Расщеплённые холловские структуры (Jgvpyhl~uudy ]kllkfvtny vmjrtmrjd)

Перейти к навигации Перейти к поиску

Расщеплённые хо́лловские структу́ры (РХС) — разновидность датчиков Холла. РХС являются конструктивной базой сенсоров магнитного поля на основе эффекта Холла[1][2]. В отличие от традиционных преобразователей Холла, состоящих, как правило, из полупроводниковой пластины прямоугольной формы со сформированными двумя токовыми и двумя потенциальными контактами, форма РХС и количество контактов в них могут быть произвольными.

Большинство РХС состоит из нескольких полуэлементов Холла, сочетание которых позволяет получить сенсоры магнитного поля с новыми функциональными возможностями и характеристиками.

Функциональные возможности и преимущества сенсоров на основе РХС

[править | править код]
Традиционный преобразователь Холла (англ. Hall sensor — HS) с двумя токовыми (C1, С2) и двумя потенциальными (C3, С4) контактами (слева) и его элементарное разделение на два полуэлемента Холла (HHS, от half — «половина», и HS) HHS1, HHS2 с контактами C11, С12 , C13, C21, С22 и C23, соответственно (справа).
Пример модельного анализа карты потенциалов в двух ортогонально развернутых структурах.

Функциональными возможностями и преимуществами сенсоров на основе РХС являются:

  • минимизация расстояния между чувствительной областью сенсора и объектом измерения, в том числе при измерении приповерхностных магнитных полей;
  • формирование объёмных структур с высоким пространственным разрешением измерения трёх ортогональных проекций вектора индукции магнитного поля (3D сенсоров);
  • формирование распределенных в пространстве матриц сенсоров (сканеров), в том числе, для измерения распределения двух проекций приповерхностного магнитного поля (2D сканеров);
  • формирование однокристальных (single chip) 2D и 3D сенсоров в составе однокристальных кремниевых интегральных схем или в устройствах измерения магнитных полей на основе радиационно-устойчивых полупроводниковых структур.

Формирование сигнала в сенсорах на РХС

[править | править код]
Полумостовая (слева) и мостовая (справа) схемы формирования сигналов в сенсорах на основе РХС (HHS, HHS1, HHS2 — РХС, IS — источник тока питания, VH, VR, VH1, VH2 — выходные напряжения).

В отличие от традиционных преобразователей Холла, формирование информативных сигналов в РХС и их интерпретация являются более проблематичными задачами. В основном это обусловлено невозможностью компенсировать выходной сигнал РХС при отсутствии магнитного поля и наличием в этом сигнале двух компонент — холловской и магнеторезистивной. Параметрический анализ РХС требует специфических алгоритмов математического моделирования, а применение РХС — более сложных методик калибровки[3][4][5][6].

Частичными решениями задач формирования сигнала в сенсорах на РХС является использование:

  • полумостовой схемы, в которой выходное напряжение РХС меняется относительно напряжения, сформированного резистивным делителем, подключённым параллельно РХС (в том числе, в 2D-сканерах);
  • мостовой схемы, в которой информативным сигналом является разностное напряжение между выходами двух полуэлементов Холла (в том числе, в сенсорах измерения градиента магнитного поля и в РХС с угловым размещением чувствительной области).

РХС с угловым размещением чувствительной области и 3D-зонд на их основе

[править | править код]
РХС с угловым размещением чувствительной области (C3 — центральный токовый контакт, C1, C5 — боковые токовые контакты, C2, C4 — потенциальные контакты).
3D-зонд на основе РХС с угловым размещением чувствительной области (чувствительная область обведена пунктирной линией и обозначена «3-D Sensor»).

Характерным представителем сенсора магнитного поля на РХС является структура, в которой чувствительная область сенсора вынесена на периферию, например, в угловую область прямоугольной пластины. Такая РХС имеет центральный токовый контакт, ток от которого течёт через чувствительную область к двум боковым токовым контактам. Информативный сигнал РХС формируется на двух потенциальных контактах, сформированных по краям чувствительной области[7][8]. Преимуществами РХС с угловым размещением чувствительной области является минимизация расстояния между чувствительной областью сенсора и поверхностью объекта измерения, а также возможность формирования объёмных структур с высоким пространственным разрешением измерения трёх ортогональных проекций вектора индукции магнитного поля (3D-сенсоров).

