RU2798228C1 - Способ компенсации воздействия механических напряжений на чувствительность интегрального преобразователя магнитного поля на эффекте холла - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к измерительной технике. Предлагается способ компенсации воздействия механических напряжений на чувствительность интегрального преобразователя магнитного поля на эффекте Холла путем формирования электрического питания преобразователя в виде тока от двух источников тока, стабилизированного и дополнительного, стабилизированный включает опорный резистор n-типа проводимости с концентрацией примеси, выбранной исходя из требования минимальной зависимости сопротивления от механических напряжений, дополнительный включает L-резистор n-типа проводимости, состоящий из двух последовательно соединенных резисторов, расположенных параллельно сторонам преобразователя и ортогонально друг относительно друга в непосредственной близости от преобразователя, с концентрацией примеси n-типа в L-резисторе, выбранной исходя из требования к максимальной зависимости сопротивления от механических напряжений, при этом соотношение сопротивления опорного резистора и L-резистора выбирается исходя из соотношения коэффициентов пропорциональности стабилизированного и дополнительного источников тока. Технический результат – обеспечение компенсации изменения чувствительности преобразователя. 1 ил.

Description

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к средствам измерения магнитного поля и электрического тока, и может быть использовано в интегральных датчиках и преобразователях на эффекте Холла.

Известен способ компенсации воздействия механических напряжений на чувствительность интегрального преобразователя магнитного поля на эффекте Холла [1], заключающийся в формировании в непосредственной близости от преобразователя на эффекте Холла полной мостовой схемы из двух резисторов из монокристаллического кремния р-типа проводимости и двух резисторов из поликремния р-типа проводимости, служащей в качестве преобразователя механических напряжений. Питание мостовой схемы осуществляется стабилизированным источником напряжения. Выходной сигнал мостовой схемы усиливается, оцифровывается и передается в микроконтроллер для коррекции выходного сигнала преобразователя с использованием цифрового алгоритма. Недостатком данного способа является сложность реализации компенсации воздействия механических напряжений, требующей использования как аналоговых, так и цифровых элементов, а также большая длина цепочки преобразования сигнала, снижающая рабочую полосу датчика.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является способ компенсации воздействия механических напряжений на чувствительность интегрального преобразователя магнитного поля на эффекте Холла [2], использующий цепочку резисторов, сформированных из монокристаллического кремния и подключенных к источнику тока параллельно преобразователю. Выходной сигнал цепочки резисторов, служащей в качестве преобразователя механических напряжений, и выходной сигнал преобразователя поступает на специальную схему обработки, которая выполняет компенсацию выходного сигнала преобразователя на основе разницы между выходным сигналом преобразователя и выходным сигналом цепочки резисторов. Недостатком данного способа компенсации воздействия механических напряжений является необходимость использования дополнительной схемы обработки сигнала, снижающей быстродействие и увеличивающей общий ток потребления.

Технической задачей предлагаемого изобретения является компенсация воздействия механических напряжений на чувствительность преобразователя магнитного поля на эффекте Холла и повышении стабильности выходной характеристики преобразователя аналоговым способом без использования дополнительной схемы обработки выходного сигнала преобразователя.

Сущность изобретения заключается в следующем. Способ компенсации воздействия механических напряжений на чувствительность интегрального преобразователя магнитного поля на эффекте Холла путем формирования электрического питания преобразователя в виде тока от двух источников тока, стабилизированного и дополнительного, стабилизированный включает опорный резистор n-типа проводимости с концентрацией примеси, выбранной исходя из требования минимальной зависимости сопротивления от механических напряжений, дополнительный включает L-резистор n-типа проводимости, состоящий из двух последовательно соединенных резисторов, расположенных параллельно сторонам преобразователя и ортогонально друг относительно друга в непосредственной близости от преобразователя. Концентрация примеси n-типа в L-резисторе выбирается исходя из требований к зависимости сопротивления L-резистора от механических напряжений. Предпочтительно, чтобы концентрация примеси n-типа в L-резисторе была близка к концентрации примеси n-типа в преобразователе. Отношение сопротивлений опорного резистора и L-резистора выбирается исходя из отношения коэффициентов пропорциональности стабилизированного и дополнительного источников тока.

Механические напряжения в преобразователе магнитного поля на эффекте Холла возникают вследствие изменения температуры или воздействия механического фактора. При исполнении датчика магнитного поля в пластиковом корпусе механические напряжения в преобразователе возникают также из-за поглощения/отдачи влаги материалом корпуса. Явление воздействия механических напряжений на чувствительность преобразователя магнитного поля на эффекте Холла существенно ухудшает стабильность выходной характеристики и ограничивает применение датчиков.

