BG67298B1 - Сензор на хол с равнинна чувствителност - Google Patents
Сензор на хол с равнинна чувствителност Download PDFInfo
- Publication number
- BG67298B1 BG67298B1 BG112878A BG11287819A BG67298B1 BG 67298 B1 BG67298 B1 BG 67298B1 BG 112878 A BG112878 A BG 112878A BG 11287819 A BG11287819 A BG 11287819A BG 67298 B1 BG67298 B1 BG 67298B1
- Authority
- BG
- Bulgaria
- Prior art keywords
- contacts
- central
- input
- contact
- amplifiers
- Prior art date
Links
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 title claims abstract description 24
- 230000005355 Hall effect Effects 0.000 title abstract description 4
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 claims abstract description 9
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims description 15
- 239000012535 impurity Substances 0.000 claims description 6
- 230000003071 parasitic effect Effects 0.000 description 11
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 5
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 4
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 4
- 230000008859 change Effects 0.000 description 3
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 3
- 230000017525 heat dissipation Effects 0.000 description 3
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 230000006698 induction Effects 0.000 description 2
- 238000005404 magnetometry Methods 0.000 description 2
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 2
- 238000004377 microelectronic Methods 0.000 description 2
- 230000008092 positive effect Effects 0.000 description 2
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000010703 silicon Substances 0.000 description 2
- 230000032683 aging Effects 0.000 description 1
- 238000005275 alloying Methods 0.000 description 1
- 238000013473 artificial intelligence Methods 0.000 description 1
- 239000000969 carrier Substances 0.000 description 1
- 230000000739 chaotic effect Effects 0.000 description 1
- 238000004891 communication Methods 0.000 description 1
- 239000013078 crystal Substances 0.000 description 1
- 238000006073 displacement reaction Methods 0.000 description 1
- 239000003814 drug Substances 0.000 description 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 1
- 238000005538 encapsulation Methods 0.000 description 1
- 230000009916 joint effect Effects 0.000 description 1
- 238000000034 method Methods 0.000 description 1
- 230000005012 migration Effects 0.000 description 1
- 238000013508 migration Methods 0.000 description 1
- 238000002324 minimally invasive surgery Methods 0.000 description 1
- 229910000595 mu-metal Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000000149 penetrating effect Effects 0.000 description 1
- 230000008569 process Effects 0.000 description 1
- 238000011160 research Methods 0.000 description 1
- 238000002432 robotic surgery Methods 0.000 description 1
- 230000006641 stabilisation Effects 0.000 description 1
- 238000011105 stabilization Methods 0.000 description 1
- 230000002277 temperature effect Effects 0.000 description 1
- 238000009966 trimming Methods 0.000 description 1
- 229910000859 α-Fe Inorganic materials 0.000 description 1
Landscapes
- Measuring Magnetic Variables (AREA)
- Hall/Mr Elements (AREA)
Abstract
Сензорът на Хол с равнинна чувствителност съдържа полупроводникова подложка (1) с n-тип примесна проводимост с формата на правоъгълен паралелепипед, върху едната страна на която на разстояния един от друг са формирани последователно пет правоъгълни омични контакта - първи (2), втори (3), трети (4), четвърти (5) и пети (6), всичките успоредни помежду си и токоизточник (7). Първият (2) и петият (6), и съответно вторият (3) и четвъртият (5) контакт са симетрично разположени спрямо третия (4), който е централен. Измерваното магнитно поле (8) е успоредно както на равнината на подложката (1), така и на дългите страни на контактите (2, 3, 4, 5 и 6). Вторият (3) и четвъртият (5) контакт са съединени с изводите на токоизточника (7). Първият (2) и централният (4) контакт са свързани с входа на първи измервателен усилвател (9), а централният (4) и петият (6) контакт са съединени с входа на втори измервателен усилвател (10). Първият (2) и централният (4) контакт и съответно централният (4) и петият (6) контакт са свързани едновременно само с неинвертиращите или само с инвертиращите входове на двата измервателни усилвателя (9 и 10). Изходите на усилвателите (9 и 10) са свързани с входа на диференциален усилвател (11), чийто изход (12) е изходът на сензора на Хол.