Объёмную структуру 3D-зонда магнитного поля формируют, разместив три РХС с угловым расположением чувствительной области на смежных гранях куба таким образом, чтобы чувствительные области трёх РХС образовали вершину куба. Эта вершина куба может сколь угодно приближаться к измеряемой поверхности — таким образом обеспечивается высокое пространственное разрешение измерения проекций вектора индукции магнитного поля.

РХС сенсоров планарного магнитного поля

[править | править код]
РХС вертикального элемента Холла (C3 — центральный токовый контакт, C1, C5 — боковые токовые контакты, C2, C4 — потенциальные контакты).

В отличие от традиционных преобразователей Холла, в которых отклонение подвижных носителей происходит в плоскости, параллельной структуре поверхности, и ось чувствительности которых перпендикулярна поверхности структуры, отклонение подвижных носителей в сенсорах планарного магнитного поля происходит по толщине пластины сенсора, что обеспечивает чувствительность к магнитным полям, параллельным структуре сенсора.

РХС сенсоров планарного магнитного поля называют вертикальными элементами Холла. Как правило, вертикальный элемент Холла содержит сформированные вдоль одной линии на поверхности пластины один центральный и два боковых токовых контакта. В промежутке между токовыми контактами сформированы два потенциальных контакта, равноудалённых от центрального токового контакта[9][10].

Ось чувствительности вертикального элемента Холла перпендикулярна оси, вдоль которой размещены контакты, и параллельна поверхности пластины РХС.

РХС интегральных 2D и 3D зондов магнитного поля

[править | править код]

Соединяя два расположенных под прямым углом вертикальных элемента Холла, формируют 2D- и 3D-зонды магнитного поля. Различают несколько вариантов питания таких зондов. В том числе, ток может протекать от центрального контакта к четырём боковым контактам (9-контактная конструкция), только между боковыми контактами с противоположным направлением тока в противоположных плечах структуры (8-контактная конструкция без центрального контакта), либо только в одном из вертикальных элементов Холла. Сочетание таких вариантов питания с соответствующими способами формирования выходных сигналов позволяет сформировать интегральный сенсор для измерения трёх ортогональных проекций вектора индукции магнитного поля[11][12][13][14].

При реализации РХС вертикальных элементов Холла на основе тонкопленочной технологии без поверхностного изолирующего слоя, в том числе, с использованием чувствительной плёнки InSb, потенциальные контакты формируют, используя промежуточные утончённые участки, контактирующие с токовыми плечами РХС в глубине чувствительной пленки[7][8].

Транзисторные РХС

[править | править код]

Использование РХС в измерительных преобразователях транзисторного типа позволяет реализовать магнитотранзисторы с расщеплённым коллектором (англ. spit collector) или расщеплённым стоком (spit drain). В отличие от рассмотренных выше РХС, информативными сигналами транзисторных РХС является не выходное напряжение, а разница коллекторных или стоковых токов. Транзисторные РХС, как правило, являются элементами магнитосенсорных кремниевых интегральных схем[1][2].

РХС на вертикальных элементах Холла для измерения ортогональных проекций магнитного поля.
Активная часть тонкопленочной РХС 3D-зонда магнитного поля.
Конструкция сенсора на двух магнитотранзисторах с расщеплёнными коллекторами (B0, B1, B2 — базы; С11, С12, С21, С22 — коллекторы, E1, E2 — эмиттеры).

Развитие РХС

[править | править код]

Целью дальнейшего развития сенсоров магнитного поля на основе РХС является повышение точности измерения ортогональных проекций и упрощение использования этих сенсоров. Эта цель может быть достигнута, в частности, соответствующими конструктивными решениями, минимизацией количества контактов, усовершенствованием математических моделей, оптимизацией алгоритма калибрования[15][16][17][18].

