Розще́плені хо́ллівські структу́ри (РХС) — різновид давачів Холла. РХС є конструктивною базою сенсорів магнітного поля на ефекті Холла . На відміну від традиційних перетворювачів Холла, які типово мають сформовані до напівпровідникової пластини прямокутної форми по два струмових та два потенціальних контакти, форма РХС та кількість контактів в них можуть бути довільними. Здебільшого РХС складається з декількох напівелементів Холла, поєднання яких дозволяє отримати сенсори магнітного поля з новими функціональними можливостями та характеристиками.
Функціональні можливості та переваги сенсорів на основі РХС
Функціональними можливостями та перевагами сенсорів на основі РХС є:
- мінімізація відстані між чутливою ділянкою сенсора та об’єктом вимірювання, зокрема при вимірюванні приповерхневих магнітних полів;
- формування об'ємних структур з високою просторовою роздільною здатністю вимірювання трьох
ортогональних проєкцій (BX, BY, BZ) вектора індукції магнітного поля (3D сенсорів);
- формування розподілених в просторі матриць сенсорів (сканерів), зокрема для вимірювання розподілу
двох проєкцій (BX, BY) приповерхневого магнітного поля (2D сканерів);
- формування однокристальних (single chip) 2D та 3D сенсорів в складі однокристальних кремнієвих
інтегральних схем чи в пристроях вимірювання магнітних полів на основі радіаційно-стійких напівпровідникових структур.
Формування сигналу в сенсорах на РХС
На відміну від традиційних перетворювачів Холла, формування інформативних сигналів в РХС та їх інтерпретація є проблематичнішими задачами. Здебільшого, це обумовлено неможливістю компенсувати вихідний сигнал РХС при відсутності магнітного поля та наявністю у цьому сигналі двох компонент — холлівської та магніторезистивної. Параметричний аналіз РХС потребує специфічних алгоритмів математичного моделювання, а застосування РХС — складніших методик калібрування .
Частковими рішеннями задач формування сигналу в сенсорах на РХС є використання:
- , в якій вихідна напруга РХС вимірюється відносно напруги, сформованої резистивним подільником, що ввімкнено паралельно РХС (зокрема, в 2D сканерах);
- , в яких інформативним сигнал є різницева напруга між виходами двох напівелементів
Холла (зокрема, в сенсорах вимірювання градієнта магнітного поля та в РХС з кутовим розміщенням чутливої ділянки).
РХС з кутовим розміщенням чутливої ділянки та 3D зонд на їх основі
Характерним представником сенсора магнітного поля на РХС є структура, в якій чутлива ділянка сенсора винесена на периферію, зокрема в кутову область прямокутної пластини. Така РХС має центральний струмовий контакт, струм від якого тече через чутливу ділянку до двох бокових струмових контактів. Інформативний сигнал РХС формується на двох потенціальних контактах, що сформовані по краях чутливої ділянки . Перевагою РХС з кутовим розміщенням чутливої ділянки є мінімізація відстані між чутливою ділянкою сенсора та поверхнею об’єкта вимірювання, а також можливість формування об’ємних структур з високою просторовою роздільною здатністю вимірювання трьох ортогональних проєкцій BX, BY, BZ вектора індукції магнітного поля (3D сенсорів).
Об'ємну структуру 3D зонда магнітного поля формують, розмістивши три РХС з кутовим розміщенням чутливої ділянки на суміжних сторонах куба таким чином, щоб чутливі ділянки трьох РХС утворили вершину куба. Ця вершина куба може як завгодно близько наближатися до вимірювальної поверхні, а отже забезпечує високу просторову роздільну здатність вимірювання BX, BY, BZ проєкцій вектора індукції магнітного поля.
РХС сенсорів планарного магнітного поля
На відміну від традиційних перетворювачів Холла, відхилення рухомих носіїв в яких відбувається в паралельній до поверхні структури площині, а вісь чутливості є перпендикулярною до поверхні структури, відхилення рухомих носіїв в сенсорах планарного магнітного поля відбувається по товщині пластини сенсора, що забезпечує чутливість до паралельних структурі сенсора магнітних полів. РХС сенсорів планарного магнітного поля називають вертикальними елементами Холла. Типово, вертикальний елемент Холла містить сформовані вздовж однієї лінії на поверхні пластини один центральний та два бокові струмові контакти. В проміжку між струмовими контактами сформовано два потенціальні контакти, що є рівновіддаленими від центрального струмового контакту .
