BG67507B1

BG67507B1 - Magnetic field sensitive microsensor

Info

Publication number: BG67507B1
Application number: BG113258A
Authority: BG
Inventors: Сия ЛОЗАНОВА; Вълчева Лозанова Сия
Original assignee: Институт по роботика-БАН
Priority date: 2020-11-06
Filing date: 2020-11-06
Publication date: 2023-03-31
Also published as: BG113258A

Abstract

The magnetic field sensitive microsensor contains two thin and identical semiconductor pads (1 and 2) which have the shape of equilateral triangles and n-type impurity conductors. The triangular pads (1 and 2) are positioned close to each other, wherein each of them has one parallel side and the apexes opposite to these sides are aligned in one axis. Each apex of the two semiconductor pads is provided with an ohmic contact (3, 4, 5) and respectively (6, 7, 8), wherein the ohmic contacts at the opposite apices (3 and 6) are connected to the terminals of a power source (9). Each opposite contact – (4 and 8) and respectively (5 and 7) – in each pair of contacts – (5 and 7) and respectively (4 and 8) – of the two parallel sides of the pads (1 and 2) is connected, wherein the connected pairs (4–8) and (5–7) form a differential terminal (10) of the microsensor. The measured magnetic field (11) is perpendicular to the plane of the pads (1 and 2).

Description

Изобретението се отнася до магниточувствителен микросензор, приложимо в областта на роботиката и биороботиката, мехатрониката, 3D роботизираната и минимално инвазивната хирургия, включително телемедицината, слабополевата магнитометрия, квантовата комуникация, позиционирането на обекти в равнината и пространството, безконтактната автоматика, измерването на ъглови и линейни премествания, мултироторните безпилотни апарати, системите за сигурност с изкуствен интелект, навигацията, електромобилостроенето, в това число ABS модулите и устройствата за състояние отворено/затворено на вратите на превозните средства, енергетиката, военното дело, контратероризма и др.The invention relates to a magnetosensitive microsensor applicable in the field of robotics and biorobotics, mechatronics, 3D robotic and minimally invasive surgery, including telemedicine, weak-field magnetometry, quantum communication, positioning of objects in the plane and space, non-contact automation, measurement of angular and linear displacements , multi-rotor drones, AI security systems, navigation, electric vehicles including ABS modules and vehicle door open/close devices, energy, military, counter-terrorism, etc.

Предшестващо състояние на техникатаPrior art

Известен е магниточувствителен микросензор, съдържащ тънка правоъгълна полупроводникова подложка с n-тип примесна проводимост, върху едната й страна са формирани на равни разстояния един от друг три правоъгълни омични контакти - един централен и два крайни. Крайните контакти с дългите си страни са симетрични спрямо дългите страни на централния. С по един товарен високоомен резистор крайните контакти са свързани с единия извод на токоизточник, другият извод на който е съединен с централния контакт. Диференциалният изход на микросензора са крайните контакти като измерваното магнитно поле е успоредно на равнината на подложката и на дългите страни на контактите [1-10].A magnetosensitive microsensor is known, containing a thin rectangular semiconductor substrate with n-type impurity conductivity, on one side of which three rectangular ohmic contacts are formed at equal distances from each other - one central and two end. The end contacts with their long sides are symmetrical with respect to the long sides of the central one. With one load high-resistance resistor each, the end contacts are connected to one terminal of a current source, the other terminal of which is connected to the central contact. The differential output of the microsensor is the end contacts, as the measured magnetic field is parallel to the plane of the substrate and to the long sides of the contacts [1-10].

Недостатък на този магниточувствителен микросензор е пониженото му изходно напрежение от увеличеното разстояние между преобразувателната зона и активиращия го постоянен магнит поради задължителното разполагане на ширината на правоъгълния чип заедно с дългите страни на контактите успоредно на полето на магнита, като дистанцията съставлява няколко милиметра.A disadvantage of this magnetosensitive microsensor is its reduced output voltage from the increased distance between the conversion zone and the permanent magnet that activates it due to the mandatory arrangement of the width of the rectangular chip together with the long sides of the contacts parallel to the field of the magnet, the distance being several millimeters.

