контакт на първата подложка е съединен с първия контакт на третата, първият контакт на втората подложка е свързан с третия контакт на четвъртата, а третият контакт на третата подложка е съединен с първия контакт на четвъртата. Диференциалният изход на конфигурацията на Хол са централните контакти на втората и третата подложка като измерваното магнитно поле е успоредно на равнините на подложките и на дългите страни на контактите.

BG 67219 Bl

Предимство на изобретението е силно редуцираното или компенсираното (нулираното) паразитно изходно напрежение (офсет) на конфигурацията поради оригиналното свързване на крайните контакти на четирите идентични подложки като при такова скъсяване протичат компенсиращи токове между структурите, изравняващи електрическите условия в тях при отсъствие на магнитно поле, включително в зоните на двата изходни контакта.

Предимство е също пълната технологична съвместимост чрез еднотипни процеси на силициевите технологии, използвани в микроелектрониката за реализация изцяло на конфигурацията на Хол.

Предимство е още повишената преобразувателна ефективност (чувствителност) в резултат на възникване на допълнителни напрежения на Хол в магнитно поле върху крайните контакти на първата и четвъртата подложка, усилващи изходното напрежение на конфигурацията върху средните контакти на втората и третата подложка.

Предимство е и повишената измервателна точност на конфигурацията на Хол поради същественото минимизиране на паразитния офсет и повишената магниточувствителност.

Пояснение на приложената фигура

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

Примери за изпълнение на изобретението

Конфигурацията на Хол с равнинна магниточувствителност съдържа четири еднакви полупроводникови подложки с п-тип примесна проводимост и правоъгълна форма - първа 1, втора 2, трета 3 и четвърта 4, разположени успоредно помежду си. Върху едната страна на всяка от подложките са формирани последователно на равни разстояния по три правоъгълни омични контакти - първи 5, 8, 11 и 14, втори 6, 9, 12 и 15, и трети 7, 10, 13 и 16, като първите 5, 8, 11 и 14 и третите 7, 10, 13 и 16 са крайни, а вторите 6, 9, 12 и 15 - централни, всичките успоредни на дългите си страни. Централните контакти 6 и 15 на първата 1 и четвъртата 4 подложка са свързани с токоизточник 17. Първият контакт 5 на първата подложка 1 е свързан с третия контакт 10 на втората 2, третият контакт 7 на първата подложка 1 е съединен с първия контакт 11 на третата 3, първият контакт 8 на втората подложка 2 е свързан с третия контакт 16 на четвъртата 4, а третият контакт 13 на третата подложка 3 е съединен с първия контакт 14 на четвъртата 4. Диференциалният изход 18 на конфигурацията на Хол са централните контакти 9 и 12 на втората 2 и третата 3 подложка, като измерваното магнитно поле 19 е успоредно на равнините на подложките 1, 2, 3 и 4, и на дългите страни на контактите 5, 8, 11, 14, 6, 9, 12, 15, 7, 10, 13 и 16.

Действието на конфигурацията на Хол с равнинна магниточувствителност, съгласно изобретението, се основава на генерирането на ефект на Хол чрез успоредно на полупроводниковите равнини магнитно поле (противно на общоприетото вертикално активизиране на явлението на Хол) - закономерност, открита и използвана за първи път от Ч. Руменин и П. Костов, и доразвита от С. Лозанова [1 - 6], е следното. Предвид планарността на омичните контакти 5, 8, 11, 14, 6, 15, 7, 10, 13 и 16, Фигура 1, при включване на източника E_s 17 и отсъствие на магнитно поле В = 0, те представляват еквипотенциални равнини. Токовите траектории през тези контактни повърхности първоначално са насочени вертикално надолу в обема на подложките 1,2,3 и 4, след това стават успоредни на горните им страни, и накрая отново са перпендикулярни към планарните контакти 5, 8, 11, 14, 6, 15, 7, 10, 13 и 16. Следователно токовите линии в подложките 1, 2, 3 и 4 са криволинейни. Съгласно