Вісь чутливості вертикального елемента Холла є перпендикулярною до осі, вздовж якої розміщено контакти та паралельною поверхні пластини РХС.
РХС інтегральних 2D та 3D зондів магнітного поля
Поєднуючи дві схрещені під прямим кутом РХС вертикальних елементів Холла, формують 2D та 3D зонди магнітного поля. Розрізняють декілька варіантів живлення таких зондів. Зокрема, струм може протікати від центрального контакту до чотирьох бокових контактів (9-и контактна конструкція), лише між боковими контактами з протилежним напрямом струму в протилежних плечах структури (8-и контактна конструкція без центрального контакту), чи лише в одному з вертикальних елементів Холла тощо.
Поєднання таких варіантів живлення з відповідними способами формування вихідних сигналів дозволяє сформувати інтегральний сенсор для вимірювання трьох ортогональних BX, BY, BZ проєкцій вектора індукції магнітного поля . При реалізації РХС вертикальних елементів Холла на основі тонкоплівкової технології без поверхневого ізолюючого шару, зокрема з використанням InSb чутливої плівки, потенціальні контакти формують, використовуючи проміжні потоншені ділянки, що контактують зі струмовими плечами РХС в глибині чутливої плівки .
Транзисторні РХС
Використання РХС в вимірювальних перетворювачах транзисторного типу дозволяє реалізувати з розщепленим колектором (spit collector) чи розщепленим стоком (spit drain). На відміну від вищерозглянутих РХС інформативними сигналами транзисторних РХС є не вихідна напруга, а різниця колекторних чи стокових струмів. Транзисторні РХС, типово, є елементами магнітосенсорних кремнієвих інтегральних схем .
Розвиток РХС
Метою подальшого розвитку сенсорів магнітного поля на основі РХС є підвищення точності вимірювання ортогональних проєкцій та спрощення використання цих сенсорів. Це досягається відповідними конструктивними рішеннями, мінімізацією кількості контактів, удосконаленням математичних моделей, оптимізацією алгоритму калібрування тощо
Див. також
Література
- R.S. Popovic. Hall Effect Devices. — 2nd ed. — Bristol and Philadelphia, USA
- IOP Publishing, 2004
- '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.
- Methods of modeling of magnetic sensors based on splitted Hall structure / Holyaka R., Marusenkova T., Chapran M. - Advanced Numerical modeling. IIPhDW — 2011. . Zielona Gora. Poland. pp. 75-76.
- 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.
- 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.
- 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.
- 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.
- 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.
- 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.
- 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.
- 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.
- R.S. Popovic, Z. Randjelovic, D. Manic Integrated Hall-Effect Magnetic Sensors. Sensors and Actuators, A 91. 2001. pp. 46-50
- 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.
- 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.
- 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
- Вимірювальний перетворювач магнітного поля. Патент на корисну модель № 58887 / Готра З.Ю., Большакова І.А., Голяка Р.Л., Марусенкова Т.А. — 26.04.2011 — 3с.
- Вимірювальний перетворювач магнітного поля. Патент на корисну модель № 58889 / Готра З.Ю., Большакова І.А., Голяка Р.Л., Марусенкова Т.А. — 26.04.2011 — 4с.
- Вимірювальний перетворювач магнітного поля. Патент на корисну модель № 59265 / Готра З.Ю., Большакова І.А., Голяка Р.Л., Марусенкова Т.А. — 10.05.2011 — 4с.
