BG67384B1 - Микросензор на хол с равнинна чувствителност - Google Patents

Abstract

Микросензорът на Хол с равнинна чувствителност съдържа две еднакви правоъгълни полупроводникови подложки с n-тип примесна проводимост - първа (1) и втора (2), разположени максимално близко и успоредно на дългите си страни. Върху едната страна на всяка от тях са формирани последователно на равни разстояния един от друг по четири правоъгълни омични контакта, отляво надясно - първи (3 и 4), втори (5 и 6), трети (7 и 8), и четвърти (9 и 10), разположени успоредно, както на дългите си страни, така и на късите страни на подложките (1 и 2). Вторият контакт (5) на първата подложка (1) и третият контакт (8) на втората подложка (2) през токоизточник (11) са свързани с четвъртия контакт (9) на първата (1) и с първия контакт (4) на втората (2) подложка. Първият контакт (3) на първата (1) подложка е съединен с втория контакт (6) на втората (2), а третият контакт (7) на първата (1) е свързан с четвъртия контакт (10) на втората подложка (2). Вторият (6) и четвъртият (10) контакт на втората подложка (2) са диференциалният изход (12) на микросензора, като измерваното магнитно поле (13) е успоредно, както на равнините на подложките (1 и 2), така и на дългите страни на контактите (3, 5, 7, 9, 4, 6, 8 и 10).

Description

(5 4) МИКРОСЕНЗОР НА ХОЛ С РАВНИННА ЧУВСТВИТЕЛНОСТ

Област на техниката

Изобретението се отнася до микросензор на Хол с равнинна чувствителност, приложимо в областта на роботиката и мехатрониката, квантовата комуникация, 3D роботизираната и минимално инвазивната хирургия включително телемедицината, безконтактната автоматика, слабополевата магнитометрия, измерването на ъглови и линейни премествания, контролно-измервателната технология, мултироторните безпилотни апарати, навигацията, интелигентните системи за сигурност, електромобилостроенето, енергетиката, позиционирането на обекти в равнината и пространството, военното дело и контратероризма.

Предшестващо състояние на техниката

Известен е микросензор на Хол с равнинна чувствителност, съдържащ токоизточник и две еднакви правоъгълни полупроводникови подложки с n-тип проводимост - първа и втора, 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 контакти - първи, втори, трети и четвърти. Вторият контакт на първата подложка и третият контакт на втората през токоизточника са свързани с четвъртия контакт на първата и с 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 са третият контакт на първата подложка и вторият контакт на втората, [1-4].

Недостатък на този микросензор на Хол с равнинна чувствителност е понижената измервателна точност от възникване на паразитно напрежение на диференциалния изход в отсъствие на магнитно поле (офсет) в резултат на електрическа асиметрия, породена от присъщата за този тип структури с планарни контакти асиметрия на токовата траектория по отношение на двата изходни контакта, както и неминуеми технологични несъвършенства, механични напрежения и деформации най -често от корпусирането на чипа, температурни градиенти и др.

Недостатък е също нелинейната компонента в изходното линейно напрежение в магнитно поле, поради различните по стойност потенциали на Хол върху двата изходни контакта, генерирани от ефекта на Хол, което е причина, независимо че изходът е диференциален, известна част от нелинейната магниторезистивна компонента да прониква в изхода, смесвайки се с метрологичния линеен Холов сигнал.

Техническа същност на изобретението

Задача на изобретението е да се създаде микросензор на Хол с равнинна чувствителност с висока измервателна точност и линеен изход.

Тази задача се решава с микросензор на Хол с равнинна чувствителност, съдържащ две еднакви правоъгълни полупроводникови подложки с n-тип примесна проводимост - първа и втора, разположени максимално близко и успоредно на дългите си страни. Върху едната страна на всяка от тях са формирани последователно на равни разстояния един от друг по четири правоъгълни омични контакти, от ляво надясно - първи, втори, трети и четвърти, разположени успоредно, както на дългите си страни, така и на късите страни на подложките. Вторият контакт на първата подложка и третият контакт на втората през токоизточник са свързани с четвъртия контакт на първата и с първия контакт на втората подложка. Първият контакт на първата подложка е съединен с втория контакт на втората, а третият контакт на първата е свързан с четвъртия контакт на втората подложка. Вторият и четвъртият контакт на втората подложка са диференциалният изход на микросензора, като измерваното магнитно поле е успоредно, както на равнините на подложките, така и на дългите страни на контактите.

Предимство на изобретението е високата измервателна точност от силно редуцирания офсет в резултат на свързване на контактите от двете подложки по двойки така, че се постига взаимно изравняване на електрическите потенциали на изхода в отсъствие на магнитно поле, въпреки асиметрията на токовите траектории.