Недостатък е също усложнената реализация на микросензора чрез интегралните силициеви технологии, използвани в микроелектрониката, изискваща различни по своята същност процеси в изграждането на силициевата структура от една страна и при формирането на двата товарни високоомни резистора от друга.A disadvantage is also the complicated implementation of the microsensor through the integral silicon technologies used in microelectronics, requiring inherently different processes in the construction of the silicon structure on the one hand and in the formation of the two load high-resistance resistors on the other.

Техническа същност на изобретениетоTechnical essence of the invention

Задача на изобретението е да се създаде магниточувствителен микросензор, който да е с високо изходно напрежение и с опростена технологична реализация в рамките на едни и същи интегрални микроелектронни процеси.The task of the invention is to create a magnetosensitive microsensor that has a high output voltage and a simplified technological implementation within the same integral microelectronic processes.

Тази задача се решава с магниточувствителен микросензор, съдържащ две тънки и еднакви полупроводникови подложки с формата на равностранен триъгълник и с n-тип примесна проводимост. Подложките са близко разположени, като имат по една взаимно успоредна страна, а противоположните на тези страни върхове лежат на една ос. На всеки връх на двете триъгълни подложки е формиран омичен контакт, като тези от противоположните им върхове са съединени с изводите на токоизточник. Всеки един срещулежащ контакт от двойките контакти на двете успоредни страни на подложките е свързан, като така съединените контакти образуват диференциалния изход на микросензора, а измервано магнитно поле е перпендикулярно на равнината на подложките.This task is solved with a magnetosensitive microsensor containing two thin and identical semiconductor substrates in the shape of an equilateral triangle and with n-type impurity conductivity. The pads are closely spaced, having one side parallel to each other, and the vertices opposite to these sides lie on the same axis. An ohmic contact is formed at each vertex of the two triangular pads, with those from their opposite vertices connected to the terminals of a current source. Each opposite contact of the pairs of contacts on the two parallel sides of the pads is connected, and the connected contacts form the differential output of the microsensor, and a measured magnetic field is perpendicular to the plane of the pads.

Предимство на изобретението е високото изходно напрежение в резултат на силно редуцираното разстояние между преобразувателните зони на микросензора и управляващия магнит, съставляващо в общия случай няколко десетки микрометра.An advantage of the invention is the high output voltage as a result of the greatly reduced distance between the conversion zones of the microsensor and the control magnet, constituting in the general case several tens of micrometers.

Предимство е също увеличената магниточувствителност на микросензора поради остроъгълната форма на зоните с двойките изходни контакти, в които се натрупват допълнителните товари от силите на Лоренц в магнитно поле, повърхностната плътност на които там е голяма, и следователно потенциалите и напрежението на Хол са високи.An advantage is also the increased magnetosensitivity of the microsensor due to the acute-angled shape of the zones with the pairs of output contacts, in which the additional charges from the Lorentz forces in a magnetic field accumulate, the surface density of which is high there, and therefore the Hall potentials and voltages are high.

Предимство е още пълната технологична съвместимост чрез еднотипни процеси на силициевите интегрални технологии, използвани в микроелектрониката за реализация изцяло на двете триъгълни конфигурации на микросензора като отпада необходимостта от товарни високоомни резистори.Another advantage is the complete technological compatibility through the same type of processes of the silicon integral technologies used in microelectronics for the realization of the two triangular configurations of the microsensor, eliminating the need for load high-resistance resistors.

Предимство е и редуцираното паразитно изходно напрежение (офсет) на микросензора поради свързването на двойки контакти от двете подложки, като при това окъсяване протичат компенсиращи токове между подложките, изравняващи електричните условия в тях в отсъствие на магнитно поле.An advantage is also the reduced parasitic output voltage (offset) of the microsensor due to the connection of pairs of contacts from the two pads, and with this shortening, compensating currents flow between the pads, equalizing the electrical conditions in them in the absence of a magnetic field.

