BG67550B1

BG67550B1 - Planar magnetosensitive sensor

Info

Publication number: BG67550B1
Application number: BG113272A
Authority: BG
Inventors: Сия ЛОЗАНОВА; Вълчева Лозанова Сия
Original assignee: Институт по роботика-БАН
Priority date: 2020-11-26
Filing date: 2020-11-26
Publication date: 2023-07-17
Also published as: BG113272A

Abstract

The planar magnetosensitive sensor comprises a semiconductor parallelepiped substrate (1) with n-type impurity conductivity, on one side of which are formed five rectangular ohmic contacts in series at spaced intervals - from left to right a first (2), second (3), third (4), fourth (5) and fifth (6) - all parallel to each other with the long sides, and a current source (7). The first (2) and fifth (6) contacts and the second (3) and fourth (5) contacts are symmetrical to the central third contact (4). The first contact (2) and the fifth contact (6) are connected together and are connected to the central contact (4) via the power source (7). The surface of the pad (1) between the first (2) and second (3) contacts, between the second (3) and central (4) contacts, between the central (4) and fourth (5) contacts, and between the fourth (5) and fifth (6) contacts is covered with a thin dielectric layer (8) of constant thickness, on the parts of which are formed, from left to right, first (9) and second (10), third (11) and fourth (12) metal gate electrodes. The second contact (3) is connected to the third (11) and fourth (12) gate electrodes and the fourth contact (5) is connected to the first (9) and second (10) gate electrodes. The second (3) and fourth (5) contacts are the differential output (13) of the sensor, the measured magnetic field (14) being parallel both to the plane of the substrate (1) and to the long sides of the contacts (2, 3, 4, 5 and 6).

Description

Област на техникатаField of technique

Изобретението се отнася до равнинно-магниточувствителен сензор, приложимо в областта на квантовата комуникация, системите за сигурност с изкуствен интелект, сензориката, медицината, в това число роботизираната и минимално инвазивната хирургия, 3D телемедицината и лапароскопията, роботиката, мехатрониката, 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.The invention relates to a planar magnetosensitive sensor applicable in the field of quantum communication, artificial intelligence security systems, sensors, medicine, including robotic and minimally invasive surgery, 3D telemedicine and laparoscopy, robotics, mechatronics, non-contact automation, including remote measurement of angular and linear displacements, navigation, micro- and nanotechnologies, space research, electric cars and hybrid vehicles, energy, control and measurement technology and weak-field magnetometry, counter-terrorism, military affairs, etc.

Предшестващо състояние на техникатаPrior art

Известен е равнинно-магниточувствителен сензор, съдържащ полупроводникова паралелепипедна подложка с n-тип примесна проводимост, върху едната страна на която на разстояния един от друг са формирани последователно пет правоъгълни омични контакта - отляво надясно първи, втори, трети, четвърти и пети - всичките успоредни помежду си с дългите страни и токоизточник. Първият и петият, и съответно вторият и четвъртият контакт са симетрично разположени спрямо третия контакт, който е централен. Първият и петият контакт са съединени и през токоизточника са свързани с третия контакт. Вторият и четвъртият контакт са диференциалният изход на сензора, като измерваното магнитно поле е успоредно както на равнината на подложката, така и на дългите страни на омичните контакти [1-9].A planar magnetosensitive sensor is known, containing a semiconductor parallelepiped substrate with n-type impurity conductivity, on one side of which five rectangular ohmic contacts are successively formed at distances from each other - from left to right first, second, third, fourth and fifth - all parallel between themselves with the long sides and current source. The first and fifth, and respectively the second and fourth contacts are symmetrically located with respect to the third contact, which is central. The first and fifth contacts are connected and through the current source they are connected to the third contact. The second and fourth contacts are the differential output of the sensor, with the measured magnetic field parallel to both the substrate plane and the long sides of the ohmic contacts [1-9].

