BG67245B1 - 2d микросензор на хол с равнинна чувствителност - Google Patents

Abstract

2D микросензорът на Хол с равнинна чувствителност съдържа n-тип полупроводникова подложка (1), върху едната страна на която има четири еднакви омични контакти (2, 3, 4 и 5), дълбока р+-тип зона (6) с форма на равностранен кръст, обграждаща областта с контактите (2, 3, 4 и 5), разположени в краищата на кръстовидната р+-зона (6) и симетрични спрямо центъра й, токоизточник (11) и два измервателни усилвателя (12 и 13). Контактите (2, 3, 4 и 5) са свързани с по един товарен резистор (7, 8, 9 и 10), като резистори (7 и 9) са съединени със срещуположните първи (2) и трети (4) контакти и са свързани с единия извод на токоизточника (11), а резистори (8 и 10) към втория (3) и четвъртия (5) контакт - с другия извод на токоизточника (11). Първият (2) и третият (4), респективно вторият (3) и четвъртият (5) контакт са свързани с входовете на усилватели (12 и 13). Изходите (14 и 15) на усилвателите (12 и 13) са изходи на 2D микросензора на Хол за двете взаимноперпендикулярни равнинни компоненти на измерваното магнитно поле (16), което лежи в равнината на n-тип подложката (1) и е с произволна ориентация.

Description

Област на техниката

Изобретението се отнася до 2D микросензор на Хол с равнинна чувствителност, приложимо в областта на автоматиката, роботиката и мехатрониката, включително роботизираната и минимално инвазивната хирургия, сензориката, контролно-измервателната техника, микро- и нанотехнологиите, слабополевата магнитометрия, позиционирането на обекти в равнината, безконтактното измерване на ъглови и линейни премествания, енергетиката, интелигентните системи за квантова комуникация, военното дело, сигурността, контратероризма, и др.

Предшестващо състояние на техниката

Известен е 2D микросензор на Хол с равнинна чувствителност, съдържащ п-тип полупроводникова подложка, върху едната страна на която са формирани централен омичен контакт с квадратна форма като на разстояния и симетрично спрямо четирите му страни има по един правоъгълен вътрешен омичен контакт - първи, втори, трети и четвърти, като първият и третият, и съответно вторият и четвъртият, са срещуположни. Има още по един външен омичен контакт на равни разстояния от вътрешните контакти и симетрично разположени спрямо тях. Четирите външни контакти са електрически съединени и през токоизточник са свързани с централния. На повърхността на подложката, където са централният, вътрешните и външните контакти, и в близост до тях е образувана дълбока р⁺-тип зона с форма на равностранен кръст, обграждаща областта с всички контакти. Първият и третият, и съответно вторият и четвъртият контакт са свързани с входовете на два измервателни усилвателя. Изходите на тези усилватели са изходи на 2D микросензора на Хол за двете взаимноперпендикулярни равнинни компоненти на измерваното магнитно поле, което лежи в равнината на п-тип подложката и е с произволна ориентация [1-4].

Недостатък на този 2D микросензор на Хол с равнинна чувствителност е редуцираната разделителна способност (резолюция) при измерване на двете взаимноперпендикулярни магнитни компоненти поради увеличените геометрични размери на преобразувателната зона в подложката.

Недостатък е също усложнената конструкция, съдържаща девет контакти в преобразувателната зона и съпътстващите електрически връзки между тях, което затруднява технологичната реализация на 2D микросензора.

Техническа същност на изобретението

Задача на изобретението е да се създаде 2D микросензор на Хол с равнинна чувствителност, който да е с повишена резолюция чрез намаляване на геометричните му размери и да е с опростена конструкция, съдържаща минимален брой омични контакти.

Тази задача се решава с 2D микросензор на Хол с равнинна чувствителност, съдържащ п-тип полупроводникова подложка, върху едната страна на която има четири еднакви омични контакта - първи, втори, трети и четвърти, като първият и третият, и съответно вторият и четвъртият са срещуположни. Реализирана е също дълбока р⁺-тип зона с форма на равностранен кръст, обграждаща областта с контактите, разположени в краищата на р⁺-зоната и симетрични спрямо центъра й. Контактите са свързани с по един товарен резистор като тези, съединени със срещуположните първи и трети контакт са свързани с единия извод на токоизточник, а резисторите към втори и четвърти контакт - с другия извод на токоизточника. Първият и третият, респективно вторият и четвъртият контакт са свързани с входовете на два измервателни усилвателя. Изходите на тези

BG 67245 Bl усилватели са изходи на 2D микросензора на Хол за двете взаимноперпендикулярни равнинни компоненти на измерваното магнитно поле, което лежи в равнината на п-тип подложката и е с произволна ориентация.

Предимство на изобретението е високата разделителна способност (резолюция) в резултат на значително редуцираните размери на преобразувателната зона на 2D микросензора, позволяваща детектирането на подетайлна топология на магнитното поле.

Предимство е също силно опростената приборна конструкция, съдържаща само четири омични контакти вместо девет в преобразувателната си зона, което улеснява технологичната реализация на 2D микросензора на Хол.