Предимство е също високата линейност на изходното напрежение, поради оригиналното свързване на контактите, формиращи диференциалния изход, осъществявайки максимално възможна компенсация на нелинейното магнитосъпротивление.

Предимство е още и минималният температурен дрейф на изхода в резултат на компенсирания паразитен офсет.

Пояснение на приложената фигура

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

Пример за изпълнение на полезния модел

Микросензорът на Хол с равнинна чувствителност съдържа две еднакви правоъгълни полупроводникови подложки с n-тип примесна проводимост - първа 1 и втора 2, разположени максимално близко и успоредно на дългите си страни. Върху едната страна на всяка от тях са формирани последователно на равни разстояния един от друг по четири правоъгълни омични контакти, от ляво надясно - първи 3 и 4, втори 5 и 6, трети 7 и 8, и четвърти 9 и 10, разположени успоредно, както на дългите си страни, така и на късите страни на подложките 1 и 2. Вторият контакт 5 на първата подложка 1 и третият контакт 8 на втората 2 през токоизточник 11 са свързани с четвъртия контакт 9 на първата 1 и с първия контакт 4 на втората 2 подложка. Първият контакт 3 на първата 1 подложка е съединен с втория контакт 6 на втората 2, а третият контакт 7 на първата 1 е свързан с четвъртия контакт 10 на втората 2 подложка. Вторият 6 и четвъртият 10 контакт на втората подложка 2 са диференциалният изход 12 на микросензора, като измерваното магнитно поле 13 е успоредно, както на равнините на подложките 1 и 2, така и на дългите страни на контакти 3, 5, 7, 9, 4, 6, 8 и 10.

Действието на микросензора на Хол с равнинна чувствителност, съгласно изобретението, е следното. Поради планарността на захранващите омични контакти 4, 5, 8 и 9, фигура 1, в отсъствие на магнитно поле 13, В = 0, те представляват еквипотенциални равнини. Ето защо токовите траектории I₅,₉ и I₄,₈ първоначално са насочени вертикално надолу в обема на подложки 1 и 2, след това стават успоредни на горните им повърхности, и накрая отново са перпендикулярни към горните равнини. Следователно токовите линии I₅,₉ и I₄,₈ в така формираните два равнинно-магниточувствителни елемента на Хол са криволинейни. Съгласно еднаквостта на двете структури 1 и 2, и избраната оригинална схема, захранващите токове, след включване на токоизточника 11, са равни по стойност и са противоположно насочени, I₅,₉ и - I₄,₈. Предвид тази огледална симетрия на двата конструктивно идентични преобразуватели на Хол, както и максимално близкото им разположение, те могат де се разглеждат като функционално интегрирани в действието си. Това означава, че на индивидуалните им диференциални изходи V₃,₇(B) и V₆,₁₀(B), формирани от контакти 3 и 7, и съответно 6 и 10, при отсъствие на магнитно поле В = 0, в идеалния случай следва да отсъстват офсети, V₃,₇(B = 0) = V₆,₁₀(B = 0) = 0. В резултат обаче на геометричната асиметрия на двете токови траектории Г,9 и - I₄,8 спрямо съответните контакти 3 - 7 и 6 - 10, на тези изходи винаги присъства офсет V₃,₇(B = 0) ^ 0 и V₆,₁₀(B = 0) ^ 0. В предложеното решение, фигура 1, преодоляването на този сериозен сензорен недостатък се постига с директното окъсяване на контакти 3 и 6, и съответно 7 и 10 на подложки 1 и 2. При такова нестандартно свързване протичат компенсиращи (изравняващи) токове между самите подложки 1 и 2, уеднаквяващи електрическите условия (потенциали) в тях на изхода V₁₂ 12. Ето защо в зоните на двата изходни контакти 3 - 6 и 7 - 10 в отсъствие на магнитно поле В 13, В = 0, офсетът на изхода 12 е драстично редуциран или компенсиран, V₁₂(B = 0) ~ 0. Този подход в сравнение със сложната динамична компенсация на офсета при т. н. динамичен токов спининг [5], е съществено опростен и е иманентен на самото техническо решение. При това крайните резултати и в двата случая са близки.

