BG67381B1

BG67381B1 - Electronic device with planar magnetic sensitivity

Info

Publication number: BG67381B1
Application number: BG112991A
Authority: BG
Inventors: Сия ЛОЗАНОВА; Вълчева Лозанова Сия
Original assignee: Институт По Роботика - Бан
Priority date: 2019-09-03
Filing date: 2019-09-03
Publication date: 2021-10-29
Also published as: BG112991A

Abstract

The electronic device with planar magnetic sensitivity contains a current source (1) and a rectangular semiconductor wafer(2) with n-type hopping conduction. On its upper side are formed three rectangular ohmic contacts successively and at equal distances from each other, from left to right - first (4), second (6) and third (8), located parallel to their long sides, as the second contact (6) is central, and the first (4) and the third (8) are symmetrical with respect to it. The first (4) and the third contact (8) are connected to the current source (1), as the external measured magnetic field (11) is in the plane of the wafer (1) and is parallel to the long sides of the contacts (4, 6 and 7). There is also a second semiconductor wafer (3), located parallel to the first one (2) with its long sides and identical to it - with the same type of hopping conduction, number of contacts on one side and distances between them. The first contact (4) of the first wafer (2) is connected to the third contact (9) of the second (3) and the third contact (8) of the first wafer (2) is connected to the first contact (5) of the second wafer (3). The two central contacts (6 and 7) are the output (10) of the electronic device.

Description

(54) ЕЛЕКТРОННО УСТРОЙСТВО С РАВНИННА МАГНИТОЧУВСТВИТЕЛНОСТ(54) ELECTRONIC DEVICE WITH A PLANE MAGNETO-SUSCEPTIBILITY

Област на техникатаField of technique

Изобретението се отнася до електронно устройство с равнинна магниточувствителност, приложимо в областта на роботиката и мехатрониката, безпилотните летателни апарати, сензориката, микро- и нанотехнологиите, електромобилите и хибридните превозни средства, квантовите комуникационни системи с изкуствен интелект, биомедицинските изследвания и роботизираната хирургия, енергетиката, безконтактното измерване на ъглови и линейни премествания, контролно-измервателната техника и слабополевата магнитометрия, контратероризма, военното дело и сигурността, включително подводно, наземно и въздушно наблюдение и превенция.The invention relates to an electronic device with planar magnetic sensitivity, applicable in the fields of robotics and mechatronics, unmanned aerial vehicles, sensors, micro- and nanotechnology, electric cars and hybrid vehicles, quantum communication systems with artificial intelligence, biomedical research and robotic surgery, energy, non-contact measurement of angular and linear displacements, control and measurement techniques and weak-field magnetometry, counter-terrorism, military affairs and security, including underwater, land and air surveillance and prevention.

Предшестващо състояние на техникатаPrior art

Известно е електронно устройство с равнинна магниточувствителност, съдържащо токоизточник и правоъгълна полупроводникова подложка с n-тип примесна проводимост. Върху едната й страна последователно и на равни разстояния един от друг са формирани отляво надясно три правоъгълни омични контакти - първи, втори и трети, разположени успоредно с дългите си страни, като вторият контакт е централен, а първият и третият са симетрични спрямо него. Първият и третият контакт са свързани с токоизточника, към който са съединени и крайните контакти на високоомен тример. Средната точка на тримера и централният контакт са диференциалният изход на електронното устройство, а измерваното външно магнитно поле е в равнината на подложката и е успоредно на дългите страни на омичните контакти [1-9].An electronic device with planar magnetosensitivity is known, containing a current source and a rectangular semiconductor substrate with n-type impurity conductivity. On one of its sides, successively and at equal distances from each other, three rectangular ohmic contacts are formed from left to right - first, second and third, located parallel to their long sides, with the second contact being central, and the first and third being symmetrical to it. The first and third contacts are connected to the current source, to which the end contacts of a high-resistance trimmer are also connected. The middle point of the trimmer and the central contact are the differential output of the electronic device, and the measured external magnetic field is in the plane of the pad and is parallel to the long sides of the ohmic contacts [1-9].

