Hall Sensor Based Magnetogradiometer

INTERNATIONAL SCIENTIFIC CONFERENCE 18 – 19 November 2016, GABROVO

МАГНИТОГРАДИОМЕТЪР НА ОСНОВАТА НА ХОЛ СЕНЗОР HALL SENSOR BASED MAGNETOGRADIOMETER S. V. Lozanova, L. O. Altunyan Institute of Systems Engineering and Robotics at Bulgarian Academy of Sciences “Acad. G. Bonchev” Str., Bl.2, Sofia 1113, Bulgaria Email: lozanovasi@abv.bg

Abstract A novel coupling of symmetrical Hall devices which transform them in magnetogradiometers with high resolution consisting 40 х 40 х 30 μm3 is proposed. The sensor is with two independent outputs keeping the same number of four contacts at a simplified and versatile conditioning circuitry. The experiments are carried out using silicon structures realized with a part of bipolar IC technology, as the sensitivity reaches S = 43 V/AT. A magnetomodulating system with high and linear gradient 70-80 mT/mm in the temperature range 10 ≤ Т ≤ 60 ºС is developed. This innovative solution is completely adapted to batch fabricated symmetrical Hall sensors which extend its applicability.

Keywords: magnitogradiometer, Hall effect devices, magnetic modulating systems.

ВЪВЕДЕНИЕ Измерването на градиента на магнитното поле ∂В/∂х е ключова технология в различни съвременни научни и приложни области. В ускорителите на елементарни частици при ядрените експерименти, например, колайдерът в ЦЕРН, с който беше открит Х-бозонa с маса 125 GeV през 2012 г., предсказан от Питър Хигс и Франсоа Енглерт, съдържа изключително сложна и прецизна система за управление и насочване на ускоряваните частици, използваща магнито градиометрични колиматори [1-3]. Друго важно приложение е безконтактното определяне на линейни и ъглови премествания, най-вече в модерните електромобили, мултикоптерите, микро- и наноелектрониката, материалознанието, неразрушаващия контрол на детайли и компоненти, геоложките и геотехническите изследвания и др. [4-6]. В медицината при диагностика на органите чрез ядреномагнитен резонанс, без градиометрични устройства е невъзможна точната локация на апаратурата по огтношение на изследваната I-260

зона от човешкото тяло. В геномиката и генетиката високоточното сканиране на топологията на клетките и клъстерните образования с органичен произход изисква микросензори за магнитен градиент [6-8]. Най-разпространените системи за определяне на градиента ∂В/∂х са на основата на ефекта на електромагнитната индукция [5,6]. Основният недостатък на тези инструменти е твърде ниската пространствена разделителна способност (резолюция), определена от базовите размери между съответните регистриращи бобини. Перспективно направление в магнитоградиометрията е използването на полупроводникови сензори на основата на ефекта на Хол [5,6]. Информацията за градиента ∂В/∂х на магнитното поле В от сензор на Хол с ортогонална активация се получава чрез сумиране на генерираните потенциали върху зоните с Холови контакти, формирани в средните части на дългите страни на образците. В традиционния работен режим на елементите на Хол тези потенциали се изваждат, за да се получи стойността на

Международна научна конференция “УНИТЕХ’16” – Габрово

диференциалното напрежение VH(B). Въпреки съществено подобрената резолюция, остава отстраняване на паразитното в тези устройства квадратично магнитосъпротивление. Ето защо задължително изискване е в използваните за целта класически архитектури елементи на Хол да е изпълнено условието дължината L на структурата да превъзхожда не по-малко от три пъти ширината W й, 3W ≤ L, [5-8]. В настоящата статия е представена нова разновидност на магнитоградиометър на основата на ефекта на Хол с два независими диференциални изхода при запазване броя от четири контакта и повишена чувствителност.