BG 67219 Bl иновативното накръстно свързване на двойките контакти 5 - 10, 7 - 11, 8 - 16 и 13 -14, посоките на равните по стойност захранващи токове през тях са противоположно насочени. В резултат на геометрична асиметрия, технологични несъвършенства, вътрешни механични напрежения, температурни флуктуации и т.н., на изхода 18, Vis ^Ξ V₉,η, на конфигурацията от Фигура 1 възниква офсет Vis(B = 0) # 0. Фактически съществуването на такова паразитно изходно напрежение означава, че в идентичните структури 1, 2, 3 и 4 съществува електрическа асиметрия. В предложеното решение, Фигура 1, преодоляването на този сериозен сензорен недостатък се постига чрез директното свързване на контакти 5 - 10, 7 - 11, 8 - 16 и 13 - 14 на подложки 1, 2, 3 и 4. При такова нестандартно окъсяване протичат компенсиращи (изравняващи) токове между самите подложки 1, 2, 3 и 4, уеднаквяващи електрическите условия в тях. Ето защо в зоните на двата изходни контакта 9 и 12 в отсъствие на магнитно поле В 19, В = 0, офсетът е драстично редуциран или компенсиран (нулиран), Vis (В = 0) = V₉,i₂(B = 0) = 0. Този подход в сравнение със сложната динамична компенсация на офсета или т.н. токов спининг е съществено опростен и е иманентен на самото техническо решение като крайните резултати и в двата случая са твърде близки.

Прилагането на измерваното магнитно поле В 19 успоредно на подложките 1,2, 3 и 4 и на дългите страни на контакти 5, 8, 11, 14, 6, 9, 12, 15, 7, 10, 13 и 16 води до странично (латерално) отклонение на нелинейните токови линии по цялата им дължина. Това е в резултат на действието на силите на Лоренц F_L,i, F_L = qV_dr х В, където q е елементарният товар на електрона, a V_dr е векторът на средната дрейфова скорост на електроните в обемите на подложки 1,2, 3 и 4. (На Фигура 1 магнитният вектор В 19 е перпендикулярен на напречните сечения на структури 1, 2, 3 и 4). В резултат на Лоренцовото отклонение от силите F_L, в зависимост от посоките на захранващите токове в подложките 1, 2, 3 и 4, и на магнитното поле В 19, нелинейните траектории “се свиват” и/или съответно “разширяват”. По тази причина върху планарните контакти 5 и 7, 14 и 16, както и върху изходните терминали 9 и 12 се генерират едновременно Холови потенциали, еднакви по стойност и с противоположен знак: V_H5(B) и - V_H7(B), - V_H,4(B) и V_H16(B), V_H9(B) и -V_H12(B). Фактически измерваното магнитно поле В 19 нарушава електрическата симетрия на токовите траектории спрямо централните контакти 6 и 15 в подложки 1 и 4. Същевременно върху диференциалния изход 18 на конфигурацията възниква напрежение на Хол, V_]8(B) = V₉12(B). То се генерира от противоположно протичащите захранващи токове 18,ю и -Ез.п във втората 2 и третата 3 подложка, водещи до повишаване и съответно понижаване на потенциалите на контакти 9 и 12 от действието в противоположни посоки на силата на Лоренц F_L. Така изходното напрежение V₉,12(B) е резултат от еднакви по стойност и с противоположен знак Холови потенциали върху контактите 9 и 12. Сигналът Vis(B) е линейна и нечетна функция от силата и посоката на общия захранващ ток I₆,i5 и на магнитното поле В 19.