Description
(54) СЕНЗОР HA ХОЛ C РАВНИННА ЧУВСТВИТЕЛНОСТ
Област на техниката
Изобретението се отнася до сензор на Хол с равнинна чувствителност, приложимо в областта на квантовата комуникация, медицината, в това число роботизираната и минимално инвазивната хирургия, роботиката, мехатрониката, системите за сигурност с изкуствен интелект, сензориката, безконтактната автоматика, включително дистанционното измерване на ъглови и линейни премествания, навигацията, микро- и нанотехнологиите, космическите изследвания, електромобилите и хибридните превозни средства, енергетиката, контролно-измервателната техника и слабополевата магнитометрия, контратероризма, военното дело и др.
Предшестващо състояние на техниката
Известен е сензор на Хол с равнинна чувствителност, съдържащ полупроводникова подложка с п-тип примесна проводимост с формата на правоъгълен паралелепипед. Върху едната й страна на разстояния един от друг са формирани последователно пет правоъгълни омични контакти - първи, втори, трети, четвърти и пети - всичките успоредни помежду си. Първият и петият, и съответно вторият и четвъртият контакт са симетрично разположени спрямо третия, който е централен. Първият и петият контакт са съединени непосредствено и през токоизточник са свързани с третия контакт. Вторият и четвъртият контакт са диференциалният изход на сензора на Хол, като измерваното магнитно поле е успоредно както на равнината на подложката, така и на дългите страни на омичните контакти [1-8].
Недостатък на този сензор на Хол с равнинна чувствителност е понижената преобразувателна ефективност (магниточувствителност) поради използване само на едно от двете напрежения на Хол, генерирани от един и същ захранващ ток в петконтактната полупроводникова подложка.
Недостатък е също редуцираната метрологична точност от температурния дрейф на паразитния офсет и непредсказуемото изменение на стойността на чувствителността с течение на времето в резултат от процесите на стареене и миграция на легиращите примеси в подложката и на повърхността, повлияни от остатъчните термични деформации на чипа при капсулирането, неминуемите технологични несъвършенства при производството, водещи до флуктуации на концентрацията на токоносителите и нееднородната дисипация на топлината при функционирането на сензора на Хол.
Техническа същност на изобретението
Задача на изобретението е да се създаде сензор на Хол с равнинна чувствителност с повишени магниточувствителност и метрологична точност.
Тази задача се решава със сензор на Хол с равнинна чувствителност, съдържащ полупроводникова подложка с п-тип примесна проводимост с формата на правоъгълен паралелепипед, върху едната страна на която на разстояния един от друг са формирани последователно пет правоъгълни
BG 67298 Bl омични контакти - първи, втори, трети, четвърти и пети, всичките успоредни помежду си. Първият и петият, и съответно вторият и четвъртият контакт са симетрично разположени спрямо третия, който е централен. Измерваното магнитно поле е успоредно както на равнината на подложката, така и на дългите страни на контактите. Вторият и четвъртият контакт са съединени с изводите на токоизточник. Първият и централният контакт са свързани с входа на първи измервателен усилвател. Централният и петият контакт са съединени с входа на втори измервателен усилвател. Първият и централният контакт и съответно централният и петият контакт са свързани едновременно само с неинвертиращите или само с инвертиращите входове на двата измервателни усилвателя. Изходите на тези усилватели са свързани с входа на диференциален усилвател, чийто изход е изходът на сензора на Хол.
Предимство на изобретението е повишената чувствителност поради сумиране на двете генерирани от един и същ захранващ ток напрежения на Хол в полупроводниковата подложка, което повишава преобразувателната ефективност на сензора.
Предимство е също увеличената измервателна точност от минимизираните както температурен дрейф на остатъчния паразитен офсет, така и изменение с времето на магниточувствителността поради, практически едно и също поведение на индивидуалните дрейфове на изходите и при изваждане на тези два паразитни сигнала с диференциалния усилвател остатъчният дрейф на офсета се редуцира съществено; чрез двойно нарасналата преобразувателна ефективност непредсказуемото изменение с времето на чувствителността остава значително под общата стандартна грешка на този клас сензори за магнитно поле.
Предимство е още редуцираната стойност на паразитния офсет на сензора на Хол с равнинна чувствителност, тъй като: двата изходни сигнала на полупроводниковата конфигурация се генерират от области, осъществени в единен технологичен цикъл и са с изравнени електрофизични характеристики; паразитните офсети на изходите са с еднакъв знак и са приблизително равни по стойност и след изваждане на изходните сигнали с диференциалния усилвател остатъчният офсет е компенсиран (нулиран), а „чистите” напрежения на Хол са сумирани.