Предимство е също повишената измервателна точност в резултат на силно редуцирания паразитен офсет на микросензора по причина на така осъщественото свързване на съответните двойки срещулежащи контакти и повишената магниточувствителност.An advantage is also the increased measurement accuracy as a result of the greatly reduced parasitic offset of the microsensor due to the connection of the respective pairs of opposite contacts and the increased magnetic sensitivity.

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

Магниточувствителният микросензор съдържа две тънки и еднакви полупроводникови подложки 1 и 2 с формата на равностранен триъгълник и с n-тип примесна проводимост. Триъгълните подложки 1 и 2 са с формата на равностранен триъгълник и с n-тип примесна проводимост. Подложките 1 и 2 са близко разположени, като имат по една взаимно успоредна страна, а противоположните на тези страни върхове лежат на една ос. На всеки връх на двете триъгълни подложки 1 и 2 е формиран омичен контакт 3, 4, 5 и съответно 6, 7, 8, като тези на противоположните им върхове 3 и 6 са съединени с изводите на токоизточник 9. Всеки един срещулежащ контакт 4 и 8, и съответно 5 и 7 от двойките контакти 5 и 7, и 4 и 8 на двете успоредни страни на подложките 1 и 2 е свързан, като така съединените двойки 4-8 и 5-7 образуват диференциалният изход 10 на микросензора, а измерваното магнитно поле 11 e перпендикулярно на равнината на подложките 1 и 2.The magnetosensitive microsensor contains two thin and identical semiconductor substrates 1 and 2 in the shape of an equilateral triangle and with n-type impurity conductivity. Triangular pads 1 and 2 are in the shape of an equilateral triangle and have n-type impurity conductivity. The pads 1 and 2 are closely spaced, having one side parallel to each other, and the vertices opposite to these sides lie on one axis. An ohmic contact 3, 4, 5 and 6, 7, 8, respectively, is formed at each vertex of the two triangular pads 1 and 2, and those of their opposite vertices 3 and 6 are connected to the terminals of a current source 9. Each opposite contact 4 and 8, and respectively 5 and 7 of the pairs of contacts 5 and 7, and 4 and 8 on the two parallel sides of the pads 1 and 2 is connected, thus the connected pairs 4-8 and 5-7 form the differential output 10 of the microsensor, and the measured magnetic field 11 is perpendicular to the plane of the pads 1 and 2.