Недостатък на този сензор е понижената чувствителност в резултат на ниската подвижност на токоносителите в използвания при интегралната му технологична реализация полупроводник силиций.A disadvantage of this sensor is the reduced sensitivity as a result of the low mobility of current carriers in the silicon semiconductor used in its integral technological implementation.

Недостатък е също редуцираната измервателна точност поради ниската чувствителност, водеща до забележимо присъствие в изходното напрежение на характерни сензорни недостатъци като паразитен офсет, нелинейност, температурен дрейф, вътрешен 1/f (фликер) шум, хистерезис и др.A disadvantage is also the reduced measurement accuracy due to the low sensitivity, leading to a noticeable presence in the output voltage of characteristic sensor defects such as parasitic offset, non-linearity, temperature drift, internal 1/f (flicker) noise, hysteresis, etc.

Техническа същност на изобретениетоTechnical essence of the invention

Задача на изобретението е да се създаде равнинно-магниточувствителен сензор с повишена чувствителност и висока метрологична точност.The task of the invention is to create a planar magnetosensitive sensor with increased sensitivity and high metrological accuracy.

Тази задача се решава с равнинно-магниточувствителен сензор, съдържащ полупроводникова паралелепипедна подложка с n-тип примесна проводимост, върху едната страна на която на разстояния един от друг са формирани последователно пет правоъгълни омични контакти - отляво надясно първи, втори, трети, четвърти и пети - всичките успоредни помежду си с дългите страни и токоизточник. Първият и петият, и съответно вторият и четвъртият контакт са симетрично разположени спрямо третия, който е централен. Първият и петият контакт са съединени и през токоизточника са свързани с централния контакт. Повърхността на подложката между първия и втория, както между втория и централния контакт, и съответно между централния и четвъртия, както между четвъртия и петия контакт е покрита с тънък диелектричен слой с постоянна дебелина, върху частите на който са образувани метални гейтови електроди - отляво надясно първи и втори, и съответно трети и четвърти. Вторият контакт е съединен с третия и четвъртия гейтов електрод, а четвъртият контакт с първия и втория гейтов електрод. Вторият и четвъртият контакт са диференциалният изход на сензора, като измерваното магнитно поле е успоредно както на равнината на подложката, така и на дългите страни на омичните контакти.This task is solved with a planar magnetosensitive sensor containing a semiconductor parallelepiped substrate with n-type impurity conductivity, on one side of which five rectangular ohmic contacts are successively formed at distances from each other - from left to right first, second, third, fourth and fifth - all parallel to each other with the long sides and current source. The first and fifth, and respectively the second and fourth contacts are symmetrically located with respect to the third, which is central. The first and fifth contacts are connected and through the current source are connected to the central contact. The surface of the substrate between the first and second, as well as between the second and central contacts, and respectively between the central and fourth, as well as between the fourth and fifth contacts is covered with a thin dielectric layer of constant thickness, on the parts of which metal gate electrodes are formed - from left to right first and second, and third and fourth respectively. The second contact is connected to the third and fourth gate electrodes and the fourth contact to the first and second gate electrodes. The second and fourth contacts are the differential output of the sensor, with the measured magnetic field parallel to both the substrate plane and the long sides of the ohmic contacts.

Предимство на изобретението е високата чувствителност поради увеличеното поле на Хол в обема на подложката, респективно на потенциалите върху двойките гейтови електроди от двете страни на централния контакт със съответна полярност, генерираща допълнителни електрични товари с противоположен знак под диелектричния слой.An advantage of the invention is the high sensitivity due to the increased Hall field in the volume of the substrate, respectively the potentials on the pairs of gate electrodes on both sides of the central contact with corresponding polarity, generating additional electric charges of opposite sign under the dielectric layer.