Вікіпедія, Українська, Україна, книга, книги, бібліотека, стаття, читати, завантажити, безкоштовно, безкоштовно завантажити, mp3, відео, mp4, 3gp, jpg, jpeg, gif, png, малюнок, музика, пісня, фільм, книга, гра, ігри, мобільний, телефон, android, ios, apple, мобільний телефон, samsung, iphone, xiomi, xiaomi, redmi, honor, oppo, nokia, sonya, mi, ПК, web, Інтернет
Rozshe pleni ho llivski struktu ri RHS riznovid davachiv Holla RHS ye konstruktivnoyu bazoyu sensoriv magnitnogo polya na efekti Holla Na vidminu vid tradicijnih peretvoryuvachiv Holla yaki tipovo mayut sformovani do napivprovidnikovoyi plastini pryamokutnoyi formi po dva strumovih ta dva potencialnih kontakti forma RHS ta kilkist kontaktiv v nih mozhut buti dovilnimi Zdebilshogo RHS skladayetsya z dekilkoh napivelementiv Holla poyednannya yakih dozvolyaye otrimati sensori magnitnogo polya z novimi funkcionalnimi mozhlivostyami ta harakteristikami Funkcionalni mozhlivosti ta perevagi sensoriv na osnovi RHSTradicijnij peretvoryuvach Holla HS z dvoma strumovimi C1 S2 ta dvoma potencialnimi C3 S4 kontaktami zliva ta jogo elementarnij podil na dva napivelementi Holla HHS1 HHS2 z kontaktami C11 S12 C13 ta C21 S22 C23 vidpovidno sprava Priklad modelnogo analizu karti potencialiv u dvoh ortogonalno rozvernutih strukturah Funkcionalnimi mozhlivostyami ta perevagami sensoriv na osnovi RHS ye minimizaciya vidstani mizh chutlivoyu dilyankoyu sensora ta ob yektom vimiryuvannya zokrema pri vimiryuvanni pripoverhnevih magnitnih poliv formuvannya ob yemnih struktur z visokoyu prostorovoyu rozdilnoyu zdatnistyu vimiryuvannya troh ortogonalnih proyekcij BX BY BZ vektora indukciyi magnitnogo polya 3D sensoriv formuvannya rozpodilenih v prostori matric sensoriv skaneriv zokrema dlya vimiryuvannya rozpodilu dvoh proyekcij BX BY pripoverhnevogo magnitnogo polya 2D skaneriv formuvannya odnokristalnih single chip 2D ta 3D sensoriv v skladi odnokristalnih kremniyevih integralnih shem chi v pristroyah vimiryuvannya magnitnih poliv na osnovi radiacijno stijkih napivprovidnikovih struktur Formuvannya signalu v sensorah na RHSPivmostova zliva ta mostova sprava shemi formuvannya signaliv v sensorah na osnovi RHS HHS HHS1 HHS2 RHS IS dzherelo strumu zhivlennya VH VR VH1 VH2 vihidni naprugi Na vidminu vid tradicijnih peretvoryuvachiv Holla formuvannya informativnih signaliv v RHS ta yih interpretaciya ye problematichnishimi zadachami Zdebilshogo ce obumovleno nemozhlivistyu kompensuvati vihidnij signal RHS pri vidsutnosti magnitnogo polya ta nayavnistyu u comu signali dvoh komponent hollivskoyi ta magnitorezistivnoyi Parametrichnij analiz RHS potrebuye specifichnih algoritmiv matematichnogo modelyuvannya a zastosuvannya RHS skladnishih metodik kalibruvannya Chastkovimi rishennyami zadach formuvannya signalu v sensorah na RHS ye vikoristannya v yakij vihidna napruga RHS vimiryuyetsya vidnosno naprugi sformovanoyi rezistivnim podilnikom sho vvimkneno paralelno RHS zokrema v 2D skanerah v yakih informativnim signal ye rizniceva napruga mizh vihodami dvoh napivelementiv Holla zokrema v sensorah vimiryuvannya gradiyenta magnitnogo polya ta v RHS z kutovim rozmishennyam chutlivoyi dilyanki RHS z kutovim rozmishennyam chutlivoyi dilyanki ta 3D zond na yih osnoviRHS z kutovim rozmishennyam chutlivoyi dilyanki C3 centralnij strumovij kontakt C1 C5 bokovi strumovi kontakti C2 C4 potencialni kontakti 3 D zond na osnovi RHS z kutovim rozmishennyam chutlivoyi dilyanki chutliva dilyanka okreslena punktirnoyu liniyeyu i poznachena 3 D Sensor Harakternim predstavnikom sensora