Предимство е още повишената измервателна точност на двата изходни канала на 2D микросензора поради минимизираното паразитно междуканално влияние, осъществено чрез отделните генератори на ток, формирани с товарни резистори.

Пояснение на приложената фигура

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

Примери за изпълнение на изобретението

2D микросензорът на Хол с равнинна чувствителност съдържа п-тип полупроводникова подложка 1, върху едната страна на която има четири еднакви омични контакта - първи 2, втори 3, трети 4 и четвърти 5, като първият 2 и третият 4, и съответно вторият 3 и четвъртият 5 са срещуположни. Реализирана е също дълбока р⁺-тип зона 6 с форма на равностранен кръст, обграждаща областта с контактите 2, 3, 4 и 5, разположени в краищата на р⁺зоната 6 и симетрични спрямо центъра й. Контактите 2, 3, 4 и 5 са свързани с по един товарен резистор 7, 8, 9 и 10, като резисторите 7 и 9, съединени със срещуположните първи 2 и трети 4 контакт са свързани с единия извод на токоизточник 11, а резисторите 8 и 10 към втория 3 и четвъртия 5 контакт - с другия извод на токоизточника 11. Първият 2 и третият 4, респективно вторият 3 и четвъртият 5 контакти са свързани с входовете на два измервателни усилвателя 12 и 13. Изходите 14 и 15 на усилватели 12 и 13 са изходи на 2D микросензора на Хол за двете взаимноперпендикулярни равнинни компоненти на измерваното магнитно поле 16, което лежи в равнината на п-тип подложката 1 и е с произволна ориентация.

Действието на 2D микросензора на Хол с равнинна чувствителност, съгласно изобретението, е следното.

При включване на резисторите 7 и 9, и съответно 8 и 10 към токоизточника 11, между омични контакти з и 2, и 5 и 4 протичат две независими токови компоненти 1з,2 и Is,4· Еднаквите по стойност товарни резистори 7, 8, 9 и 10, R₇ = Rs = R9 = R10, гарантират режим на функциониране генератори на ток на 2-D микросензора и равенство на компоненти I_3>2 = Is,4 = const. Съпротивлението Ro на резисторите следва да е на порядък по-голямо от съпротивлението между контакти 2, 3, 4 и 5, R? = Rs ⁼ R9 ⁼ Rio « Ro· По този начин се осъществява независимо функциониране на двата изходни канала V₂,4 и V₃,₅. Фактически товарните резистори 7, 8, 9 и 10, R?, Rs, R9 и Rio формират разделно действие за каналите, което драстично минимизира неминуемото паразитно междуканално влияние. В отсъствие на външно магнитно поле В 16, В = 0, траекториите на тези токове в областите под контакти 2, 3, 4 и 5 първоначално са перпендикулярни на горната повърхност на подложката 1, прониквайки дълбоко в обема й, тъй като нискоомните омични контакти 2, 3, 4 и 5 представляват еквипотенциални равнини. След това ефективните траектории на токовите линии I3 2 и Ϊ5 4 в обема на подложката 1 стават успоредни на горната й повърхност. Важна особеност, произтичаща от оригиналната приборна конструкция е, че посоките на

BG 67245 Bl компоненти I₃₂ и -I54 са противоположно насочени. Всяка от независимите токови траектории Ц ? и - I54, в резултат на избраната геометрична форма на микросензора (равностранен кръст), се състои от по две части, като за всеки ток Цг и - [5,4 в първо приближение тези части са под прав ъгъл. Дълбоката кръстовидна р⁺-тип зона 6, обграждаща достатъчно близко омичните контакти 2, 3, 4 и 5 съществено редуцира паразитното разтичане по повърхността на подложката 1 на токовете Цд и I5.4- Ако в резултат на геометрична асиметрия на структурата при нейната реализация, Фигура 1, дефекти в полупроводниковата подложка 1, механични напрежения при корпусирането и метализацията, и др. възникне паразитно изходно напрежение на асиметрия в отсъствие на магнитно поле В 16 - офсет V2ДВ = 0) Ф 0 и V₃ДВ ⁼ 0) А 0. Тези офсети може да се редуцират и/или нулират чрез измервателните усилватели 12 и 13, които усилват сензорните сигнали V2 4 и V3 5 ако магнитната индукция В 16 е малка. С помощта на операционните усилватели 12 и 13 може да се осъществи също компенсиране на негативното влияние на температурата Т върху метрологичните сигнали V2,4 и V3 5.