Недостатък на това електронно устройство с равнинна магниточувствителност е редуцираната му преобразувателна ефективност (чувствителност), тъй като се използва само част от изходното напрежение, генерирано от ефекта на Хол в подложката.A disadvantage of this planar magnetosensitive electronic device is its reduced conversion efficiency (sensitivity), since only part of the output voltage generated by the Hall effect in the substrate is used.

Недостатък е също усложнената интегрална реализация на устройството, изискваща допълнителни технологични операции и процеси за формиране на високоомния тример с определена стойност в полупроводниковата подложка.A disadvantage is also the complicated integral implementation of the device, requiring additional technological operations and processes to form the high-resistance trimer with a certain value in the semiconductor substrate.

Техническа същност на изобретениетоTechnical essence of the invention

Задача на изобретението е да се създаде електронно устройство с равнинна магниточувствителност, притежаващо висока преобразувателна ефективност (чувствителност) и опростена технологична реализация.The task of the invention is to create an electronic device with planar magnetic sensitivity, having high conversion efficiency (sensitivity) and simplified technological implementation.

Тази задача се решава с електронно устройство с равнинна магниточувствителност, съдържащо токоизточник и две еднакви правоъгълни полупроводникови подложки с n-тип примесна проводимост първа и втора, разположени успоредно с дългите си страни. Върху едната страна на подложките последователно и на равни разстояния един от друг са формирани отляво надясно по три правоъгълни омични контакти - съответно първи, втори и трети, разположени успоредно един спрямо друг, като вторите контакти са централни, а първите и третите са симетрични спрямо централните. Първият контакт на първата подложка е свързан с третия контакт на втората, като общата им точка е съединена с единия извод на токоизточника. Третият контакт на първата подложка е свързан с първия контакт на втората, като общата точка е съединена с другия извод на токоизточника. Двата централни контакта са диференциалният изход на електронното устройство, като измерваното външно магнитно поле е в равнината на подложките и е успоредно на дългите страни на омичните контакти.This task is solved with a planar magnetosensitive electronic device containing a current source and two identical rectangular semiconductor pads with n-type impurity conductivity first and second, located parallel to their long sides. On one side of the pads, successively and at equal distances from each other, three rectangular ohmic contacts are formed from left to right - first, second and third, respectively, located parallel to each other, with the second contacts being central, and the first and third being symmetrical with respect to the central ones . The first contact of the first pad is connected to the third contact of the second, and their common point is connected to one terminal of the current source. The third contact of the first pad is connected to the first contact of the second, the common point being connected to the other terminal of the current source. The two central contacts are the differential output of the electronic device, with the measured external magnetic field being in the plane of the pads and parallel to the long sides of the ohmic contacts.

Предимство на изобретението е повишената магниточувствителност в резултат на формираната втора подложка, идентична на първата и функционално интегрирана с нея така, че захранващият ток да е с противоположна посока спрямо този в първата подложка, като в резултат изходното напрежение на Хол съществено нараства в сравнение с известното решение.An advantage of the invention is the increased magnetosensitivity as a result of the formed second pad, identical to the first and functionally integrated with it so that the supply current is in the opposite direction to that in the first pad, with the result that the output Hall voltage is significantly increased compared to the known answer.

Предимство е още опростената реализация на устройството чрез пълна съвместимост с еднотипни процеси на силициевите технологии, използвани в микроелектрониката като отпадат допълнителните операции за формиране на тримера, ролята на който изцяло се изпълнява от втората подложка с трите омични контакти, осъществена в общ технологичен цикъл с първата.Another advantage is the simplified implementation of the device through full compatibility with the same type of processes of silicon technologies used in microelectronics, eliminating the additional operations for forming the trimmer, the role of which is completely performed by the second pad with the three ohmic contacts, carried out in a common technological cycle with the first .