magnitnogo polya na RHS ye struktura v yakij chutliva dilyanka sensora vinesena na periferiyu zokrema v kutovu oblast pryamokutnoyi plastini Taka RHS maye centralnij strumovij kontakt strum vid yakogo teche cherez chutlivu dilyanku do dvoh bokovih strumovih kontaktiv Informativnij signal RHS formuyetsya na dvoh potencialnih kontaktah sho sformovani po krayah chutlivoyi dilyanki Perevagoyu RHS z kutovim rozmishennyam chutlivoyi dilyanki ye minimizaciya vidstani mizh chutlivoyu dilyankoyu sensora ta poverhneyu ob yekta vimiryuvannya a takozh mozhlivist formuvannya ob yemnih struktur z visokoyu prostorovoyu rozdilnoyu zdatnistyu vimiryuvannya troh ortogonalnih proyekcij BX BY BZ vektora indukciyi magnitnogo polya 3D sensoriv Ob yemnu strukturu 3D zonda magnitnogo polya formuyut rozmistivshi tri RHS z kutovim rozmishennyam chutlivoyi dilyanki na sumizhnih storonah kuba takim chinom shob chutlivi dilyanki troh RHS utvorili vershinu kuba Cya vershina kuba mozhe yak zavgodno blizko nablizhatisya do vimiryuvalnoyi poverhni a otzhe zabezpechuye visoku prostorovu rozdilnu zdatnist vimiryuvannya BX BY BZ proyekcij vektora indukciyi magnitnogo polya RHS sensoriv planarnogo magnitnogo polyaRHS vertikalnogo elementa Holla C3 centralnij strumovij kontakt C1 C5 bokovi strumovi kontakti C2 C4 potencialni kontakti Na vidminu vid tradicijnih peretvoryuvachiv Holla vidhilennya ruhomih nosiyiv v yakih vidbuvayetsya v paralelnij do poverhni strukturi ploshini a vis chutlivosti ye perpendikulyarnoyu do poverhni strukturi vidhilennya ruhomih nosiyiv v sensorah planarnogo magnitnogo polya vidbuvayetsya po tovshini plastini sensora sho zabezpechuye chutlivist do paralelnih strukturi sensora magnitnih poliv RHS sensoriv planarnogo magnitnogo polya nazivayut vertikalnimi elementami Holla Tipovo vertikalnij element Holla mistit sformovani vzdovzh odniyeyi liniyi na poverhni plastini odin centralnij ta dva bokovi strumovi kontakti V promizhku mizh strumovimi kontaktami sformovano dva potencialni kontakti sho ye rivnoviddalenimi vid centralnogo strumovogo kontaktu Vis chutlivosti vertikalnogo elementa Holla ye perpendikulyarnoyu do osi vzdovzh yakoyi rozmisheno kontakti ta paralelnoyu poverhni plastini RHS RHS integralnih 2D ta 3D zondiv magnitnogo polyaPoyednuyuchi dvi shresheni pid pryamim kutom RHS vertikalnih elementiv Holla formuyut 2D ta 3D zondi magnitnogo polya Rozriznyayut dekilka variantiv zhivlennya takih zondiv Zokrema strum mozhe protikati vid centralnogo kontaktu do chotiroh bokovih kontaktiv 9 i kontaktna konstrukciya lishe mizh bokovimi kontaktami z protilezhnim napryamom strumu v protilezhnih plechah strukturi 8 i kontaktna konstrukciya bez centralnogo kontaktu chi lishe v odnomu z vertikalnih elementiv Holla tosho Poyednannya takih variantiv zhivlennya z vidpovidnimi sposobami formuvannya vihidnih signaliv dozvolyaye sformuvati integralnij sensor dlya vimiryuvannya troh ortogonalnih BX BY BZ proyekcij vektora indukciyi magnitnogo polya Pri realizaciyi RHS vertikalnih elementiv Holla na osnovi tonkoplivkovoyi tehnologiyi bez poverhnevogo izolyuyuchogo sharu zokrema z vikoristannyam InSb chutlivoyi plivki potencialni kontakti formuyut vikoristovuyuchi promizhni potonsheni dilyanki sho kontaktuyut zi strumovimi plechami RHS v glibini chutlivoyi plivki Tranzistorni RHSVikoristannya RHS v vimiryuvalnih peretvoryuvachah tranzistornogo tipu dozvolyaye realizuvati z rozsheplenim kolektorom spit collector chi rozsheplenim stokom spit drain Na vidminu vid visherozglyanutih RHS informativnimi signalami tranzistornih RHS