Предимство е също повишената измервателна точност в резултат на високата чувствителност при непроменено ниво на сензорните недостатъци - паразитен офсет, нелинейност, температурен дрейф, вътрешен (фликер) шум, хистерезис и др.The advantage is also the increased measurement accuracy as a result of the high sensitivity at an unchanged level of sensor defects - parasitic offset, nonlinearity, temperature drift, internal (flicker) noise, hysteresis, etc.

Предимство е също увеличената резолюция при измерване на минималната магнитна индукция, поради високата чувствителност едновременно с повишеното отношение сигнал/шум на сензора, което осигурява по-детайлно детектиране на топологията на магнитното поле.An advantage is also the increased resolution when measuring the minimum magnetic induction, due to the high sensitivity at the same time as the increased signal-to-noise ratio of the sensor, which provides a more detailed detection of the magnetic field topology.

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

Равнинно-магниточувствителният сензор съдържа полупроводникова паралелепипедна подложка 1 с n-тип примесна проводимост, върху едната страна на която на разстояния един от друг са формирани последователно пет правоъгълни омични контакта - отляво надясно първи 2, втори 3, трети 4, четвърти 5 и пети 6 - всичките успоредни помежду си с дългите страни 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. Първият 2 и петият 6 контакт са съединени и през токоизточника 7 са свързани с централния контакт 4. Повърхността на подложката 1 между първия 2 и втория 3, както между втория 3 и централния 4 контакт, и съответно между централния 4 и четвъртия 5, както между четвъртия 5 и петия 6 контакт, е покрита с тънък диелектричен слой 8 с постоянна дебелина, върху частите на който са образувани метални гейтови електроди - отляво надясно първи 9 и втори 10, и съответно трети 11 и четвърти 12. Вторият контакт 3 е съединен с третия 11 и четвъртия 12 гейтов електрод, а четвъртият контакт 5 - с първия 9 и втория 10 гейтов електрод. Вторият 3 и четвъртият 5 контакт са диференциалният изход 13 на сензора, като измерваното магнитно поле 14 е успоредно както на равнината на подложката 1, така и на дългите страни на контакти 2, 3, 4, 5 и 6.The planar magnetosensitive sensor contains a semiconductor parallelepiped substrate 1 with n-type impurity conductivity, on one side of which five rectangular ohmic contacts are successively formed at distances from each other - from left to right first 2, second 3, third 4, fourth 5 and fifth 6 - all parallel to each other with the long sides and current source 7. The first 2 and the fifth 6, and respectively the second 3 and the fourth 5 contacts are symmetrically located with respect to the third 4, which is central. The first 2 and the fifth 6 contact are connected and through the current source 7 are connected to the central contact 4. The surface of the pad 1 between the first 2 and the second 3, as between the second 3 and the central 4 contact, and respectively between the central 4 and the fourth 5, as between the fourth 5 and fifth 6 contact is covered with a thin dielectric layer 8 of constant thickness, on the parts of which metal gate electrodes are formed - from left to right first 9 and second 10, and respectively third 11 and fourth 12. The second contact 3 is connected to the third 11 and the fourth 12 gate electrode, and the fourth contact 5 - with the first 9 and the second 10 gate electrode. The second 3 and fourth 5 contacts are the differential output 13 of the sensor, the measured magnetic field 14 being parallel to both the plane of the substrate 1 and the long sides of contacts 2, 3, 4, 5 and 6.

Действието на равнинно-магниточувствителния сензор, съгласно изобретението, е следното.The operation of the planar magnetosensitive sensor according to the invention is as follows.