Примечания

[править | править код]
  1. 1 2 R.S. Popovic. Hall Effect Devices. — 2nd ed. — Bristol and Philadelphia, USA : IOP Publishing, 2004
  2. 1 2 Мікроелектронні сенсорні пристрої магнітного поля: Монографія. За редакцією Готри З. Ю. / Большакова І.А., Гладун М. Р., Голяка Р. Л., Готра З. Ю., Лопатинський І.Є., Потенцкі Є., Сопільник Л.І. — Львів: Видавництво Національного університету «Львівська політехніка», 2001. — 412c.
  3. Methods of modeling of magnetic sensors based on splitted Hall structure / Holyaka R., Marusenkova T., Chapran M.  — Advanced Numerical modeling. IIPhDW — 2011. ISBN 978-83-61956-02-0. Zielona Gora. Poland. pp. 75—76.
  4. Метод калібрування сенсорів магнітного поля на розщеплених холлівських структурах / Готра З. Ю., Голяка Р. Л., Марусенкова Т. А. // Вісник НТУ «ХПІ». Тематичний випуск: Інформатика та моделювання. — Харків: НТУ «ХПІ». — 2010. — № 31. — с. 74—79.
  5. Польова характеристика сенсорів магнітного поля на розчеплених холлівських структурах / І.А. Большакова, Р.Л Голяка, Т. А. Марусенкова // Вісник Національного університету «Львівська політехніка», Електроніка, № 681, 2010. — c. 66—75.
  6. Методи моделювання та калібрування 3D-зондів магнітного поля на розщеплених холлівських структурах / Большакова І.А., Голяка Р. Л., Готра З. Ю., Марусенкова Т. А. // Електроніка та зв’язок. Тематичний випуск «Електроніка та нанотехнології». — 2011. — № 2(61). — с. 34—38.
  7. 1 2 Большакова І.А., Голяка Р. Л., Макідо О. Ю., Марусенкова Т. А. Нові конструкції напівпровідникових тонкоплівкових 3-D сенсорів магнітного поля. // Электроника и связь. — 2009. — № 2—3. — c. 6—10.
  8. 1 2 Большакова І.А., Голяка Р. Л., Мороз А. П., Єрашок В. Е., Марусенкова Т. А. Сенсорні пристрої магнітного поля на сенсорах Холла з розщепленою структурою // Електроніка. Вісник Національного університету «Львівська політехніка». — 2009. — № 646 — c. 38—45.
  9. J. Pascal, L. Hebrard, J. Kammerer, V. Frick, and J. P. Blonde First vertical Hall device in standard 0.35 μm CMOS technology. Sensor and Actuators. A: Phys. Vol. 147. 2008. — pp. 41—46.
  10. C. S. Roumenin, S. V. Lozanova Three-contact parallel-field Hall Devices — the sensors with minimal design complexity. Book of Abstract. Eurosensors XX. Vol. II, Sep. 2006. — pp. 212—213.
  11. D.R. Popovic, S. Dimitrijevic, M. Blagojevic, P. Kejik, E. Schurig, R. S. Popovic Three-Axis Teslameter With Integrated Hall Probe. IEEE Transactions on instrumentation and measurement. Vol. 56. N. 4, August 2007. pp. 1396—1402.
  12. R.S. Popovic, Z. Randjelovic, D. Manic Integrated Hall-Effect Magnetic Sensors. Sensors and Actuators, A 91. 2001. pp. 46—50
  13. R.S. Popovic, P. Kejik, S. Reymond, D.R. Popovic, M. Blagojevic, S. Dimitrijevic Multi-axis integrated hall magnetic sensors. Nuclear Technology & Radiation Protection. № 2. 2007. pp. 20—28.
  14. M. Paranjape, I. Filanovsky, L. Ristic A 3-D vertical Hall magnetic field sensor in CMOS technology, Sensors and Actuators A, 34 (1992), pp. 9—14.
  15. Hotra Zenon, Holyaka Roman, Marusenkova Tetyana Optimization of microelectronic magnetic sensors on the splitted Hall structures // Warsztaty Doktoranckie — WD2010 — Sesja P2. Lublin, Poland. 24—27 Czerwca 2010. CD. marusenkova.pdf
  16. Вимірювальний перетворювач магнітного поля. Патент на корисну модель № 58887 / Готра З. Ю., Большакова І.А., Голяка Р. Л., Марусенкова Т. А. — 26.04.2011 — 3 с.
  17. Вимірювальний перетворювач магнітного поля. Патент на корисну модель № 58889 / Готра З. Ю., Большакова І.А., Голяка Р. Л., Марусенкова Т. А. — 26.04.2011 — 4 с.
  18. Вимірювальний перетворювач магнітного поля. Патент на корисну модель № 59265 / Готра З. Ю., Большакова І.А., Голяка Р. Л., Марусенкова Т. А. — 10.05.2011 — 4 с.