При поставяне на микросензора на Хол с равнинна чувствителност в магнитно поле В 13, протичат следните магнитноелектрични процеси, генерирани чрез съответните сили на Лоренц Fl,i = qV* х В траекториите на движещите се в обемите на подложки 1 и 2 електрони със средна дрейфова скорост V* се изменят, q е елементарният товар на електрона. Например, в подложка 1 токовите линии F9 се „свиват” нагоре към повърхността и в зоната с контакт 7 се генерират от ефекта на Хол допълнителни отрицателни товари, като потенциалът там става отрицателен. Едновременно с това в зоната на контакт 3 потенциалът става положителен и между контакти 3 и I₄,₈ се удължава навътре в обема, като потенциалът върху контакт 6 става положителен, докато в зоната с контакт 10 се генерират от силата F_l допълнителни отрицателни товари - потенциалът там е отрицателен. В резултат върху контакти 6 и 10 се генерира напрежение на Хол, - V₆,₁₀(B). Сигналът - V₆,₁₀(B) обаче е с противоположна полярност на този между контакти 3 и 7, V₃,₇(B). Причината е противоположните посоки на захранващите токове F9 и - I₄,₈ в подложки 1 и 2. Следователно оригиналното свързване на двата елемента на Хол осъществява генериране на две напрежения на Хол V₃,₇(B) и - V₆,₁₀(B), които предвид идентичността на структурите 1 и 2 са близки по стойност, но с противоположен знак. Различието в двете напрежения V₃,₇(B) ^| - V₆,₁₀(B)| е от принципно естество. Поради несиметричността на токовите траектории спрямо изходните контакти, в магнитно поле В 13 на диференциалния изход на микросензора V₁₂(В) 12 присъства нелинейната магниторезистивна компонента MR ~ В², генерирана и чрез магнитноуправляемия повърхностен ток i_s(B), [8]. Тя не може да се компенсира напълно и по тази причина линейността се нарушава.

Използваното обаче непосредствено свързване на изходните контакти 3 - 6 и 7 - 10 изравнява чрез окъсяване на еднакви по знак офсет-потенциали, което води до максимално компенсиране на паразитното квадратично магнитосъпротивление MR ~ В² в изхода 12. Важна особеност е, че върху непосредствено съединените двойки контакти 3 - 6 и 7 - 10 в магнитно поле В 13 се генерират съответно допълнителни товари с противоположен знак, обуславящи диференциалния изход 12. По този начин се постига висока степен на линеаризация на изходното напрежение V₁₂(B) 12. В новото решение, фигура 1, захранващите (входните) и изходните контакти на двете структури 1 и 2 са взаимозаменяеми. Това е сериозно предимство в случая, ако се използва динамичен токов спининг за офсета, [5]. Разполагането на подложки 1 и 2 максимално близко една до друга позволява също практически идентични температурни условия за двата микросензора на Хол и висока пространствена резолюция при определяне на топологията на магнитната индукция В 13.

Също така чрез високата степен на компенсация на офсета се осъществява и минимизиране на температурния дрейф на характеристиките. Ето защо подобрената линейност, минималният температурен дрейф и редуцираният офсет едновременно повишават измервателната точност на микросензора на Хол.

Неочакваният положителен ефект на новото техническо решение е, че посредством иновативното свързване на омичните контакти на подложки 1 и 2 се осъществява въздействие върху галваномагнитните процеси в двете структури 1 и 2 с цел съществено подобряване на електрическата симетрия, изравняваща потенциалите на изходните контакти, което повишава измервателната точност чрез редуциран/компенсиран паразитен офсет, минимален температурен дрейф и подобрена линейност.

Реализацията на новия микросензор на Хол с равнинна чувствителност може да се осъществи с двойки дискретни структури 1 и 2, свързани съгласно схемата от фигура 1. По-добри характеристики и действие, обаче се постигат чрез интегрална реализация - силициевите CMOS или BiCMOS интегрални процеси. В този случай подложки 1 и 2 се формират с два отделни n-тип „джоба” в р-Si пластина. Планарните омични контакти 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 и 10 се осъществяват, например, с йонна имплантация и са силно легирани n⁺- области в n-Si „джобове”. Силициевите планарни технологии позволяват едновременното формиране на микросензора върху общ чип заедно с усилватели и интерфейсна електроника за обработка, дигитализиране и нормиране на изходния сигнал. В такова изпълнение новия сензор представлява интегрална схема.

Полупроводниковата конфигурация от фигура 1 може да функционира и в областта на криогенните температури, например, температурата на кипене на течния азот Т = 77 К. В този случай основно чрез минимизиран шум, сензорната конструкция е подходяща за слабополевата магнитометрия и контратероризма.

Claims (1)

1. Микросензор на Хол с равнинна чувствителност, съдържащ две еднакви правоъгълни полупроводникови подложки с n-тип проводимост - първа и втора, 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, втори, трети и четвърти, като вторият контакт на първата подложка и третият контакт на втората подложка през токоизточник са свързани с четвъртия контакт на първата и с първия контакт на втората подложка, като измерваното магнитно поле е успоредно, както на равнините на подложките, така и на дългите страни на контактите, характеризиращ се с това, че двете подложки (1) и (2) са разположени максимално близко една до друга, като първият контакт (3) на първата (1) подложка е съединен с втория контакт (6) на втората подложка (2), а третият контакт (7) на първата подложка (1) е свързан с четвъртия контакт (10) на втората подложка (2), като вторият (6) и четвъртият (10) контакт на втората подложка (2) са диференциалният изход (12) на микросензора