Предимство е също и минималната метрологична грешка от неминуеми технологични и геометрични несъвършенства при реализацията, формиращи най-вече паразитен офсет (паразитно напрежение на изхода в отсъствие на магнитно поле), който в нашия случай е драстично минимизиран от непосредственото свързване по определен начин на първите и третите контакти на двете подложки.An advantage is also the minimal metrological error from inevitable technological and geometrical imperfections in the implementation, forming mostly parasitic offset (parasitic voltage at the output in the absence of a magnetic field), which in our case is drastically minimized by the direct connection in a certain way of the first and the third contacts of the two pads.

Пояснение на приложената фигураExplanation of the attached figure

По-подробно изобретението се пояснява с едно негово примерно изпълнение, дадено на приложената фигура 1.The invention is explained in more detail with an exemplary embodiment given in the attached figure 1.

Примери за изпълнение на изобретениетоExamples of implementation of the invention

Електронното устройство с равнинна магниточувствителност съдържа токоизточник 1 и две еднакви правоъгълни полупроводникови подложки с n-тип примесна проводимост - първа 2 и втора 3, разположени успоредно с дългите си страни. Върху едната страна на подложките 2 и 3 последователно и на равни разстояния един от друг са формирани отляво надясно по три правоъгълни омични контакти - съответно първи 4 и 5, втори 6 и 7, и трети 8 и 9, разположени успоредно един спрямо друг, като вторите контакти 6 и 7 са централни, а първите 4 и 5, и третите 8 и 9 са симетрични спрямо централните 6 и 7. Първият контакт 4 на първата подложка 2 е свързан с третия контакт 9 на втората 3, като общата им точка е съединена с единия извод на токоизточника 1. Третият контакт 8 на първата подложка 2 е свързан с първия контакт 5 на втората 3, като общата точка е съединена с другия извод на токоизточника 1. Двата централни контакта 6 и 7 са диференциалният изход 10 на електронното устройство, като измерваното външно магнитно поле 11 е в равнината на подложките 2 и 3, и е успоредно на дългите страни на контакти 4, 5, 6, 7, 8 и 9.The electronic device with planar magnetic sensitivity contains a current source 1 and two identical rectangular semiconductor pads with n-type impurity conductivity - the first 2 and the second 3, located parallel to their long sides. On one side of the pads 2 and 3, successively and at equal distances from each other, three rectangular ohmic contacts are formed from left to right - respectively, first 4 and 5, second 6 and 7, and third 8 and 9, located parallel to each other, as the second contacts 6 and 7 are central, and the first 4 and 5, and the third 8 and 9 are symmetrical to the central 6 and 7. The first contact 4 of the first pad 2 is connected to the third contact 9 of the second 3, their common point being joined with one terminal of the current source 1. The third contact 8 of the first pad 2 is connected to the first contact 5 of the second 3, and the common point is connected to the other terminal of the current source 1. The two central contacts 6 and 7 are the differential output 10 of the electronic device, as the measured external magnetic field 11 is in the plane of the pads 2 and 3, and is parallel to the long sides of contacts 4, 5, 6, 7, 8 and 9.

Действието на електронното устройство с равнинна магниточувствителност, съгласно изобретението, е следното.The operation of the electronic device with planar magnetic sensitivity, according to the invention, is as follows.