Целью предложенного изобретения является компенсация воздействия механических напряжений на чувствительность преобразователя магнитного поля на эффекте Холла путем соответствующего изменения тока питания преобразователя.

Эффект Холла описывает возникновение разности потенциалов на краях пластины из полупроводника, помещенной в магнитное поле, при протекании тока электрического тока.

где R_H - коэффициент Холла,

- вектор магнитной индукции,

- вектор тока в пластине из полупроводника.

Коэффициент Холла имеет зависимость от механических напряжений в пластине из полупроводника вследствие пьезоэффекта Холла, которая описывается следующим соотношением

где R_Ho - коэффициенты Холла в отсутствие механических напряжений, P_ij - коэффициенты тензора пьезоэффекта Холла, σ_j - коэффициенты тензора механических напряжений.

Симметрия кристаллической структуры кремния приводит к тому, что тензор пьезоэффекта Холла имеет всего 3 независимых коэффициента:

Подстановка выражения (2) в (1) дает зависимость коэффициента Холла от напряжений в развернутом виде.

Для преобразователей на эффекте Холла, реализованных на кремниевой подложке с ориентацией {100}, поперечные сдвиговые компоненты тензора механических напряжений σ₄ и σ₅ обычно имеют гораздо меньшие значения, чем продольные [3]. Также, продольный сдвиговый компонент тензора механических напряжений σ₆ обращается в ноль на характерном расстоянии от края кристалла, равном толщине кристалла [3]. Таким образом, для определения зависимости коэффициента Холла от механических напряжений необходимо рассматривать продольные компоненты нормальных напряжений σ₁ и σ₂ и поперечный компонент нормальных напряжений σ₃. В реальных конструкция поперечный компонент нормальных напряжений σ₃ по величине существенно меньше продольных компонентов σ₁ и σ₂. С учетом принятых допущений для преобразователя на эффекте Холла на кремниевой подложке с ориентацией {100} выражение (3) принимает следующий вид

Для слаболегированного кремния n-типа коэффициенты пьезоэффекта Холла при температуре 300 К имеют следующие значения [4]:

Таким образом, на основе (4) зависимость чувствительности преобразователя магнитного поля на эффекте Холла с питанием стабилизированным током от величины механических напряжений принимает следующий вид [4]:

где S₀ - значение чувствительности в отсутствие механических напряжений, мВ/мТл, σ_x=σ₁ и σ_y=σ₂ - компоненты механических напряжений в плоскостях x и у преобразователя, Па.

Для компенсации зависимости чувствительности преобразователя магнитного поля на эффекте Холла с питанием стабилизированным током от величины механических напряжений предлагается использовать дополнительный источник тока, величина которого модулируется величиной сопротивления L-резистора n-типа проводимости, состоящего из двух последовательно соединенных резисторов, расположенных параллельно сторонам преобразователя и ортогонально друг относительно друга в непосредственной близости от преобразователя. Концентрация примеси n-типа в L-резисторе выбирается близкой к концентрации примеси в преобразователе магнитного поля на эффекте Холла.

Пьезорезистивный эффект описывает зависимость сопротивления диффузионного резистора от механических напряжений в подложке:

где ρ₀ - удельное сопротивление резистора в отсутствие механических напряжений, π_ij - пьезорезистивные коэффициенты.

Для цепочки из 2 диффузионных резисторов n-типа, расположенных ортогонально друг относительно друга (L-резистор) выражение (6) сводится к следующему виду [5]:

где R_Lo - номинал L-резистора в отсутствие механических напряжений.

Для слаболегированного кремния n-типа пьезорезистивные коэффициенты при температуре 300 К имеют следующие значения [4]:

С учетом значений пьезорезистивных коэффициентов выражения (5) и (7) могут быть представлены в виде относительного изменения характеристик от величины механических напряжений:

Чувствительность преобразователя магнитного поля на эффекте Холла с питанием током при отсутствии механических напряжений может быть представлена в следующем виде:

где k_H - коэффициент пропорциональности между током и чувствительностью, I_o, I_co - ток стабилизированного и дополнительного источника питания соответственно в отсутствие механических напряжений.

При воздействии механических напряжений изменяется как чувствительность преобразователя, так и величина тока дополнительного источника тока:

Ток дополнительного источника питания можно представить в виде зависимости от сопротивления L-резистора:

где k_L - коэффициент пропорциональности.