VH1(Bz)

+ R1

Es R2

p -Si

y x

C1

C2

C4

C3

n -Si

МАГНИТОГРАДИОМЕТЪР ЧРЕЗ НОВО СВЪРЗВАНЕ НА СЕНЗОР НА ХОЛ а) Принцип на действие На фиг. 1 е представен класически n-Si сензор на Хол с квадратна форма и ортогонално активиране – векторът на магнитното поле Вz е перпендикулярен на равнината на полупроводниковата подложка, в конкретния случай n-тип силициева. Характерна особеност на тази структура е, че е симетрична, т.е. омичните захранващи електроди и контактите на Хол са взаимозаменяеми [5]. Ако захранващият ток е през електродите С1 и С3, Холовото напрежение VH(B) се развива върху контакти С2 и С4, и обратно, при пропускане на тока през електродите С2 и С4, диференциалният изход са електродите С1 и С3. Освен с квадратна форма, в нашия случай могат да се използват структури с кръстовидна топология или т.н. малтийски кръст, ромбоиди и др. Токовите линии проникват ефективно в обема на Si структура около 30 μm. Освен класическите микросензори за целта са подходящи и симетрични елементи на Хол с равнинна магниточувствителност, т.е. такива, при които активирането става с поле В, успоредно на равнината на структурите, описани в [4,5,7-10].

R3

R4 Bz

VH2(Bz)

Фиг. 1. Симетричен микросензор на Хол с квадратна форма и два независими изхода

Превръщането на симетричния четириконтактен елемент в преобразувател с два независими изхода се постига с оригиналното схемно решение от Фиг. 1. Всеки от четирите контакта е свързан с еднакви по стойност товарни резистори R1 … R4, като R1 = R2 = R3 = R4. Те са най-малко с един порядък по-големи от вътрешното съпротивление Rint на елемента на Хол, R1 = R2 = R3 = R4 >> Rint. Използва се необичайно куплиране за този клас сензори – контактите С1 и С4 са свързани с единия изход на захранващия токоизточник Es, а С2 и С3 - с другия изход, Фиг. 1. Така в симетричната силициева структура протичат четири токови компоненти IC3,1 = IC2,4 и съответно IC2,1 = IC3,4. Магнитното поле Вz е перпендикулярно на равнината на чертежа. В предлаганото решение магнитният поток Вz е нехомогенен в равнината x-y на подложката. В магнитното поле възникват три сили на Лоренц FL = qVdr x B, където q е елементарният товар на електрона, а Vdr е средната дрейфова скорост на движещите се електрони. В резултат на едновременната лате-

Международна научна конференция “УНИТЕХ’16” – Габрово

I-261

рална и съпосочна дефлекция на протичащите четири тока в сензора на Хол, през контакти С1 и С2, и съответно С3 и С4 следва да настъпи промяна на тези компоненти. Понеже сензорът функционира в режим генератор на ток от високите стойности на резисторите R1 = R2 = R3 = R4 >> Rint, изменение на токовете през контакти С1, С2, С3 и С4 е невъзможно. По тази причина в областите с омичните контакти се генерират допълнително еднакви по стойност потенциали на Хол със съответен знак. Следователно, ако се използват като отделни изходи контакти С1 и С4, и съответно С2 и С3, върху тях ще се развие диференциално Холово напрежение, т.е. VC1,4(B) и VC2,3(B). Описаното куплиране на класически симетричен елемент на Хол го превръща без допълнителни омични контакти в двуизходен сензор. Важна особеност е, че с помощта на четирите резистора входните електроди са едновременно и изходни. Ако полето Вz е хомогенно в равнината x-y, еднаквите напрежения на Хол от двата изхода през операционни усилватели ОУ с коефициент на усилване К = 1 могат да се сумират и магниточувствителността на сензора нараства двойно. Интерес представлява случая, когато магнитното поле Вz в равнината x-y е нехомогенно ∂Вz/∂х и градиентът е линейна функция на параметъра x, Bz(x) = Bz0 + b(z)x, където b(z) ≡ ∂Вz/∂х е измерваният градиент. Това означава, че двата изхода на сензора от Фиг. 1 ще генерират различни по стойност напрежения на Хол. Ако Bz1 и Bz2 са съответно двете екстремни стойности на индукцията В - максимална върху равнината yС1,2 – z и минимална върху равнината yС4,3 – z, в сила е съотношението VC1,4(Bz1) > VC2,3(Bz2). При фиксирана база, т.е. разстояние l0 = const между страните на сензора lC1,2(x) и lC3,4(x), l0 = lC1,2(x) - lC3,4(x) и измерени напрежения на Хол VC1,4(Bz1) и VC2,3(Bz2), може да се определи градиента на магнитното поле: ∂Вz/∂х = (VC1,4(Bz1) VC2,3(Bz2))/l0. От друга страна чрез зависимостите на напреженията на Хол VC2,3(Bz1) и VC1,4(Bz2) в хомогенно магнитно поле Вz (без градиент) се определят съответните стойности на магнитната индукция Вz върху двете срещуположни страни lC1,2(x) и I-262

