Датчик Холла Советский патент 1982 года по МПК G01R33/07 

I

Изобретение относится к магнитным измерениям, и может быть исполь зовано в бесконтактных измерителях малых перемещений и поворотов, измерителях тока и электрической мощности, а также в других устройствах автоматики и вычислительной техники.

Известен датчик Холла, содержащий полупроводниковую пластину , холловские и токовые электроды, один из которых расщеплен на два отдельных канала размером, проходящим вдоль токо вой оси симметрии датчика ло линии, соединяющей ближайшие к нему края холловских электродов. Такая конструкция датчика Холла полностью устраняет напряжение неэквипотенциальности путем небольшого перераспределения управляющих токов в каналах датчика. Напряжение неэквипотенциальности в этом случае компенсируется регулируемым поперечным падением напряжения, возникающим в области максимального 11скривления силовых линий управляюшего тока на участке между холловскими электродами р J.

Недостатками этого датчика являются значительная величина его соответственно магнитного поля по сравнению с измеряемым магнитным полем, что снижает точность измерений. Кроме того, эффективное значение управляющего тока такого датчика зависит от степени искривления силовых линий управляющего тока в области холлоС кик электродов и будет тем меньше, чем больше это искривление, т.е. в конечном итоге, чувствительность датчика Холла изменяется в процессе устранения его напряжения неэквипотенциальности .

Цель изобретения - повышение точности измерений.

Эта цель достигается тем, что в датчике Холла, содержащем полупроводниковую пластину, холловские и токовые электроды, один из которых расщеплен на два канала прорезью, проходящим вдоль оси симметрии датчика ортогонально линии, соединяющей холловские электроды и делящей датчик на два канала, каждый из каналов дат чика выполнен в виде бифиляра из маг ниточувствительной области с проводи .мостыо, противоположной проводимости полупроводниковой пластины, на котоx рой поверх слоя изолирующего материа ла расположена токопроводящая дорожка, соединяющая край магниточувствительной области, расположенный со стороны прорези, с соответствующим контактом расщепленного токового электрода, а общий конец магниточувствительных областей соединен с контактом нерасщепленного токового элек трода, при этом длина L прорези, рас щепляющей токовый электрод удовлетво ряет условно L аУ2 + Ь, где L - длина прорези; а - ширина холловского электрода;b - расстояние между линией, проходящей через центры хол , ловских электродов и разделенным краем полупроводниковой пластины. На фиг. 1 приведен пример выполнения датчика Холла; на фиг. 2 разрез А-А на фиг. 1. Датчик Холла состоит из пластины основания 1, изготовленной из слаболегированного монокристаллического кремния определенного типа проводимости, например Р-типа, и имеющий относительно высокое удельное сопротивление (.например, десятки и более ). Пластина. Т покрыта сверху за пщтным слоем 2 окиси кремния. В полу проводниковой пластине 1 методами апанерной технологии, например диффузией фосфора, сформированы магнито чувствительные области 3 и 4 с проводимостью п-типа и средним удельным электрическим сопротивлением не мене 1 Ом(СМ. Магниточувствительные облас ти 3 и 4 имеют общий участок - пере мычку 5. На внешних или внутренних сторонах (в зависимости от конструктивного исполнения датчика Холла ) магниточувствительных областей 3 и 4 имеются узкие выступы, ширина кото рых не менее чем в три раза меньше ширины наиболее узкого канала датчика. Выступы выполняют функции коллов ских электродов 6 и 7 датчика. Расстояние от перемычки 5 до ближайших к ней краев холловских электродов 6 и 7 составляет не менее суммарной ширины каналов датчика. Над магниточувствительными областями 3 и 4, электродами 6 и 7 расположен тонкий (0,5-1,0 мкм) слой 8 изолирующего материала, например фосфорно-силикатного стекла. Поверх слоя 8 сформированы, например, напьшением алюминия в вакууме с последующей фотогравировкой, токопроводящие дорожки 9 и 10. Эти дорожки перекрывают соответствующие им магниточувствительные области 3 и 4 по крайней мере в области расположения холловских электродов датчика. Каждая из токопроводящих дорожек через окно в слое 8 контактирует с краем соответствующей ей магниточувствительной области 3 или 4, расположенным со стороны начала разреза и соединяет их с контактными площадками 11 или 12, соответственно расщепленного токового электрода. Перемычка 5 магниточувствительных областей 3 и 4 через окно в слое 8 соединена токопроводящей дорожкой I3 с контактной площадкой 14 нерасщепленного токового электрода. Расширенные концы холловских электродов 6 и 7 через окна в слое 8 соединены токопроводящими дорожками 15 и16 с контактными площадками 17 и 18 холловских электродов датчика. Источник 19 тока соединен с контактной площадкой 14 и через переменный резистор 20 - с контактными площадками 11 и 12 расщепленного токового электрода. Датчик Холла работает следующим образом. При подключении токовых электродов датчика к источнику 19 тока с помощью переменного резистора 20, выполняющего функции .распределителя тока в каналах датчика, в магниточувствительных областях 3 и 4 возникают управляющие токи J. KJ , соответственно. При появлении магнитного поля в каналах 3 и 4 индуцируется ЭДС Холла которая в каждом канале пропорхщональ на величине управляющего тока через этот канал и той составляющей магнитного поля, которая ортогональна как к плоскости пластины 1, так и к силовым линиям тока в области расположения холловских электродов 6 и 7.

