Просмотр кода страницы Расщеплённые холловские структуры

'''Расщеплённые хо́лловские структу́ры''' ('''РХС''') — разновидность [[Датчик Холла|датчиков Холла]]. РХС являются конструктивной базой сенсоров [[Магнитное поле|магнитного поля]] на основе [[Эффект Холла|эффекта Холла]]<ref name="basePopovic">''R.S. Popovic''. Hall Effect Devices. — 2nd ed. — Bristol and Philadelphia, USA : IOP Publishing, 2004 </ref><ref name="zaredHotry">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.</ref>. В отличие от традиционных преобразователей Холла, состоящих, как правило, из [[Полупроводники|полупроводниковой]] пластины прямоугольной формы со сформированными двумя токовыми и двумя потенциальными [[Электрический контакт|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 ==
{| align="right"
|- valign="top"
|[[Файл:Ordinary Hall element and its elementary division into two half-Hall sensors.PNG|thumb|350px|Традиционный преобразователь Холла ({{lang-en|Hall sensor}} — HS) с двумя токовыми (C{{sub|1}}, С{{sub|2}}) и двумя потенциальными (C{{sub|3}}, С{{sub|4}}) контактами (слева) и его элементарное разделение на два полуэлемента Холла (HHS, от {{lang-en2|half}} — «половина», и HS) HHS{{sub|1}}, HHS{{sub|2}} с контактами C{{sub|11}}, С{{sub|12}} , C{{sub|13}}, C{{sub|21}}, С{{sub|22}} и C{{sub|23}}, соответственно (справа).]]
|[[Файл:Example of modeling potential distribution in two structures placed at right angles.PNG|thumb|330px|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 <math>\left ( B_x, B_y, B_z \right ) </math> вектора индукции магнитного поля (3D сенсоров);
* формирование распределенных в пространстве матриц сенсоров (сканеров), в том числе, для измерения распределения двух проекций <math>\left ( B_x, B_y \right ) </math> приповерхностного магнитного поля (2D сканеров);
* формирование однокристальных (single chip) 2D и 3D сенсоров в составе однокристальных кремниевых [[Интегральная схема |интегральных схем]] или в устройствах измерения магнитных полей на основе радиационно-устойчивых полупроводниковых структур.

== Формирование сигнала в сенсорах на РХС ==
[[Файл:Half bridge circuit and bridge circuit of forming signals in sensors based on splitted Hall structures.PNG|right|thumb|400px|Полумостовая (слева) и мостовая (справа) схемы формирования сигналов в сенсорах на основе РХС (HHS, HHS{{sub|1}}, HHS{{sub|2}} — РХС, IS — источник тока питания, V{{sub|H}}, V{{sub|R}}, V{{sub|H1}}, V{{sub|H2}} — выходные напряжения).]]
В отличие от традиционных преобразователей Холла, формирование информативных [[сигнал]]ов 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 [[Магнетосопротивление|магнеторезистивной]]. Параметрический анализ РХС требует специфических алгоритмов [[Математическая модель|математического моделирования]], а применение РХС — более сложных методик [[Калибровка|калибровки]]<ref>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. </ref><ref>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. </ref><ref>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. </ref><ref>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.</ref>.

Частичными решениями задач формирования сигнала в сенсорах на РХС является использование:
* [[Полумостовая схема|полумостовой схемы]], в которой выходное [[Электрическое напряжение|напряжение]] РХС меняется относительно напряжения, сформированного [[Делитель напряжения|резистивным делителем]], подключённым параллельно РХС (в том числе, в 2D-сканерах);
* [[Мостовая схема|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 ==
{|align="left"
|-valign="top"
|[[Файл:Splitted Hall structure with a corner active region.PNG|thumb|270px|РХС с угловым размещением чувствительной области (C{{sub|3}} — центральный токовый контакт, C{{sub|1}}, C{{sub|5}} — боковые токовые контакты, C{{sub|2}}, C{{sub|4}} — потенциальные контакты).]]
|[[Файл:3D probe based on splitted Hall structures with corner active regions.PNG|thumb|310px|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, [[Электрический ток|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<ref name="ElISvyaz2009">''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. </ref><ref name="NULP2009">''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. </ref>. 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 <math>\left ( B_x, B_y, B_z \right ) </math> 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 <math>B_x, B_y, B_z </math> вектора индукции магнитного поля.

== РХС сенсоров планарного магнитного поля ==
[[Файл:Splitted Hall structure of vertical Hall sensor.PNG|right|thumb|290px|РХС вертикального элемента Холла (C{{sub|3}} — центральный токовый контакт, C{{sub|1}}, C{{sub|5}} — боковые токовые контакты, C{{sub|2}}, C{{sub|4}} — потенциальные контакты).]]
В отличие от традиционных преобразователей Холла, в которых отклонение подвижных [[Носители заряда|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<ref>''J. Pascal, L. Hebrard, J. Kammerer, V. Frick, and J. P. Blonde'' First vertical Hall device in standard {{nobr|0.35 μm}} CMOS technology. Sensor and Actuators. A: Phys. Vol. 147. 2008. — pp. 41—46.</ref><ref>''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.</ref>.

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 трёх ортогональных проекций <math>B_x, B_y, B_z </math> вектора индукции магнитного поля<ref>''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. </ref><ref>''R.S. Popovic, Z. Randjelovic, D. Manic'' Integrated Hall-Effect Magnetic Sensors. Sensors and Actuators, A 91. 2001. pp. 46—50</ref><ref>''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. </ref><ref>''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. </ref>.

При реализации РХС вертикальных элементов Холла на основе тонкопленочной технологии без поверхностного изолирующего слоя, в том числе, с использованием чувствительной плёнки [[Антимонид индия|InSb]], потенциальные контакты формируют, используя промежуточные утончённые участки, контактирующие с токовыми плечами РХС в глубине чувствительной пленки<ref name="ElISvyaz2009"/><ref name="NULP2009"/>.

== Транзисторные РХС ==
Использование РХС в [[Измерительный преобразователь|измерительных преобразователях]] транзисторного типа позволяет реализовать [[магнитотранзистор]]ы с расщеплённым коллектором ({{lang-en|spit collector}}) или расщеплённым стоком ({{lang-en2|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<ref name="basePopovic"/><ref name="zaredHotry"/>.

{|align="center"
|-valign="top"
|[[Файл:Splitted Hall structure on vertical Hall elements.PNG|thumb|РХС на вертикальных элементах Холла для измерения ортогональных проекций магнитного поля.]]
|[[Файл:Active region of the thin-film splitted Hall structure of a 3D magnetic sensor.PNG|thumb|400px|Активная часть тонкопленочной РХС 3D-зонда магнитного поля.]]
|[[Файл:Design of a sensor based on two magnetotransistors with splitted collectors.PNG|thumb|400px|Конструкция сенсора на двух магнитотранзисторах с расщеплёнными коллекторами (B{{sub|0}}, B{{sub|1}}, B{{sub|2}} — базы; С{{sub|11}}, С{{sub|12}}, С{{sub|21}}, С{{sub|22}} — коллекторы, E{{sub|1}}, E{{sub|2}} — 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<ref>''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</ref><ref>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.</ref><ref>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.</ref><ref>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.</ref>.

== См. также ==
* [[Эффект Холла]]

== Примечания ==
{{примечания}}

[[Категория:Магнетизм]]
[[Категория:Датчики]]