lC3,4(x). Данните за разликата в стойностите на двете напрежения на Хол VC1,4(Bz1) VC2,3(Bz2) се получават с добре известна схемотехника. Тези сигнали се подават на входовете на два инструментални усилватели с коефициенти на усилване К = 1, изходите на които са свързани с инвертиращия вход на трети усилвател, чийто изход е разликата на двете Холови напрежения [9]. Поради тривиалността си, тази част от схемата не е показана на Фиг. 1. Изходното напрежение Vout (носителят на информацията за градиента на магнитното поле) без усилване от третия ОУ, съгласно анализа в [5,6], съставлява Vout = Sl0Isb(z)/4, където S е относителната магниточувствителност на Хол елемента, а Is е общият захранващ ток. б) Реализация на симетричния сензор на Хол Изследването на новото решение е осъществено с n-Si симетричен микросензор на Хол, Фиг. 1. Експерименталният прототип е реализиран с процеси от биполярната IC технология. Силициевите пластини сa с проводимост n-тип, дебелина 300 μm, обемно специфично съпротивление ρ ≈ 7.5 Ω.cm като концентрацията на легиращата примес ND и токоносителите съставляват ND ≈ n ~ 4.3 х 1015 cm-3. Използвани се 4 маски, подобно на [10]. Маска 1 определя n+ имплантираните зони за омичните контакти C1, C2, С3 и C4 като дълбочината на n+-n преходите е около 1 μm. Маска 2 формира дълбок pринг с квадратна форма и ширина на повърхността на чипа около 25 μm (по маска). Неговата роля е да ограничи ефективната сензорна зона от останалата част на подложката, повишавайки чувствителността. Маска 3 е за метализираните шини и площадките за бондиране. Маска 4 е за отворите върху повърхностния слой SiO2 за електричните контакти между шините и n+ областите. Размерите на омичните контакти са 5 x 5 µm2 с разстояние lC1,2 = lC1,4 = 40 µm между тях. Микросистемата е осъществена хибридно, т.е. използвани са прецизни операционни усилватели като дискретни компоненти. Първите два усилвателя са IC AD8222, а третият - AD8422BRZ.

Международна научна конференция “УНИТЕХ’16” – Габрово

в) Магнитомодулаторна система с висок линеен градиент Проектирана, конструирана и изследвана е магнитомодулаторна система с висок и линеен градиент на магнитното поле, съдържаща два обикновени и леснодостъпни постоянни магнита от бариев ферит BaO(Fe2O3)6 с остатъчна индукция BС ≈ 0.1 T, аналогично на [11]. В експериментите е използван специално конструиран стенд, съдържащ микрометричен винт и еталонен часовников индикатор на преместване с грешка ± 1 μm. На Фиг. 2 е показана схематично магнитомодулаторната система. Измервателна схема

ES HS

Изход

x - ос

d z S1

S2

x

N1-N2 Равнина

Преместване

Фиг. 2. Модулаторна система с два еднакви магнита от ферит, съединени с едноименните полюси N1-N2, разстоянието d = 2 mm

Тя съдържа два еднакви магнита. Нейна характерна особеност е, че магнитите са непосредствено съединени с едноименните си полюси, например N1-N2, противно на известните аналогични конфигурации с повече от 1 магнит, ориентирани един спрямо друг с разноименните си полюси. При непосредственото свързване на едноименните полюси N1-N2 (или S1-S2) се постига практически удвояване на магнитните силови линии (потока Ф) по съединителната зона на магнитите. Фактически топологията на двата срещуположно ориентирани потока Ф1 и - Ф2 (|Ф1| = |- Ф2|) е следната. Вътре в двете феритни тела потоците Ф1 и Ф2 са успоредни на оста x. Около съединителната равнина N1-N2 в резултат на нарастващото "отблъскване" те променят посоката си на 90º, сумират се и напускат