В новото решение за първи път се използва оригинален способ за повишаване на магниточувствителността на изхода Vi₈(B) с помощта на еднакви по стойност, но с противоположен знак Холови потенциали, генерирани от протичащите токове в първата 1 и четвъртата 4 подложка. По същество структури 1 и 4 заедно с контакти 5, 6 и 7, и съответно 14, 15 и 16 представляват триконтактни елементи на Хол. Генерираните от тези сензори в магнитно поле В 19 Холови потенциали чрез накръстното свързване на контакти 5-10, 7-11, 8 - 16 и 13 - 14 едновременно повдигат и съответно понижават потенциалите на втората 2 и на третата 3 подложка. Напреженията върху подложки 2 и 3, и на изхода 18 са практически с една и съща стойност и с един и същ знак. Способът на свързване, използван в конфигурацията, Фигура 1, осъществява винаги сумиране на тези напрежения на Хол. В резултат изходното напрежение Vi₈(B) в първо приближение се удвоява и магниточувствителността нараства. Същевременно омичните съпротивления на втората 2 и третата 3 подложка изпълняват функциите на товарни резистори, включени към крайните контакти 5 и 7 на първата 1, и 14 и 16 на четвъртата 4 подложка. По такъв начин отпада необходимостта да се използват усложняващи технологични операции и процеси за реализиране на двата товарни резистори от известното решение. Постига се пълна технологична съвместимост чрез еднотипни процеси на силициевите технологии за реализация на новата конфигурация на Хол. В резултат от минимизиране на паразитния офсет и удвоената преобразувателна ефективност измервателната точност на конфигурацията е повишена.

Неочакваният положителен ефект на новото техническо решение е, че посредством оригиналната конструкция и иновативното свързване на подложките 1, 2, 3 и 4 се постига допълнително напрежение на Хол, което се сумира с изходния сигнал, генерирайки повишена чувствителност едновременно с драстично редуциране чрез изравняващи токове на един от най-сериозните недостатъци - офсетът както и опростена технологична реализация.

Технологичното изпълнение на конфигурацията на Хол се осъществява на основата на силициеви CMOS или BiCMOS интегрални процеси. В този случай се формират п-тип „джобове” в p-Si пластини. Планарните омични контакти 5, 8, 11, 14, 6, 9, 12, 15, 7, 10, 13 и 16 се формират с йонна имплантация и са силно легирани п⁺области в n-Si „джобове”. Силициевите планарни технологии позволяват едновременното формиране на общ чип и на обработващата електронна схемотехника на изходното напрежение Vig(B) в зависимост от конкретното приложение. Конфигурацията е работоспособна и в областта на криогенните температури, например, температурата на кипене на течния азот Т = 77 К, което разширява сферата на приложение, особено при слабополевата магнитометрия и контратероризма.

Claims (1)

1. Патентни претенции

   1. Конфигурация на Хол с равнинна магниточувствителност, съдържаща правоъгълна полупроводникова подложка с п-тип примесна проводимост, върху едната й страна са формирани последователно на равни разстояния три правоъгълни омични контакта - първи, втори и трети, като първият и третите са крайни, а вторият - централен, всичките успоредни на дългите си страни, измерваното магнитно поле е успоредно на равнината на подложката и на дългите страни на контактите, има още токоизточник, единият извод на който е свързан с централния контакт на подложката, характеризираща се с това, че има още други три полупроводникови подложки (2, 3 и 4), идентични на първата (1) и всичките успоредни помежду си, върху една от страните на втората (2), третата (3) и четвъртата (4) подложка са формирани последователно на равни разстояния също по три правоъгълни омични контакта - първи (8, 11 и 14), втори (9, 12 и 15) и трети (10, 13 и 16), като първите (8, 11 и 14) и третите (10, 13 и 16) са крайни, а вторите (9, 12 и 15) - централни, всичките успоредни на дългите си страни, централният контакт (15) на четвъртата подложка (4) е свързан с другия извод на токоизточника (17), първият контакт (5) на първата подложка (1) е съединен с третия контакт (10) на втората (2), третият контакт (7) на първата подложка (1) е свързан с първия контакт (11) на третата (3), първият контакт (8) на втората подложка (2) е съединен с третия контакт (16) на четвъртата (4), а третият контакт (13) на третата подложка (3) е свързан с първия контакт (14) на четвъртата (4), диференциалният изход (18) на конфигурацията на Хол са централните контакти (9 и 12) на втората (2) и третата (3) подложка.