Метрологичната информация се основава на генерирането на ефект на Хол чрез успоредно на равнините на подложки 2 и 3 магнитно поле В 11 (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 - 9]. Предвид планарността на захранващите контакти 4, 5, 8 и 9, Фигура 1, при включване на източника E_S 1 и в отсъствие на магнитно поле 11, В = 0, те представляват еквипотенциални равнини за токовите линии. Токовите траектории през тези контактни повърхности първоначално са насочени вертикално надолу в обема на подложки 2 и 3, след това стават успоредни на горните им страни, и накрая отново са перпендикулярни към планарните контакти 4, 5 или 8, 9. Следователно токовите линии в подложките 2 и 3 са криволинейни. Съгласно иновативното свързване на двойките контакти 4 - 9 и 5 - 8, посоките на равните по стойност захранващи токове през тях са противоположно насочени. В резултат на евентуална геометрична асиметрия, технологични несъвършенства, вътрешни механични напрежения, температурни флуктуации и т.н., на изхода V₆,₇ 10 на устройството от Фигура 1 възниква паразитен офсет V₆,₇(B = 0) ^ 0. Фактически съществуването на такова изходно напрежение означава, че в идентичните структури 2 и 3 съществува електрическа асиметрия. В предложеното решение, Фигура 1, преодоляването на този сериозен сензорен недостатък се постига чрез директното свързване на контакти 4 - 9 и 5 - 8. При такова нестандартно окъсяване протичат компенсиращи (изравняващи) токове между подложките 2 и 3, уеднаквяващи електрическите условия в тях. Ето защо в зоните на двата изходни контакта 6 и 7 в отсъствие на магнитно поле В 11, В = 0, офсетът е драстично редуциран или компенсиран (нулиран), V ₆,₇(B = 0) ~ 0. Този подход в сравнение със сложната динамична компенсация на офсета или т.нар. токов спининг [7, 8] е съществено опростен и е иманентен на самото техническо решение, като крайните резултати и в двата случая са близки.Metrological information is based on the generation of the Hall effect by parallel to the planes of substrates 2 and 3 magnetic field B 11 (contrary to the generally accepted vertical activation of the Hall phenomenon) - a regularity discovered and used for the first time by C. Rumenin and P. Kostov, and further developed by S. Lozanova [1 - 9]. Given the planarity of the power contacts 4, 5, 8 and 9, Figure 1, when the source E _S 1 is turned on and in the absence of a magnetic field 11, B = 0, they represent equipotential planes for the current lines. The current trajectories through these contact surfaces are initially directed vertically downward into the volume of pads 2 and 3, then become parallel to their upper sides, and finally again perpendicular to the planar contacts 4, 5 or 8, 9. Therefore, the current lines in the pads 2 and 3 are curvilinear. According to the innovative connection of pairs of contacts 4 - 9 and 5 - 8, the directions of the supply currents of equal value through them are oppositely directed. As a result of possible geometric asymmetry, technological imperfections, internal mechanical stresses, temperature fluctuations, etc., a parasitic offset V ₆ , ₇ (B = 0) ^ 0 occurs at the output V ₆ , ₇ 10 of the device of Figure 1. In fact the existence of such an output voltage means that an electrical asymmetry exists in the identical structures 2 and 3. In the proposed solution, Figure 1, overcoming this serious sensor defect is achieved by directly connecting contacts 4 - 9 and 5 - 8. With such a non-standard shorting, compensating (equalizing) currents flow between pads 2 and 3, equating the electrical conditions in them. Therefore, in the areas of the two output contacts 6 and 7 in the absence of a magnetic field B 11, B = 0, the offset is drastically reduced or compensated (zeroed), V ₆ , ₇ (B = 0) ~ 0. This approach compared to the complex dynamic compensation of the offset or the so-called current spinning [7, 8] is significantly simplified and is inherent in the technical solution itself, and the final results in both cases are close.