зоната като единен поток 2Ф. Той е силно концентриран по съединителната равнина N1-N2 и в близост до повърхността на магнитите. След това линиите Ф1 и Ф2 рязко променят отново посоките си на 90º и се насочват към съответните разноименни полюси N1 → S1 и N2 → S2. Удвояването на потока 2Ф се елиминира като стойността на индукции В1 и В2 върху полюсите S1 и S2 съвпада в първо приближение с тази, ако магнитите са независими един от друг. Именно ефектът на удвояване на магнитното поле е причина за наличие на силен градиент∇Вx, който може да се апроксимира спрямо равнината N1-N2 (х = 0) при x >< 0 с остър триъгълен профил, т.е. зависимостта B(x) има триъгълна форма с максимум в т. x = 0. Ето защо се предполага, че съществува съответен интервал Δx, в който градиентът ΔВ/Δx допуска във висока степен линейна апроксимация. Магнитната система се премества по отношение на симетричния сензор на Хол с ортогонална ос на чувствителност надясно или наляво спрямо съединителната равнина N1-N2 (x = 0) при разстояние d = const, Фиг.

2. Формата на изходния Холов сигнал VH(x) съществено зависи от взаимната ориентация на активната сензорна повърхност и съединителната равнина между едноименните полюси N1-N2. Ако двете равнини са взаимно перпендикулярни, видът на функцията VH(x) e най-общо с триъгълна форма и максимум в т. x = 0. Когато двете равнини са успоредни, функцията VH(x) е нечетна и антисиметрична с добре дефинирана нула в т. x = 0. Модулаторната или актуаторната система е реализирана с еднакви постоянни магнита с дължина l = 7 mm и размери на квадратното им сечение 10 х 10 mm2. След фино полиране с абразив, двете еднакви тела от бариев ферит се намагнитват. Те се съединяват непосредствено с едноименните си, отблъскващите се, полюси в преса и се свързват с лепило тип "Локтайт". На Фиг. 3 е показан експериментално определеният топологичен профил на разпределението на магнитната индукция при двете възможни ориентации на съединителната равнина N1-N2 и активната сензорна повърхност.

Международна научна конференция “УНИТЕХ’16” – Габрово

I-263

40 х 30 μm3, което определя високата му пространствена резолюция. Вътрешният собствен шум на двата изхода е идентичен и е от типа 1/f, Фиг. 5. Минималната детектируема магнитна индукция Bmin при общ захранващ ток IS = 3 mA в честотния диапазон f ≤ 103 Hz съставлява Bmin ≈ 10 µT.

B [mT] 200 (a)

160 120

(б)

80 − x [mm] - 10 - 8 - 6

-4 -2

Vout(B), mV

40

40

Is= 3 mA

+ x [mm] 0 2

4

6

8

30

10

- 40

2 mA

20

1 mA

- 80

Фиг. 3. Разпределение на магнитното поле в модулаторната система; а) равнината N1-N2 и активната сензорна повърхност са взаимно перпендикулярни; б)същите равнини са успоредни помежду си

За поставената магнитоградиометрична задача е подходяща първата ориентация на равнината на сензора спрямо удвоения магнитен поток 2Ф, т.е. когато те са взаимно перпендикулярни. В този случай е налице силно изразен линеен градиент в диапазона около + 1.0 ÷ + 4.0 mm и – 1.0 ÷ - 4.0 mm, Фиг. 3(а). Когато двете равнини са успоредни не се използва ефекта на удвоения магнитен поток, Фиг. 3(б). Експериментално постигнатият линеен градиент съставлява около 70 – 80 mT/mm, Фиг. 3(а). ЕКСПЕРИМЕНТАЛНИ РЕЗУЛТАТИ Изходните характеристики на микросензора на Хол в хомогенно магнитно поле В при температура Т = 20 ºС са представени на Фиг. 4. Експериментите са проведени на тъмно при температури 10 ≤ Т ≤ 60 ºС. Напреженията на Хол на двата отделни изхода са равни като относителната магниточувствителност съставлява S ≈ 43 V/AT. Нелинейността в диапазона – 0.3 ≤ B ≤ 0.3 T съставлява около 1%. Двата офсета на изходите са напълно компенсирани чрез вариране на четирите товарни резистора. Това съдейства за достатъчно добро съгласуване на температурния им дрейф. Ефективният обем на микросензора е около 40 х I-264

10 -0.3

-0.2

+B

-0.1

-B

0.1

0.2

0.3

-10 -20 -30 -40

Фиг. 4. Изходни характеристики на симетричния микросензор на Хол при Т = 20° С при параметър захранващия ток