Действието на магниточувствителния микросензор, съгласно изобретението, се основава на генерирането на ефект на Хол с перпендикулярно на триъгълните полупроводникови подложки 1 и 2 магнитно поле В 11. При включване на токоизточника E_S 9, Фигура 1, и в отсъствие на магнитно поле 11, В = 0, токовите линии I3 стартират от единия противоположен връх, например 3, разделят се на два компонента I₄ и I₅, преминават през съединените двойки срещулежащи контакти 5-7 и съответно 4-8, формирайки отново два компонента I7 и Is, които се събират в омичния контакт 6 на подложката 2, като I3 = 1б. Предвид симетрията на двете равностранни триъгълни подложки 1 и 2, контактите 4 и 5, и съответно 7 и 8 на страните, които са успоредни, за токовите компоненти е в сила равенството I₅ = I₄ = I₇ = I_s. Предвид триъгълните nтип структури 1 и 2, токовите линии в тях са криволинейни. В резултат на евентуална геометрична асиметрия, технологични несъвършенства, вътрешни механични напрежения и структурни дефекти, температурни флуктуации и т.н., на изхода 10 V10, формиран чрез съединените двойки контакти 4-8 и 5-7, Фигура 1, възниква офсет V₁₀(B=0) ^ 0. Фактически съществуване на такова паразитно изходно напрежение означава, че в идентичните структури 1 и 2 е възникнала електрична асиметрия. В предложеното решение, Фигура 1, преодоляването на този сериозен сензорен недостатък се постига с директното свързване на контактите 4 и 8, и съответно 5 и 7. При това окъсяване на контактите 4-8, 5-7 от двете подложки 1 и 2 в отсъствие на магнитно поле В 11, протичат токове между подложките 1 и 2, изравняващи електричните условия в тях, включително и в зоните на двойките изходни контакти 5-7 и 4-8. При така осъщественото свързване и структурната симетрия се цели еквипотенциалност на изводните терминали 10.The action of the magnetosensitive microsensor, according to the invention, is based on the generation of the Hall effect with a magnetic field B 11 perpendicular to the triangular semiconductor substrates 1 and 2. When the current source E _S 9, Figure 1 is turned on, and in the absence of a magnetic field 11, B = 0, current lines I3 start from one opposite peak, for example 3, split into two components I ₄ and I ₅ , pass through the connected pairs of opposite contacts 5-7 and 4-8, respectively, forming again two components I7 and Is, which are collected in the ohmic contact 6 of the pad 2, as I3 = 1b. Given the symmetry of the two equilateral triangular pads 1 and 2, contacts 4 and 5, and respectively 7 and 8 on the sides, which are parallel, the equality I ₅ = I ₄ = I ₇ = I _s is valid for the current components. Given the triangular ntype structures 1 and 2, the current lines in them are curvilinear. As a result of possible geometric asymmetry, technological imperfections, internal mechanical stresses and structural defects, temperature fluctuations, etc., at the output 10 V10, formed by the connected pairs of contacts 4-8 and 5-7, Figure 1, an offset V ₁₀ occurs (B=0) ^ 0. The actual existence of such a parasitic output voltage means that an electrical asymmetry has occurred in the identical structures 1 and 2. In the proposed solution, Figure 1, overcoming this serious sensor drawback is achieved by directly connecting contacts 4 and 8, and respectively 5 and 7. In this shortening of contacts 4-8, 5-7 from both pads 1 and 2 in the absence of the magnetic field B 11, currents flow between the pads 1 and 2, equalizing the electrical conditions in them, including in the areas of the pairs of output contacts 5-7 and 4-8. Equipotentiality of the output terminals 10 is aimed at the thus realized connection and structural symmetry.

Предложеният в решението от Фигура 1 подход за минимизиране на офсета, в сравнение със сложната динамична компенсация на този недостатък или т.н. токов спининг [6-8], е съществено опростен и е иманентен на самото техническо решение, като крайните резултати и в двата случая са близки. Следователно, при минимизиран офсет V₁₀ = 0) ~ 0 измервателната точност на конфигурацията нараства. Следва да се отбележи, че токовият спининг е също успешно приложим към новото техническо решение, Фигура 1, тъй като необходимата за този метод симетрия е налична при взаимната успоредност на две от страните на равностранните триъгълни подложки 1 и 2.The proposed solution in Figure 1 approach to minimize the offset, compared to the complex dynamic compensation of this disadvantage or so. current spinning [6-8], is significantly simplified and is inherent in the technical solution itself, and the final results in both cases are close. Therefore, with minimized offset V ₁₀ = 0) ~ 0, the measurement accuracy of the configuration increases. It should be noted that current spinning is also successfully applicable to the new technical solution, Figure 1, since the symmetry required for this method is available in the mutual parallelism of two of the sides of the equilateral triangular pads 1 and 2.

