Расщеплённые холловские структуры

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 ${\displaystyle \left(B_{x},B_{y},B_{z}\right)}$ вектора индукции магнитного поля (3D сенсоров);
• формирование распределенных в пространстве матриц сенсоров (сканеров), в том числе, для измерения распределения двух проекций ${\displaystyle \left(B_{x},B_{y}\right)}$ 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.

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 (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 ${\displaystyle \left(B_{x},B_{y},B_{z}\right)}$ 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 трёх РХС образовали вершину куба. Эта вершина куба может сколь угодно приближаться к измеряемой поверхности — таким образом обеспечивается высокое пространственное разрешение измерения проекций ${\displaystyle B_{x},B_{y},B_{z}}$ вектора индукции магнитного поля.

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.

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 ${\displaystyle B_{x},B_{y},B_{z}}$ 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 плёнки InSb, потенциальные контакты формируют, используя промежуточные утончённые участки, контактирующие с токовыми плечами РХС в глубине чувствительной пленки^[7][8].

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).

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]}.