Предимство е и подобрената резолюция на сензора на Хол за детектиране на минималната магнитна индукция в резултат на повишеното отношение сигнал/шум от драстично редуцираните паразитен офсет и температурен дрейф, както и двойно нарасналата магниточувствителност, осигуряващи по-детайлно измерване на топологията на магнитното поле.
Пояснение на приложената фигура
По-подробно изобретението се пояснява с едно негово примерно изпълнение, дадено на приложената фигура 1.
BG 67298 Bl
Примери за изпълнение на изобретението
Сензорът на Хол с равнинна чувствителност съдържа полупроводникова подложка 1 с п-тип примесна проводимост с формата на правоъгълен паралелепипед, върху едната страна на която на разстояния един от друг са формирани последователно пет правоъгълни омични контакти - първи 2, втори 3, трети 4, четвърти 5 и пети 6 - всичките успоредни помежду си. Първият 2 и петият 6, и съответно вторият 3 и четвъртият 5 контакт са симетрично разположени спрямо третия 4, който е централен. Измерваното магнитно поле 7 е успоредно както на равнината на подложката 1, така и на дългите страни на контакти 2, 3, 4, 5 и 6. Вторият 3 и четвъртият 5 контакт са съединени с изводите на токоизточник 8. Първият 2 и централният 4 контакт са свързани с входа на първи измервателен усилвател 9. Централният 4 и петият 6 контакт са съединени с входа на втори измервателен усилвател 10. Първият 2 и централният 4 контакт и съответно централният 4 и петият 6 контакт са свързани едновременно само с неинвертиращите или само с инвертиращите входове на двата измервателни усилвателя 9 и 10. Изходите на тези усилватели 9 и 10 са свързани с входа на диференциален усилвател 11, чийто изход 12 е изходът на сензора на Хол.
Действието на сензора на Хол с равнинна чувствителност, съгласно изобретението, е следното.
При включване на втория 3 и четвъртия 5 контакт към изводите на токоизточника 8, в конфигурацията (подложка 1 с контакти 2, 3, 4, 5 и 6) протича захранващ ток 13,5. Омични контакти 3 и 5 представляват еквипотенциални равнини, към които в отсъствие на външно магнитно поле В 7, В = 0, токовите компоненти през тях 13 и 15 са винаги перпендикулярни спрямо горната страна на подложката 1, прониквайки дълбоко в обема й. Токовите линии 13,5 в останалата част от обема на подложката 1 са успоредни на горната й страна. В резултат токовата траектория 13,5 е криволинейна и следва да е симетрична спрямо централния контакт 4. Поради неминуема асиметрия - геометрични грешки и толеранси на маските в процеса на микроелектронното производство на контакти 3 и 5 спрямо контакт 4 възникват паразитни изходни напрежения (офсети) на двата изхода V2,ДО) + 0 и У4,б(0) / 0 в отсъствие на магнитно поле В 7, В = 0. Тъй като реализацията на чипа е в единен технологичен цикъл, двата паразитни офсети У2л(0) и V4,6(0) се очаква да бъдат почти равни по стойност и да са с един и същ знак, У2,4(0) = У4,б(0).