При включване на токоизточника 7 към свързаните контакти 2 - 6, и централния 4, в двете симетрични спрямо контакт 4 конфигурации в подложката 1 протичат равни по стойност и противоположно насочени захранващи токове I₄,₂ и - I₄,₆, I₄,₂ = |- I₄,₆|. Омични контакти 2, 4 и 6 представляват еквипотенциални равнини, към които в отсъствие на външно магнитно поле В 14, В = 0, токовите компоненти през тях I₂, I₄ и I₆ са винаги перпендикулярни спрямо горната повърхност на подложката 1, прониквайки дълбоко в обема й. Токовите линии 1₄,₂ и 1₄,₆ в останалата част от обема на структурата 1 са успоредни на горната страна, Фигура 1.When the current source 7 is connected to the connected contacts 2 - 6, and the central 4, in the two configurations symmetrical to contact 4, in the pad 1, equal in value and oppositely directed supply currents I ₄ , ₂ and - I ₄ , ₆ , I ₄ , ₂ flow = |- I ₄ , ₆ |. Ohmic contacts 2, 4 and 6 represent equipotential planes to which, in the absence of an external magnetic field B 14, B = 0, the current components through them I ₂ , I ₄ and I ₆ are always perpendicular to the upper surface of the substrate 1, penetrating deeply in its volume. The streamlines 1 ₄ , ₂ and 1 ₄ , ₆ in the rest of the volume of the structure 1 are parallel to the upper side, Figure 1.

Измерваното магнитно поле В 14 успоредно на дългите страни на правоъгълните контакти 2, 3, 4, 5 и 6 създава странично (латерално) отклонение на токовите линии от силите на Лоренц Fl,i, Fl,; = qV* х В в двете симетрични конфигурации спрямо захранващия контакт 4, където q е елементарният товар на електрона, a Vd е векторът на средната дрейфова скорост на електроните в подложката 1. В резултат на това Лоренцово отклонение от силите F_L,i, траекториите на противоположно насочените компоненти I₄,₂ и - 1₄,₆ се “свиват” или съответно “разширяват”. В зависимост от взаимните посоки на токове 1₄,₂ и - 1₄,₆ от една страна, и вектора на магнитното поле В 14 от друга, върху изходните контакти 3 и 5 се генерират противоположни по знак и еднакви по стойност Холови потенциали и -фз и +ф5. По този начин чрез ефекта на Хол, обобщен от Ч. Руменин за всички видове твърдотелни структури, в това число и такива с равнинна магниточувствителност [6-8], възниква изходното напрежение Vouti3(B) 13 на сензора.The measured magnetic field B 14 parallel to the long sides of the rectangular contacts 2, 3, 4, 5 and 6 creates a lateral (lateral) deflection of the current lines by the Lorentz forces Fl,i, Fl,; = qV* x B in the two symmetrical configurations with respect to the supply contact 4, where q is the elementary charge of the electron, and Vd is the vector of the average drift velocity of the electrons in the pad 1. As a result, Lorentz deviation from the forces F _L ,i, the trajectories of the oppositely directed components I ₄ , ₂ and - 1 ₄ , ₆ are “contracted” or “expanded” respectively. Depending on the mutual directions of the currents 1 ₄ , ₂ and - 1 ₄ , ₆ on the one hand, and the magnetic field vector В 14 on the other, opposite in sign and equal in value Hall potentials are generated on the output contacts 3 and 5 - fz and +f5. In this way, the output voltage Vouti3(B) 13 of the sensor arises through the Hall effect, generalized by C. Rumenin for all types of solid-state structures, including those with planar magnetosensitivity [6-8].