Външното магнитно поле В 16, което лежи в равнината на подложката 1 и е с произволна ориентация, чрез двете си взаимноперпендикулярни компоненти В_х и В_у генерира съответни латерално отклоняващи движещите се токоносители сили на Лоренц, Fl,: ⁼ qVdr х В, където q е елементарният товар на електрона, a Vdr е векторът на средната дрейфова скорост на движещите се токоносители, в нашия случай електроните. Освен това токовите линии проникват дълбоко в обема на подложката 1, поради което въздействието на силите на Лоренц Fl върху съответните части от траекториите е оптимално. Иновативната конфигурация на 2D микросензора на Хол, формираща двете под прав ъгъл части на всеки от токовете 13,2 и - Is,4 осъществява за едната от тях магнитно управление, например от поле Вх и нечувствителност към поле Ву, и съответно другата част е чувствителна към поле Ву и нечувствителна към поле Вх. В резултат на Лоренцовите дефлекции F[„,, породени от Вх и Ву, противоположно насочените части на токовите компоненти 13,2 и - Is,4 се “свиват” и съответно “разширяват”. В зависимост от посоките на полетата Вх и Ву на вектора В 16, всеки от срещуположните токове 13>2 и -15,4 генерира на повърхността в близост до контакти 2, 3, 4 и 5 Холови потенциали с противоположен знак. Наличието на магнитноуправляем повърхностен ток, съпътстващ ефекта на Хол в този клас сензорни системи усилва преобразувателната им ефективност, [5]. Тези преобразувателни механизми генерират двете диференциални напрежения V2,4(By) и V3>5(BX), които са линейни и нечетни функции на полета Вх и Ву, и на токовете I3.2 и - Is,4. След обработката на тези напрежения с усилватели 12 и 13, на изходите 14 и 15 на 2D микросензора на Хол се получава необходимата метрологична информация Vi4(By) и Vis(Bx) за равнинните компоненти Вх и Ву на вектора В 16. Абсолютната стойност на вектора на магнитното поле В 16 в равнината х-у на подложка 1, Фигура 1, и ъгълът Θ на полето В 16 спрямо фиксирана реперна ос в същата равнина се дават с изразите: [В| — (Вх² + Ву²) и Θ = tan-‘(V_y(B_y)/V_x(B_x)), [1,3].

Неочакваният положителен ефект на новото техническо решение се заключава в оригиналността на приборната конструкция на микросензора, съдържаща само четири омични контакти 2, 3, 4 и 5, както и избраният работен режим генератор на ток. Така съществено се редуцират геометричните размери на елемента на Хол и се повишава неговата разделителна способност (резолюция). Освен това неминуемото паразитно влияние между изходи 14 и 15 е значително намалено от независимото функциониране на двата информационни канала за магнитни компоненти В_х и В_у, което повишава точността.

Двумерният микросензор на Хол може да се реализира с различните модификации на планарната силициева технология - CMOS, BiCMOS, SOS, а при необходимост може да се използват микромашининг силициеви процеси. C интегралната технология могат върху общ чип да се реализират 2D микросензора на Хол и обработващата сигналите схемотехника 12 и 13. Също така с цел повишаване на магниточувствителността за целите на слабополевата магнитометрия или контратероризма, може да се използват криогенни температури, например температурата на кипене на течния азот Т = 77 К.

Claims (5)

1. 2D микросензор на Хол с равнинна чувствителност, съдържащ п-тип полупроводникова подложка, върху едната страна на която има еднакви омични контакти, дълбока р -тип зона с форма на равностранен кръст, обграждаща областта с тези контакти, токоизточник и два измервателни усилвателя, входовете на които са свързани с контактите, изходите на усилвателите са изходи на 2D микросензора на Хол за двете взаимноперпендикулярни равнинни компоненти на измерваното магнитно поле, лежащо в равнината на п-тип подложката и е с произволна ориентация, характеризиращ се с това, че контактите са четири - първи (2), втори (3), трети (4) и четвърти (5), разположени са в краищата на кръстовидната р⁺-зона (6) и са симетрични спрямо центъра й, като първият (2) и третият (4), и съответно вторият (3) и четвъртият (5) са срещуположни, контакти (2, 3, 4 и 5) са свързани с по един товарен резистор (7, 8, 9 и 10), като резистори (7 и 9), съединени с първи (2) и трети (4) контакт са свързани с единия извод на токоизточника (11), а резисторите (8 и 10) към втория (3) и четвъртия (5) контакт - с другия извод на токоизточника (11), първият (2) и третият (4), респективно вторият (j) и четвъртият (5) контакт са свързани с входовете на двата измервателни усилвателя (12 и 13).

Приложение: 1 фигура

Литература

1. Ch. S. Roumenin, Microsensors for magnetic field, in „MEMS - a practical guide to design, analysis and applications”, Ch. 9, ed. by J. Korvink and O. Paul, William Andrew Publ., USA, 2006, pp. 453-523; ISBN: 0-81551497-2.

2. R. Popovic, Hall effect devices, 2^nd ed., The Adam Hilger series on sensors, Bristol, IOP Publ. Ltd, 2004.

3. C. Roumenin, Solid State Magnetic Sensors - Handbook of Sensors and Actuators, Elsevier, AmsterdamLausanne-New York-Oxford-Shannon-Tokyo, 1994, pp. 450; ISBN: 0 444 89401.

4. F. Burger, P.-A. Besse, R. S. Popovic, “New fully integrated 3-D silicon Hall sensor for precise angular-position measurements”, Sensors and Actuators, A 67 (1998) pp. 72-76.

5. C. Roumenin, S. Lozanova, S. Noykov, Experimental evidence of magnetically controlled surface current in Hall devices, Sensors and Actuators, A 175, (2012) 45-52.