При включване на магнитното поле В 11 перпендикулярно на подложките 1 и 2, т.е. когато то е насочено успоредно на дебелината t на чипа (обикновено тя е с размери t ~ 200 - 250 pm), магнитът може да се разположи твърде близко до ефективната преобразувателна зона на микросензора. Ето защо ортогоналното поле В 11 чрез действието на силите на Лоренц F_L,i, F_Li = qV_dr х В води до странично (латерално) отклонение на нелинейните токови траектории по цялата им дължина в равнините на триъгълните подложки 1 и 2, където q е елементарният товар на електрона, а V* е векторът на средната дрейфова скорост на електроните в структурите 1 и 2. В резултат на Лоренцовото отклонение, в зависимост от посоките на захранващия ток 1з,б и на магнитното поле В 11, нелинейните траектории и в двете подложки 1 и 2 “се изгъват” едновременно към областите с контактите, например, 5 и 7, или към тези с контактите 4 и 8. По тази причина в резултат на отклонението на тока 1₃,_б към зоните на контактите 5 и 7, там се генерират допълнителни електрони, съответно възникват еднакви по стойност отрицателни Холови потенциали: V_H5(B) и - Vh₇(B), |- V_H5(B)| = |- V_H7(B)|. Едновременно в противоположните зони при контактите 4 и 8 допълнителните потенциали V_h4(B) и V_h8(B) са положителни, V_h4(B) = V_h8(B). Фактически измерваното магнитно поле В 11 нарушава цялостната електрическа симетрия на токовите траектории спрямо централната ос 3 - 6 в подложките 1 и 2. Ето защо върху диференциалния изход 10 на сензора, формиран от свързаните контакти 5-7 и съответно 4-8 възниква напрежение на Хол V_H(В) 10. В резултат на нестандартната триъгълна топология на двете конфигурации 1 и 2, и по-специално остроъгълната форма на контактните зони при двете успоредни страни 4, 5 и 7, 8 едно и също количество допълнителни неравновесни електрони и донорни положителни атоми може да създаде различни по стойност повърхностни потенциали. Фактически потенциалът Δν в остроъгълна област е най-висок, тъй като ефективната му площ S с разположените там товари е най-малка, Δν ~ ΔQ/S, където ΔQ е допълнителният общ товар, генериран от Лоренцовото отклонение Fl. Следователно, плътността на товарите от силата на Лоренц Fl₄ е твърде неравномерно разпределена при сложни повърхности, какъвто е случая с равностранните триъгълни структури 1 и 2. Следователно, едно и също количество товари Q = const ще генерира, в зависимост от формата на повърхността, различен потенциал, т.е. различно напрежение на Хол V_h10(B) 10. Това е причината магниточувствителността на микросензора в новото решение от Фигура 1 да е по-висока, отколкото в известното решение. От друга страна, възможността магнитът да се доближи твърде близко до сензорния чип води до по-високи стойности на изходния сигнал V_h10(B) 10 при фиксирана чувствителност.When turning on the magnetic field B 11 perpendicular to the pads 1 and 2, i.e. when it is directed parallel to the thickness t of the chip (typically it has dimensions t ~ 200 - 250 pm), the magnet can be located too close to the effective conversion area of the microsensor. That is why the orthogonal field B 11 through the action of the Lorentz forces F _L ,i, F _Li = qV _dr x B leads to a lateral (lateral) deviation of the nonlinear current trajectories along their entire length in the planes of the triangular pads 1 and 2, where q is the elementary charge of the electron, and V* is the vector of the average drift speed of the electrons in structures 1 and 2. As a result of the Lorentz deviation, depending on the directions of the supply current 1z,b and the magnetic field B 11, the nonlinear trajectories and in the two pads 1 and 2 "bend" simultaneously to the areas with contacts, for example, 5 and 7, or to those with contacts 4 and 8. Therefore, as a result of the current deviation 1 ₃ , _b to the areas of contacts 5 and 7 , additional electrons are generated there, respectively negative Hall potentials of the same value arise: V _H5 (B) and - Vh ₇ (B), |- V _H5 (B)| = |- V _H7 (B)|. Simultaneously, in the opposite zones at contacts 4 and 8, the additional potentials V _h4 (B) and V _h8 (B) are positive, V _h4 (B) = V _h8 (B). In fact, the measured magnetic field B 11 breaks the overall electrical symmetry of the current trajectories with respect to the central axis 3 - 6 in the pads 1 and 2. Therefore, a Hall voltage arises on the differential output 10 of the sensor, formed by the connected contacts 5-7 and 4-8, respectively V _H (B) 10. As a result of the non-standard triangular topology of both configurations 1 and 2, and in particular the acute-angled shape of the contact areas at the two parallel sides 4, 5 and 7, 8 the same amount of additional non-equilibrium electrons and donor positives atoms can create surface potentials of different values. In fact, the potential Δν in an acute-angled region is highest because its effective area S with the charges located there is the smallest, Δν ~ ΔQ/S, where ΔQ is the additional total charge generated by the Lorentzian deviation Fl. Therefore, the Lorentz force charge density Fl ₄ is too unevenly distributed on complex surfaces, as is the case with equilateral triangular structures 1 and 2. Therefore, the same amount of charges Q = const will generate, depending on the shape of the surface, different potential, i.e. different Hall voltage V _h10 (B) 10. This is the reason why the magnetosensitivity of the microsensor in the new solution of Figure 1 is higher than in the known solution. On the other hand, the possibility of the magnet getting too close to the sensor chip leads to higher values of the output signal V _h10 (B) 10 at a fixed sensitivity.