Прилагане на измерваното магнитно поле В 11 успоредно на подложките 2 и 3, и на дългите страни на контакти 4, 5, 6, 7, 8 и 9, които едновременно са перпендикулярни на дългите страни на подложките 2 и 3, 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, Fl = qV* х В върху всеки сегмент от траекториите I₄,₈ и I₉,₅, където q е елементарният товар на електрона, a V* е векторът на средната дрейфова скорост на електроните в обемите на подложки 2 и 3. На Фигура 1 магнитният вектор В 11 е перпендикулярен на напречните сечения на структури 2 и 3. В резултат на Лоренцовото отклонение от силите F_Li, в зависимост от посоките на захранващите токове в подложки 2 и 3, и на магнитното поле В 11, нелинейните траектории “се свиват” и/или съответно “разширяват”. По тази причина върху централните планарни контакти 6 и 7, както на изходните терминали 10 се генерират едновременно Холови потенциали, еднакви по стойност и с противоположен знак: V_H6(B) и - V_H7(B). Фактически измерваното магнитно поле В 11 променя антифазно положението на токовите траектории спрямо централните контакти 6 и 7. Същевременно върху диференциалния изход 10 на електронното устройство възниква напрежение на Хол, VH = V₆,₇(В). То се генерира от противоположно протичащите захранващи токове I₄,₈ и -I₅,g в първата 2 и втората 3 подложка, водещи до повишаване и съответно понижаване на потенциалите на контакти 6 и 7 от действието в противоположни посоки на силата на Лоренц F_L. Сигналът V₆,₇(В) е линейна и нечетна функция от силата и посоката на общия захранващ ток и на магнитното поле В 11 и е с високо метрологично качество.Applying the measured magnetic field B 11 parallel to the pads 2 and 3, and to the long sides of contacts 4, 5, 6, 7, 8 and 9, which are simultaneously perpendicular to the long sides of the pads 2 and 3, leads to a lateral (lateral ) deviation of the nonlinear current lines along their entire length. This is due to the action of the Lorentz forces F _L ,i, Fl = qV* x B on each segment of the trajectories I ₄ , ₈ and I ₉ , ₅ , where q is the elementary charge of the electron, and V* is the vector of the average drift speed of electrons in the volumes of pads 2 and 3. In Figure 1, the magnetic vector B 11 is perpendicular to the cross sections of structures 2 and 3. As a result of the Lorentzian deviation from the forces F _Li , depending on the directions of the supply currents in the pads 2 and 3, and on the magnetic field B 11, the non-linear trajectories "contract" and/or "expand", respectively. For this reason, on the central planar contacts 6 and 7, as well as on the output terminals 10, Hall potentials, equal in value and opposite in sign, are simultaneously generated: V _H6 (B) and - V _H7 (B). The actually measured magnetic field B 11 changes the antiphase position of the current trajectories relative to the central contacts 6 and 7. At the same time, a Hall voltage VH = V ₆ , ₇ (B) arises on the differential output 10 of the electronic device. It is generated by the oppositely flowing supply currents I ₄ , ₈ and -I ₅ ,g in the first 2 and the second 3 pads, leading to an increase and a corresponding decrease in the potentials of contacts 6 and 7 from the action in opposite directions of the Lorentz force F _L . The signal V ₆ , ₇ (B) is a linear and odd function of the strength and direction of the total supply current and of the magnetic field B 11 and is of high metrological quality.

В новото решение за първи път се използва иновативен способ за повишаване на магниточувствителността на изхода V₆,₇(В) с помощта на еднакви по стойност, но с противоположен знак Холови потенциали, генерирани от протичащите противоположни токове в първата 2 и втората 3 подложка. По същество структури 2 и 3 заедно с контакти 4, 6 и 8, съответно 5, 7 и 9 представляват триконтактни елементи на Хол, описани и анализирани за първи път в [1 - 9]. Способът на свързване, използван в устройството на Хол от Фигура 1 увеличава съществено изходното напрежение VH = V6,7(B) 10 и магниточувствителността нараства. В новото решение отпада необходимостта да се използват усложняващи технологични операции и процеси за реализиране на високоомния тример. Постига се пълна технологична съвместимост чрез еднотипни процеси на силициевите технологии за реализация на цялото електронно устройство. В резултат от минимизиране на паразитния офсет и удвоената преобразувателна ефективност измервателната точност на конфигурацията е повишена, т.е. измервателната грешка е минимизирана. За високата преобразувателна ефективност допринася и магнитноуправляемият повърхностен ток, [10].In the new solution, for the first time, an innovative method is used to increase the magnetosensitivity of the output V ₆ , ₇ (B) using Hall potentials of the same value, but of opposite sign, generated by the flowing opposite currents in the first 2 and the second 3 pads. Essentially, structures 2 and 3 together with contacts 4, 6 and 8, respectively 5, 7 and 9 represent three-contact Hall elements, described and analyzed for the first time in [1 - 9]. The connection method used in the Hall device of Figure 1 substantially increases the output voltage VH = V6,7(B) 10 and the magnetic susceptibility increases. The new solution eliminates the need to use complicating technological operations and processes to implement the high-resistance trimmer. Full technological compatibility is achieved through identical silicon technology processes for the realization of the entire electronic device. As a result of minimizing the parasitic offset and doubling the conversion efficiency, the measurement accuracy of the configuration is increased, i.e. measurement error is minimized. The magnetically controlled surface current also contributes to the high conversion efficiency, [10].