ye ne vihidna napruga a riznicya kolektornih chi stokovih strumiv Tranzistorni RHS tipovo ye elementami magnitosensornih kremniyevih integralnih shem RHS na vertikalnih elementah Holla dlya vimiryuvannya ortogonalnih proyekcij magnitnogo polya Aktivna chastina tonkoplivkovoyi RHS 3D zonda magnitnogo polya Konstrukciya sensora na dvoh magnitotranzistorah z rozsheplenimi kolektorami B0 B1 B2 bazi S11 S12 S21 S22 kolektori E1 E2 emiteri Rozvitok RHSMetoyu podalshogo rozvitku sensoriv magnitnogo polya na osnovi RHS ye pidvishennya tochnosti vimiryuvannya ortogonalnih proyekcij ta sproshennya vikoristannya cih sensoriv Ce dosyagayetsya vidpovidnimi konstruktivnimi rishennyami minimizaciyeyu kilkosti kontaktiv udoskonalennyam matematichnih modelej optimizaciyeyu algoritmu kalibruvannya toshoDiv takozhEfekt HollaLiteraturaR S Popovic Hall Effect Devices 2nd ed Bristol and Philadelphia USA IOP Publishing 2004 Mikroelektronni sensorni pristroyi magnitnogo polya Monografiya Za redakciyeyu Gotri Z Yu Bolshakova I A Gladun M R Golyaka R L Gotra Z Yu Lopatinskij I Ye Potencki Ye Sopilnik L I Lviv Vidavnictvo Nacionalnogo universitetu Lvivska politehnika 2001 412c 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 Metod kalibruvannya sensoriv magnitnogo polya na rozsheplenih hollivskih strukturah Gotra Z Yu Golyaka R L Marusenkova T A Visnik NTU HPI Tematichnij vipusk Informatika ta modelyuvannya Harkiv NTU HPI 2010 31 s 74 79 Polova harakteristika sensoriv magnitnogo polya na rozcheplenih hollivskih strukturah I A Bolshakova R L Golyaka T A Marusenkova Visnik Nacionalnogo universitetu Lvivska politehnika Elektronika 681 2010 c 66 75 Metodi modelyuvannya ta kalibruvannya 3D zondiv magnitnogo polya na rozsheplenih hollivskih strukturah Bolshakova I A Golyaka R L Gotra Z Yu Marusenkova T A Elektronika ta zv yazok Tematichnij vipusk Elektronika ta nanotehnologiyi 2011 2 61 s 34 38 Bolshakova I A Golyaka R L Makido O Yu Marusenkova T A Novi konstrukciyi napivprovidnikovih tonkoplivkovih 3 D sensoriv magnitnogo polya Elektronika i svyaz 2009 2 3 c 6 10 Bolshakova I A Golyaka R L Moroz A P Yerashok V E Marusenkova T A Sensorni pristroyi magnitnogo polya na sensorah Holla z rozsheplenoyu strukturoyu Elektronika Visnik Nacionalnogo universitetu Lvivska politehnika 2009 646 c 38 45 J Pascal L Hebrard J Kammerer V Frick and J P BlondeFirst vertical Hall device in standard 0 35 mm CMOS technology Sensor and Actuators A Phys Vol 147 2008 pp 41 46 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 D R Popovic S Dimitrijevic M Blagojevic P Kejik E Schurig R S PopovicThree Axis Teslameter With Integrated Hall Probe IEEE Transactions on instrumentation and measurement Vol 56 N 4 August 2007 pp 1396 1402 R S Popovic Z Randjelovic D Manic Integrated Hall Effect Magnetic Sensors Sensors and Actuators A 91 2001 pp 46 50 R S Popovic P Kejik S Reymond D R Popovic M Blagojevic S Dimitrijevic Multi axis integrated hall magnetic sensors Nuclear Technology amp Radiation Protection 2 2007 pp 20 28 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 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 Vimiryuvalnij peretvoryuvach magnitnogo polya Patent na korisnu model 58887 Gotra Z Yu Bolshakova I A Golyaka R L Marusenkova T A 26 04 2011 3s Vimiryuvalnij peretvoryuvach magnitnogo polya Patent na korisnu model 58889 Gotra Z Yu Bolshakova I A Golyaka R L Marusenkova T A 26 04 2011 4s Vimiryuvalnij peretvoryuvach magnitnogo polya Patent na korisnu model 59265 Gotra Z Yu Bolshakova I A Golyaka R L Marusenkova T A 10 05 2011 4s