Използвайки израза за изходното напрежение Vout = Sl0Isb(z)/4, при коефициент К = 1 на третия ОУ, общ ток през сензора на Хол Is = 3.10-3 A, база 40.10-3 mm и градиент 70 – 80 mT/mm, се получава стойност Vout ≈ 90 x 10 -6 V. 10 -13 Noise spectral density, V2/Hz

- 120

10 -14

2

10 -15

1

10 -16 10 -17

3

1/f

10 0

10 1

10 2 10 3 Frequency f, Hz

Фиг. 5. Спектрална плътност на собствения шум на микросензора на Хол, определен от двата изхода; IS: 1 – 1 mA, 2 – 2 mA, 3 – 3 mA.

Международна научна конференция “УНИТЕХ’16” – Габрово

Повишавайки захранващия ток IS чувствителността нараства, а от тук и изходния сигнал за градиента. Полезното напрежение Vout може също да се повишава чрез коефициента K на третия ОУ. ЗАКЛЮЧЕНИЕ Иновативната концепция за куплиране на Хол сензорите и превръщането им в магнитоградиометри е твърде обещаваща в научен и технологичен план. Интерфейсът е несложен и гарантира надеждна работа. Освен информация за градиента при драстично нарастнала резолюция, новото свързване на сензорите запазва и основното им предназначение, генерирайки в хомогенно магнитно поле две отделни изходни напрежения на Хол само с четири омични контакта. Важно предимство на разработката е, че тя може да ползва без структурна промяна стандартни симетрични сензори на Хол, каквито доминират на пазара. Изказваме благодарност на проф. О. Паул IMTEK - Фрайбург, Германия за помощта и подкрепата при тези изследвания и на акад. Ч. Руменин за полезните дискусии.

ЛИТЕРАТУРА [1] CMS Collaboration: … C. Roumenin, D. Uzunova, R. Zahariev …, Observation of a new boson at a mass of 125 GeV with the CMS experiment at the LHC, Proc. of the CERN-PHEP – CMS-HIG-12-028/2012-220, 2012/08/01, pp. 1-49.

[2] CMS Collaboration: … C. Roumenin, D. Uzunova, R. Zahariev …, Observation of a new boson at a mass of 125 GeV with the CMS experiment at the LHC, Physics Letters B, 716(1) (2012) 30-61.

[3] CMS Collaboration: … C. Roumenin, D. Uzunova, R. Zahariev …, A new boson with a mass of 125 GeV observed with the CMS experiment at the Large Hadron Collider, SCIENCE, 338 (2012) 1569-1575.

[4] M. Demierre, E. Schurig, C. Schott, P.-A. Besse, R. Popovic, Contactless 360º absolute angular CMOS microsystem based on vertical Hall sensors, Sens. Actuators A 116 (2004) 3944.

[5] C. Roumenin, Microsensors for magneti fields, in “MEMS – a practical guide to design, analysis and applications, ed. J. Korvink, O. Paul, W. Andrew Inc. Publ. USA, 2006, pp.

453-521; Solid state magnetic sensors, Elsevier, 1994, p. 421.

[6] A. Shihina, Ispitanie magnitnih materialov I system, Energoatomizdat, Moskwa, 1984 (in Russian).

[7] D. Tanase, Magnetic-based navigation system for endovascular interventions, Graf. Commum.

Publ., Roterdam, 2003, p. 203.

[8] T. Kaufmann, On the offset and sensitivity of CMOS-based five-contact vertical Hall devices, Der Andere Verlag, “MEMS Technology and Engineering”, v. 21, 2013, p. 147.

[9] S. Lozanova, S. Noykov, A. Ivanov et al., A novel coupling of three-contact parallel-field hall devices for offset compensation, Proc.

Engineer., 87 (2014) 1115-1118.

[10] C. Schott, R. Popovic, Integrated 3-D Hall magnetic field sensor, Proc. of Transducers ’99, Sendai, Japan, v. 1, 1999, pp. 168-171.

[11] C. Roumenin, New magnetomodulating systems for contactless measurement of linear displacements, Compt. rendus ABS, 41(4) (1988) 25-28.

Международна научна конференция “УНИТЕХ’16” – Габрово

I-265