Прилагане на измерваното магнитно поле В 7 успоредно на дългите страни на правоъгълните контакти 2, 3,4, 5 и 6 води до възникване на странично (латерално) отклонение на токовите линии 13д в обема на подложката 1 от силите на Лоренц FL>i, FL = qVdr х В, където q е елементарният товар на електрона, a Vdr е векторът на средната дрейфова скорост на електроните в подложката 1. В резултат на това Лоренцово отклонение от силите FL,i, траекторията 13,5 се “свива” и/или съответно разширява . В зависимост от взаимните посоки на токове 13 и -15 и на вектора на магнитното поле В 7, върху контакти 2 и 4, и съответно върху контакти 4 и 6 се генерират противоположни по знак и еднакви по стойност Холови потенциали. По този начин чрез ефекта на Хол, обобщен от Руменин и Лозанова за всички видове твърдотелни кристални структури, в това число и такива с равнинна магниточувствителност
BG 67298 Bl
[5,6,7], възникват две еднакви напрежения на Хол УнгДВ) и - Ун4,в(В). Към тези изходни сигнали се добавят алгебрично паразитните офсети У2д(0) ~ У4,б(0) на двата изхода. Подаването на напреженията У2,4(В) и V2>4(0) и съответно - У4,6(В) и У4,в(0) на двата измервателни усилвателя 9 и 10 осъществява схемотехнично развързване на изходите на сензорната архитектура от Фигура 1, минимизирайки драстично взаимното влияние на изходите. Също така е възможно с измервателните усилватели 9 и 10 да се осъществи предварително усилване на напреженията V2,4(B) и - У4,б(В). Чрез диференциалния усилвател 11 напреженията V2,4 и V4.6 се изваждат:
У2,4 - V4.6 = [У2,4(0) + V2,4(B)] - [У4,б(0) - У4,б(В)] = 2УН(В) + [V2,4(0) - У4.б(0)]
Съгласно този израз, в резултат на изваждане на генерираните от двата Ходови изходи сигнали V2,4 и У4,б. напрежението на Хол УН(В) на изхода 12 на диференциалния усилвател 12 е удвоено 2УН(В), а остатъчният офсет Voff(0) = V2>4(0) - У4,б(0) е драстично редуциран, [9]. В известното решение изходното напрежение е редуцирано поради използване само на едно от двете генерирани в подложката 1 напрежения на Хол. Ето защо магниточувствителността на новия сензор е удвоена в сравнение с един от каналите (изходите), Фигура 1. При това остатъчният паразитен офсет е почти напълно компенсиран, Voff(0) = Vi2(0) ~ 0. Така се повишава значително измервателната точност. Предвид силно редуцираният офсет на изхода 12 на сензора, собственият му 1//(фликер) шум от двата изхода У2,4 и У4,б се намалява като се повишава отношението сигнал/шум. Така резолюцията за детектиране на минимална магнитна индукция Bmin нараства. Дрейфовете на офсета и магниточувствителността се появяват най-вече от вътрешни в полупроводниковата подложка 1 деформации при капсулирането на чипа, реализацията на метализираните шини, тънкослойните проводящи и диелектрични слоеве по повърхността, технологични несъвършенства, дисипацията на топлина при функциониране, процесите на стареене, миграцията на примесни атоми в обема и повърхността, и др. В общия случай тези дрейфови паразитни сигнали имат хаотично поведение, променяйки се с течение на времето, което прави „твърдото им компенсиране чрез тримиране, термостатиране и др. неефективно. Посочените причини са неотстраними, но чрез новото решение стойностите им са доведени до определени несъществени стойности, тъй като сензорът на Хол е реализиран в единен технологичен цикъл. Този факт удачно е използван в сензора на Хол за: редуциране на офсета, подобряване на отношението сигнал/шум, повишаване на метрологичната точност и минимизирането на температурното влияние. Стабилизиране на преобразувателната ефективност се осъществява и с новооткрития ефект - магнитноуправляемия повърхностен ток, [10].
Неочакваният положителен ефект на новото техническо решение се заключава във възможността чрез оригинално избраните вътрешни контакти 3 и 5 за захранващи да се изведат от структурата 1 две генерирани, при това от един и същ захранващ ток напрежения на Хол без увеличаване броя на контактите. Така са реализирани два еднакви функционално интегрирани в общ чип субелементи на Хол
BG 67298 Bl c равнинна чувствителност, от съвместното действие на които се постигат нови положителни свойства, екстрахирани чрез трите операционни усилватели 9, 10 и 11. Така офсетът и температурният му дрейф са редуцирани драстично, резолюцията и магниточувствителността са повишени - качества, отсъстващи в известното решение. В резултат метрологичната точност на сензора на Хол от Фигура 1 е значително повишена.
Сензорът на Хол с равнинна чувствителност може да се реализира с CMOS или BiCMOS технологии, като преобразувателната зона на структурата представлява дълбок п-тип силициев джоб 1. Интегралната микроелектронна технология позволява всички елементи, свързани с новия сензор на Хол, включително усилвателите 9, 10 и 11 да се реализират върху общ силициев чип, формирайки интелигентна микросистема (MEMS). Функционирането на предложения сензор е осъществимо в широк температурен интервал, включително при криогенни температури. За още по-висока чувствителност за целите на слабополевата магнитометрия и сигурността, чипът се разполага между два еднакви продълговати концентратори на магнитното поле В 7 от ферит или μ-метал.