Неочакваният положителен ефект на новото техническо решение е, че посредством оригиналната конструкция и иновативното свързване на контакти 4 - 9 и 5 - 8 на подложки 2 и 3 се постига: а) съществено нарастване на изходното напрежение на Хол V_6j7(B) 10 като чувствителността се повишава, б) драстично редуциране чрез изравняващи токове на един от най-сериозните недостатъци - офсетът и в) опростяване на технологичната реализация на устройството.The unexpected positive effect of the new technical solution is that by means of the original design and the innovative connection of contacts 4 - 9 and 5 - 8 on pads 2 and 3, the following is achieved: a) a significant increase in the Hall output voltage V _6j7 (B) 10 as the sensitivity increases, b) drastic reduction through equalizing currents of one of the most serious disadvantages - the offset and c) simplification of the technological implementation of the device.

Технологичното изпълнение на електронното устройство се осъществява на основата на силициеви CMOS или BiCMOS интегрални процеси. Формират се дълбоки n-тип „джобове” в p-Si пластини. Планарните омични контакти 4, 5, 6, 7, 8 и 9 се осъществяват с йонна имплантация и представляват силно легирани n⁺-области в n-Si „джобове”. Силициевите планарни технологии позволяват едновременното формиране на общ чип и на обработващата електронна схемотехника на изходното напрежение V₆,₇(B) 10 в зависимост от конкретното приложение. Конфигурацията от Фигура 1 е работоспособна и в областта на криогенните температури, например, температурата на кипене на течния азот Т = 77 K, което разширява сферата на приложение, особено при слабополевата магнитометрия и контратероризма.The technological implementation of the electronic device is based on silicon CMOS or BiCMOS integral processes. Deep n-type “pockets” are formed in p-Si wafers. Planar ohmic contacts 4, 5, 6, 7, 8 and 9 are ion-implanted and represent heavily doped n ⁺ -regions in n-Si “pockets”. Silicon planar technologies allow the simultaneous formation of a common chip and the processing electronic circuitry of the output voltage V ₆ , ₇ (B) 10 depending on the specific application. The configuration of Figure 1 is also operable in the region of cryogenic temperatures, for example, the boiling temperature of liquid nitrogen T = 77 K, which expands the field of application, especially in weak-field magnetometry and counterterrorism.

Claims

Electronic device with planar magnetic sensitivity, containing a current source and a rectangular semiconductor substrate with n-type impurity conductivity, as on its upper side three rectangular ohmic contacts are formed sequentially and at equal distances from left to right - first, second and third, located parallel to its long sides, the second contact being central and the first and third being symmetrical to it, the first and third contacts being connected to the current source, and an externally measured magnetic field being in the plane of the substrate and parallel to the long sides of the contacts. that there is a second semiconductor substrate (3), located parallel to the first (2) with its long sides and identical to it - with the same type of conductivity, number of ohmic contacts on one side and distances between them, as the first contact (4 ) of the first pad (2) is connected to the third contact (9) of the second pad (3), the third contact (8) of the first pad (2) is connected with the first contact (5) of the second pad (3), and the two central contacts (6 and 7) are the output (10) of the electronic device