58983576

Между контактными площадками 17 и Использование предлагаемого д гтчи18 устанавливается следующая разность ка Холла повышает точность измерения

потенциалов

0.5 (E.-UJ/,

и

вых где U-. .у напряжение между контактными площадками 17 и 18 датчика; Е - ЭДС Холла датчика; Ufl - напряжение неэквипотенциальности датчика. Величина и полярность ЭДС Холла датчика с одинаковыми магниточувствйтельными областями 3 и 4 определяется следующим выражением Е. 0.5§ В fJ, .1), где Rh - постоянная Холла для магниточувствительных областей 3 и 4; d -эффективная толщина магнито чувствительных областей 3 и В - вектор магнитной индукции в области холловских электр дов датчика. Каждая из магниточувствительных областей датчика вместе с расположен ной над нею токопроводящей дорожкой 9 или 10 образует бифиляр, собственное поле которого лежит в плоскости пластины 1, т. е. ортогонально к измеряемой датчиком .компоненте внешнег магнитного поля. За счет этого и достигается повышение точности измерений магнитных полей. Кроме того, силовые линии токов Jj и J в каналах 3 и 4 датчика Холла в области холлов ких электродов6 и 7 практически не искривляются, а суммарная величина этих токов остается неизменной при ;любом распределении этих токов по каналам датчика. Вследствие этого эффективное значение управляющего тока датчика и его чувствительност остаются постоянными.

магнитных полей более, чем в два ра за по сравнению с известным устрой$ ством. Формула изобретения Датчик Холла, содержащий полупроводниковую пластину, холловские и токовые электроды, один из которых разделен на два контакта прорезью, проходящей вдоль оси симметрии датчика ортогонально линии, соединяющей холловские электроды и делящей датчик на два канала, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерений, каждый из каналов датчика выполнен в виде бифиляра из магниточувствительной области с проводимостью, противоположной проводимости полупроводниковой пластины, на которой поверх слоя изолирующего материала расположена токопроводящая дорожка, соединяющая край магниточувствительной области, расположенный со стороны прорези, с соответствующим контактом расщепленного токового .электрода, а общий конец магниточувствительных областей соединен с контактом нерасщепленного токового электрода, при этом длина L прорези, разделяющей токовый электрод удовлетворяет условно L 7 - b где L - длина прорези; а ,- ширина холловского электро да; b - расстояние между линией, проходящей через центры холловских электродов и разделенным краем полупроводниковой пластины. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1. Авторское свидетельство СССР № 646283, кл. G О R 33/06, 1977.

J,2Q

32

i

/

f7

%/л

S A-A

v

/ Q