Неочакваният положителен ефект на новото техническо решение е, че посредством оригиналната триъгълна конструкция и иновативното свързване на контактите 5-7 и 4-8 се постига компенсация на офсета, повишавайки измервателната точност. Освен това източникът на управляващото магнитно поле е максимално доближен до силициевия чип, повишавайки изходното напрежение, като остроъгълните зони генерират по-високи Холови потенциали, респективно по-висока магниточувствителност. Интегралната реализация е съществено опростена, тъй като не се изисква формирането на резисторни елементи както това е в известното решение.The unexpected positive effect of the new technical solution is that, by means of the original triangular construction and the innovative connection of contacts 5-7 and 4-8, offset compensation is achieved, increasing the measurement accuracy. In addition, the source of the controlling magnetic field is as close as possible to the silicon chip, increasing the output voltage, with the sharp-angled areas generating higher Hall potentials, respectively higher magnetosensitivity. The integral implementation is substantially simplified, since the formation of resistor elements is not required as in the known solution.

Технологичното изпълнение на сензора на Хол се осъществява на основата на силициеви CMOS или BiCMOS интегрални процеси или микромашининг. В този случай се формират n-тип равностранни триъгълни „джобове” в p-Si пластини. Планарните омични контакти 3, 4, 5, 6, 7 и 8 се формират с йонна имплантация и са силно легирани п⁺-зони в n-Si „джобове”. Следователно, не е необходимо използването на различни по своята същност технологични процеси в изграждането на конфигурацията и при изпълнението на товарните резистори. Силициевите планарни технологии позволяват едновременното формиране на общ чип и на обработващата електронна схемотехника на изходното напрежение Vio(B) 10 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, особена при слабополевата магнитометрия и контратероризма.The technological implementation of the Hall sensor is based on silicon CMOS or BiCMOS integral processes or micromachining. In this case, n-type equilateral triangular "pockets" are formed in p-Si wafers. Planar ohmic contacts 3, 4, 5, 6, 7 and 8 are formed by ion implantation and are heavily doped n ⁺ -zones in n-Si “pockets”. Therefore, it is not necessary to use inherently different technological processes in the construction of the configuration and in the implementation of the load resistors. Silicon planar technologies allow the simultaneous formation of a common chip and the processing electronic circuitry of the output voltage Vio(B) 10 depending on the specific application. The configuration 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, particularly in weak-field magnetometry and counterterrorism.

Claims

1. A magneto-sensitive microsensor containing thin semiconductor pads with n-type impurity conductivity, on one side of which ohmic contacts and a current source are formed, characterized by the fact that the pads are two (1 and 2) and are identical in the shape of an equilateral triangle , in which the pads (1 and 2) are closely spaced, having one side parallel to each other, and the vertices opposite to these sides lie at one oc, and the ohmic contact is formed at each vertex of the two triangular pads (1 and 2) (3, 4, 5) and respectively (6, 7, 8), with those of their opposite vertices (3 and 6) being connected to the terminals of the current source (9), and each opposite contact (4 and 8), and respectively (5 and 7) of the pairs of contacts (5 and 7), and (4 and 8) on the two parallel sides of the pads (1 and 2) is connected, and the pairs of contacts (4-8) and (5-7) form the differential output (10) of the microsensor, and a measured magnetic field (11) is perpendicular to the plane of the pads (1 and 2).