Claims (1)
- Сензор на Хол с равнинна чувствителност, съдържащ полупроводникова подложка с n-тип примесна проводимост с формата на правоъгълен паралелепипед, върху едната страна на която на разстояния един от друг са формирани последователно пет правоъгълни омични контакта - първи, втори, трети, четвърти и пети, всичките успоредни помежду си и токоизточник, като първият и петият, и съответно вторият и четвъртият контакт са симетрично разположени спрямо третия, който е централен, като измерваното магнитно поле е успоредно както на равнината на подложката, така и на дългите страни на контактите, характеризиращ се с това, че вторият (3) и четвъртият (5) контакт са съединени с изводите на токоизточника (8), а първият (2) и централният (4) контакт са свързани с входа на първи измервателен усилвател (9), като централният (4) и петият (6) контакт са съединени с входа на втори измервателен усилвател (10), а първият (2) и централният (4) контакт и съответно централният (4) и петият (6) контакт са свързани едновременно само с неинвертиращите или само с инвертиращите входове на двата усилвателя (9 и 10), като изходите на тези усилватели (9 и 10) са свързани с входа на диференциален усилвател (11), чийто изход (12) е изходът на сензора на Хол
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| BG112878A BG67298B1 (bg) | 2019-02-07 | 2019-02-07 | Сензор на хол с равнинна чувствителност |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| BG112878A BG67298B1 (bg) | 2019-02-07 | 2019-02-07 | Сензор на хол с равнинна чувствителност |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| BG112878A BG112878A (bg) | 2020-08-31 |
| BG67298B1 true BG67298B1 (bg) | 2021-04-15 |
Family
ID=75537184
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| BG112878A BG67298B1 (bg) | 2019-02-07 | 2019-02-07 | Сензор на хол с равнинна чувствителност |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| BG (1) | BG67298B1 (bg) |
-
2019
- 2019-02-07 BG BG112878A patent/BG67298B1/bg unknown
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| BG112878A (bg) | 2020-08-31 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| BG67298B1 (bg) | Сензор на хол с равнинна чувствителност | |
| BG67509B1 (bg) | Магниточувствително устройство | |
| BG113056A (bg) | Интегрален сензор на хол | |
| BG113625A (bg) | Интегрален сензор на хол с равнинна чувствителност | |
| BG67250B1 (bg) | Полупроводниково устройство на хол | |
| BG112991A (bg) | Електронно устройство с равнинна магниточувствителност | |
| BG67386B1 (bg) | Интегрален сензор на хол с равнинна чувствителност | |
| BG66848B1 (bg) | Устройство на хол с равнинна чувствителност | |
| BG66830B1 (bg) | Равнинно-магниточувствително сензорно устройство | |
| BG112771A (bg) | Конфигурация на хол с равнинна магниточувствителност | |
| BG112935A (bg) | Микросензор за хол с равнинна чувствителност | |
| BG113356A (bg) | Микросензор на хол с повече от един изход | |
| BG112808A (bg) | Микросензор на хол с равнинна чувствителност | |
| BG112442A (bg) | Микросензор на хол | |
| BG113272A (bg) | Равнинно-магниточувствителен сензор | |
| BG67383B1 (bg) | Равнинно-магниточувствително устройство на хол | |
| BG66985B1 (bg) | Равнинно-магниточувствителен преобразувател на хол | |
| BG67551B1 (bg) | Двуосен магниточувствителен сензор, съдържащ елементи на хол | |
| BG67508B1 (bg) | Равнинно-магниточувствителен елемент | |
| BG67380B1 (bg) | Двумерен микросензор за магнитно поле | |
| BG66839B1 (bg) | Интегрален равнинно-магниточувствителен сензор на хол | |
| BG67248B1 (bg) | Полупроводникова конфигурация с равнинна магниточувствителност | |
| BG67249B1 (bg) | Интегрален микросензор на хол с равнинна чувствителност | |
| BG66711B1 (bg) | Сензор на хол с тангенциална ос на магниточувствителност | |
| BG67038B1 (bg) | Равнинно-магниточувствителна микросистема на хол |