Поради невисоката подвижност на електроните μ_η в силиция - основният полупроводник в интегралните микроелектронни технологии, не могат да се очакват съществени стойности на чувствителността при стайна температура, μ_η(Τ = 300 К) ~ 1200 cm²V^-1s^-1. Както е добре известно преобразувателната ефективност или чувствителността S е право пропорционална на подвижността μ_η на електроните, S ~ μη, [6-9]. По различен начин, обаче се развиват процесите при наличие на гейтови електроди 9, 10, 11 и 12, Фигура 1. Те са отделени от интерфейсите на горната равнина на подложката 1 с диелектричен слой 8, частите на който са с постоянна дебелина. Диелектричният слой 8 е преди всичко от силициев диоксид SiO2, както е при добре известните MOS транзистори. Иновативното свързване на гейтовите електроди 9 и 10 с изходен контакт 5, и съответно двойката гейтови електроди 11 и 12 с изходен контакт 3 индуцира чрез потенциалите -φ₃ и +φ₅ ефект на полето в така формираните MOS структури, [10]. Ако в n-тип подложка 1, какъвто е нашият случай, гейтовият потенциал е положителен +φ₅, в интерфейсните зони под гейтови електроди 9 и 10, чрез ефекта на полето от обема се извличат допълнителни електрони, т.е. отрицателната компонента на полето на Хол нараства. При отрицателно гейтово напрежение -фз в приповърхностните области под гейтове 11 и 12 се реализира режим на обедняване от електрони, т.е. положителната компонента на полето Ен също нараства. Полярностите на гейтовите потенциали ±V_G са съпосочни с действието на силата на Лоренц ±F_L. Следователно описаният процес повишава както резултиращите Холови потенциали +φ₅ и -φ₃, така и изходното напрежение на микросензора V_out13(E) 13. В резултат на техническото решение от Фигура 1 магниточувствителността S и измервателната точност на полето В 14 нарастват. Същевременно високият сигнал V_out13(B) 13 също води до увеличение на отношението сигнал/шум (S/N) при непроменените негативни фактори, като паразитен офсет, нелинейност, температурен дрейф, вътрешен (фликер) шум и хистерезис. Следователно резолюцията при измерване на минималната магнитна индукция B_mn нараства, което осигурява подетайлно определяне на топологията на магнитната индукция В14.Due to the low mobility of electrons μ _η in silicon - the main semiconductor in integrated microelectronic technologies, one cannot expect significant sensitivity values at room temperature, μ _η (Τ = 300 K) ~ 1200 cm ² V ^-1 s ^-1 . As is well known, the conversion efficiency or sensitivity S is directly proportional to the mobility μ _η of electrons, S ~ μη, [6-9]. In a different way, however, the processes develop in the presence of gate electrodes 9, 10, 11 and 12, Figure 1. They are separated from the interfaces of the upper plane of the substrate 1 by a dielectric layer 8, the parts of which are of constant thickness. The dielectric layer 8 is primarily silicon dioxide SiO 2 , as is the case with well-known MOS transistors. The innovative connection of gate electrodes 9 and 10 with output contact 5, and respectively the pair of gate electrodes 11 and 12 with output contact 3 induces through the potentials -φ ₃ and +φ ₅ a field effect in the MOS structures thus formed, [10]. If in the n-type substrate 1, as is our case, the gate potential is positive +φ ₅ , in the interface areas under the gate electrodes 9 and 10, additional electrons are extracted from the bulk through the field effect, i.e. the negative component of the Hall field increases. At a negative gate voltage -fz in the near-surface areas under gates 11 and 12, a mode of electron depletion is realized, i.e. the positive component of the field En also increases. The polarities of the gate potentials ±V _G are parallel to the action of the Lorentz force ±F _L . Therefore, the described process increases both the resulting Hall potentials +φ ₅ and -φ ₃ , as well as the output voltage of the microsensor V _out13 (E) 13. As a result of the technical solution of Figure 1, the magnetic sensitivity S and the measurement accuracy of the field B 14 increase. At the same time, the high signal V _out13 (B) 13 also leads to an increase in the signal-to-noise ratio (S/N) with the negative factors unchanged, such as parasitic offset, nonlinearity, temperature drift, intrinsic (flicker) noise, and hysteresis. Therefore, the resolution when measuring the minimum magnetic induction B _m n increases, which provides a more detailed determination of the topology of the magnetic induction B14.

