Расщеплённые холловские структуры

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

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 трех ортогональных проекций $\left ( B_x, B_y, B_z \right )$ вектора индукции магнитного поля (3D сенсоров);
• формирование распределенных в пространстве матриц сенсоров (сканнеров), в том числе, для измерения распределения двух проекций $\left ( B_x, B_y \right )$ приповерхностного магнитного поля (2D сканнеров);
• 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

Полумостовая (слева) и мостовая (справа) схемы формирования сигналов в сенсорах на основе РХС (HHS, HHS₁, HHS₂ — РХС, IS — источник тока питания, V_H, V_R, V_H1, V_H2 — 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, подключенным параллельно РХС (в том числе, в 2D-сканнерах);
• 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

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 течет 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 трех ортогональных проекций $\left ( B_x, B_y, B_z \right )$ 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 трех РХС образовали вершину куба. Эта вершина куба может сколь угодно приближаться к измеряемой поверхности — таким образом обеспечивается высокое пространственное разрешение измерения проекций $B_x, B_y, B_z$ вектора индукции магнитного поля.

РХС сенсоров планарного магнитного поля

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

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 трех ортогональных проекций $B_x, B_y, B_z$ 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 пленки InSb, потенциальные контакты формируют, используя промежуточные утончённые участки, контактирующие с токовыми плечами РХС в глубине чувствительной пленки^[7][8].

Транзисторные РХС

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 расщепленными коллекторами (B0, B1, B2 — базы; С11, С12, С21, С22 — коллекторы, E1, E2 — эмиттеры).

Развитие РХС

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]}.

См. также

• Эффект Холла

Примечания

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. Popoviс, P. Kejik, S. Reymond, D.R. Popoviс, M. Blagojeviс, S. Dimitrijeviс 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.