Подставляя (8), (9), (12) в (11), получаем

Из соотношения (13) видно, что при увеличении чувствительности преобразователя при воздействии механических напряжений происходит уменьшение тока через преобразователь, то есть компенсация увеличения чувствительности. Для полной компенсации должно выполняться следующее соотношение:

После упрощения (14) получаем

Ток стабилизированного источника питания определяется величиной сопротивления опорного резистора n-типа проводимости с концентрацией примеси, выбранной исходя из требования минимальной зависимости сопротивления от механических напряжений

где k_оп - коэффициент пропорциональности между током стабилизированного источника питания и сопротивлением опорного резистора, R_оп - величина сопротивления опорного резистора.

С учетом того, что I_а>>I_co, и используя (16), выражение (10) может быть упрощено

После подстановки (17) в (15) получаем

Выражение (18) определяет отношение величин сопротивления опорного и L-резистора в зависимости от отношения коэффициентов пропорциональности стабилизированного и дополнительного источников тока, обеспечивающих компенсацию воздействия механических напряжений на преобразователь магнитного поля на эффекте Холла.

Концентрация примеси n-типа в опорном резисторе выбирается исходя из требования минимальной зависимости сопротивления от механических напряжений. Предпочтительно, чтобы концентрация примеси n-типа в опорном резисторе была не менее 5⋅10¹⁹ см^-3.

Концентрация примеси n-типа в L-резисторе выбирается исходя из требований к максимальной зависимости сопротивления L-резистора от механических напряжений. Предпочтительно, чтобы концентрация примеси n-типа в L-резисторе была близка к концентрации примеси n-типа в преобразователе. Предпочтительно, чтобы концентрация примеси n-типа в L-резисторе лежала в диапазоне от 10¹⁵ до 2⋅10¹⁶ см^-3. Уменьшение концентрации примеси n-типа в L-резисторе приводит к усилению зависимости сопротивления L-резистора от механических напряжений, что увеличивает диапазон регулировки тока дополнительного источника и снижает требования к величине коэффициента пропорциональности.

Предлагаемый способ компенсации воздействия механических напряжений на чувствительность интегрального преобразователя магнитного поля на эффекте Холла позволяет обеспечить компенсацию изменения чувствительности преобразователя за счет соответствующего изменения тока питания преобразователя. При этом нет необходимости в дополнительной обработке сигнала преобразователя, схема компенсации встроена непосредственно в схему питания моста. Согласование изменения тока питания преобразователя с изменение чувствительности преобразователя достигается за счет отношения величин опорного резистора и L-резистора.

На чертеже Фиг. 1 показана схема компенсации зависимости чувствительности преобразователя магнитного поля на эффекте Холла с питанием стабилизированным током от величины механических напряжений в соответствии с предложенным способом.

Источники информации:

1. Huber S., Francois S., Stress and temperature compensated Hall sensor, and method, US 20160377690 A1.

2. Motz M., Concept for compensating for a mechanical stress of Hall sensor circuit integrated into a semiconductor substrate, US 20190353717 A1 - прототип.

3. Ausserlechner U., The piezo-Hall effect in n-silicon for arbitrary crystal orientation, Proceedings of IEEE Sensors, vol. 3, pp. 1149-1152, 2004.

4. Y. Kanda, K. Suzuki, The piezo-Hall effect in n-silicon, 22nd International Conf. on the Physics of Semiconductors, vol. 1, pp. 89-92, 1995.

5. Ausserlechner U., Motz M., Holliber M., Drift of magnetic sensitivity of smart Hall sensors due to moisture absorbed by the IC-package, Proc. of IEEE Sensors 2004, vol. 1, pp. 455-458, Oct. 2004.

Claims (1)

1. Способ компенсации воздействия механических напряжений на чувствительность интегрального преобразователя магнитного поля на эффекте Холла путем формирования электрического питания преобразователя в виде тока от двух источников тока, стабилизированного и дополнительного, стабилизированный включает опорный резистор n-типа проводимости с концентрацией примеси, выбранной исходя из требования минимальной зависимости сопротивления от механических напряжений, дополнительный включает L-резистор n-типа проводимости, состоящий из двух последовательно соединенных резисторов, расположенных параллельно сторонам преобразователя и ортогонально относительно друг друга в непосредственной близости от преобразователя, с концентрацией примеси n-типа в L-резисторе, выбранной исходя из требования к максимальной зависимости сопротивления от механических напряжений, отличающийся тем, что соотношение сопротивления опорного резистора и L-резистора выбирается исходя из соотношения коэффициентов пропорциональности стабилизированного и дополнительного источников тока.

Images