Неочакваният положителен резултат от новото техническо решение е, че в сензориката на Хол се използва нестандартен подход за повишаване на чувствителността - ефектът на полето, типичен за MOS структурите. Чрез този способ самите Холови потенциали -φ₃ и +φ₅ се използват за генериране на още допълнителни некомпенсирани товари с противоположен знак към тези от Лоренцовото отклонение F l върху съответните части на горната повърхност на сензора. Това усилва изходното напрежение Vout3,s(B) = Vouti3(B) 13. Важна особеност е, че сензорът се осъществява в единен технологичен цикъл, което също е предимство.The unexpected positive result of the new technical solution is that Hall sensors use a non-standard approach to increase sensitivity - the field effect typical of MOS structures. Through this method, the Hall potentials -φ ₃ and +φ ₅ themselves are used to generate additional uncompensated charges of opposite sign to those of the Lorentz deviation F l on the corresponding parts of the upper surface of the sensor. This amplifies the output voltage Vout3,s(B) = Vouti3(B) 13. An important feature is that the sensor is implemented in a single process cycle, which is also an advantage.

Равнинно-магниточувствителният сензор може да се реализира с CMOS или BiCMOS технологии, като преобразувателната зона на конфигурацията представлява дълбок n-тип джоб 1 в р-тип подложка. Изборът на джоб 1 с n-тип примесна проводимост е продиктуван от факта, че в електронните полупроводници подвижността на токоносителите μ_η, обуславяща скоростта V*, т.е.The planar magnetosensitive sensor can be realized with CMOS or BiCMOS technologies, the conversion region of the configuration being a deep n-type pocket 1 in a p-type substrate. The choice of pocket 1 with n-type impurity conductivity is dictated by the fact that in electronic semiconductors the mobility of current carriers μ _η , determining the velocity V*, i.e.

магниточувствителността, е съществено по-висока, в сравнение с р-тип материалите. Интегралната технология позволява новият сензор заедно с обработващата сигнала Vout3,s(B) 13 схемотехника да се реализират върху общ силициев чип, формирайки интелигентна микросистема (MEMS). Функционирането на предложения равнинно -магниточувствителен сензор е осъществимо в широк температурен интервал, включително при криогенни температури. За още по-висока чувствителност за целите на слабополевата магнитометрия и контратероризма, чипът може да се разположи между два еднакви продълговати концентратори на магнитното поле В 14 от ферит или μ-метал.magnetosensitivity is significantly higher compared to p-type materials. The integrated technology allows the new sensor together with the signal processing Vout3,s(B) 13 circuitry to be implemented on a common silicon chip, forming an intelligent microsystem (MEMS). The operation of the proposed in-plane magnetosensitive sensor is feasible in a wide temperature range, including at cryogenic temperatures. For even higher sensitivity for weak-field magnetometry and counterterrorism purposes, the chip can be sandwiched between two identical oblong B 14 magnetic field concentrators of ferrite or μ-metal.

Claims

A planar magnetosensitive sensor containing an n-type impurity semiconductor parallelepiped substrate, on one side of which five rectangular ohmic contacts are formed in series at a distance from each other - from left to right first, second, third, fourth and fifth - all parallel to each other with the long sides and a current source, the first and fifth and respectively the second and fourth contacts are symmetrically located with respect to the third, which is central, the first and fifth contacts are connected and through the current source are connected to the central contact, the second and fourth contacts are the differential output of the sensor , the measured magnetic field being parallel both to the plane of the substrate and to the long sides of the ohmic contacts, characterized in that the surface of the substrate (1) between the first (2) and the second (3) as well as between the second (3 ) and the central (4) contact, and respectively between the central (4) and the fourth (5) as well as between the fourth (5) and the fifth (6) contact is covered with a thin dielectric layer (8) of constant thickness, on the parts of which metal gate electrodes are formed - from left to right first (9) and second (10), and respectively third (11) and fourth (12), the second contact (3) is connected to the third (11) and fourth (12) gate electrodes, and the fourth contact (5) - with the first (9) and the second (10) gate electrode