În capitolul anterior am examinat fizica unui traductor cu efect-Hall și am relatat performanța acestuia la caracteristicile fizice și proprietățile materialelor. Deși acest nivel de detaliu este esențial pentru cineva care proiectează un traductor cu efect-Hall, nu este necesar ca cineva să încerce să proiecteze un dispozitiv deja existent și caracterizat în mod corespunzător.

2.1 Caracteristicile cheie ale traductorului

Care sunt caracteristicile cheie ale unui traductor cu efect-Hall care ar trebui să fie considerate de un proiectant de senzori? Pentru marea majoritate a aplicațiilor, următoarele caracteristici descriu un comportament al traductorului cu efect-Hall într-o măsură care să permită proiectarea acestuia într-un sistem mai mare.

• Sensibilitate

• Coeficient de temperatură (tempco) al sensibilității

• Offset ohmic

• Coeficient de temperatură al offset-ului ohmic

• Liniaritate

• Rezistența la intrare și ieșire

• Coeficientul de temperatură al rezistenței

• Zgomotul electric de ieșire

Sensibilitate

Sensibilitatea sau câștigul transductorului a fost punctul central al unei părți din ultimul capitol, în care am analizat fizica dispozitivului. Din punctul de vedere al proiectantului, mai sensibil este de obicei un lucru bun, deoarece crește cantitatea de semnal disponibil pentru a lucra cu el. Un senzor care furnizează mai mult semnal de ieșire necesită adesea electronică de suport simplă și mai puțin costisitoare decât unul cu un semnal de ieșire mai mic.

Deoarece sensibilitatea unui traductor cu efect-Hall este dependentă de cantitatea de curent utilizată pentru polarizare, sensibilitatea unui dispozitiv trebuie să fie descrisă într-un mod care ia în considerare acest lucru. Sensibilitatea poate fi caracterizată în două moduri:

1. Volți pe unitate de câmp, per unitate de curent de polarizare (V/B x I)

2. Volți pe unitate de câmp, pe unitate de tensiune de polarizare (1/B)

Deoarece un traductor cu efect-Hall este aproape întotdeauna polarizat cu un curent constant, prima metodă de caracterizare oferă cele mai detaliate informații. Caracterizarea prin tensiune de polarizare este, de asemenea, utilă prin faptul că vă spune rapid sensibilitatea maximă care poate fi obținută de la acel traductor atunci când este utilizat într-un circuit de polarizare care funcționează dintr-o anumită tensiune de alimentare.

Coeficientul de temperatură al sensibilității

Deși un traductor cu efect-Hall are o sensibilitate destul de constantă când este acționat de la o sursă de curent constant, sensibilitatea variază ușor cu temperatura. Deși aceste variații sunt acceptabile pentru unele aplicații, ele trebuie să fie contabilizate și corectate atunci când este necesar un grad ridicat de stabilitate a măsurătorilor. Figura 2-1 prezintă variația sensibilității pentru un traductor cu efect-Hall, indiu-arsenid, de calitate-instrumentație, FW. Bell BH-200 când a fost polarizat cu un curent constant. Coeficientul de temperatură mediu al sensibilității al acestui dispozitiv este de aproximativ -0.08%/⁰C.

Figura 2-1: Sensibilitatea față de temperatură pentru traductorul Hall din seria-BH
sub polarizare cu curent constant (după [Bell]).

Când se utilizează un traductor cu efect-Hall de la o sursă de polarizare cu tensiune-constantă, se vor obține variații de sensibilitate cu temperatura considerabil mai mari decât cele obținute atunci când se utilizează dispozitivul cu o sursă de polarizare de curent-constant. Din acest motiv, polarizarea cu curent constant este folosită în mod normal atunci când se are în vedere stabilitatea temperaturii sistemului de senzori. Pentru dispozitivul BH-200 descris mai sus, polarizarea cu tensiune-constantă ar rezulta într-un coeficient de temperatură al sensibilității de aproximativ -0,2%/⁰C.

Offsetul Ohmic

Pentru că trăim într-o lume imperfectă, nu ne putem aștepta la perfecțiunea traductoarelor noastre. Atunci când traductorul cu efect-Hall este polarizat, la ieșire va apărea o mică tensiune chiar și în absența unui câmp magnetic. Această tensiune de offset este nedorită, deoarece limitează abilitatea traductorului de a discrimina mici câmpuri magnetice la starea de echilibru. Un număr de efecte conspiră pentru a crea această tensiune de offset. Prima este eroarea de aliniere a contactelor de detecție, în cazul în care unul este în continuare "în amonte" sau "în aval" în curentul de polarizare decât celălalt, omogenitățile din materialul traductorului pot fi o altă sursă. Aceste efecte sunt ilustrate în Figura 2-2. În cele din urmă, materialele semiconductoare folosite pentru a produce traductoare cu efect-Hall sunt înalt piezorezistive, ceea ce înseamnă că rezistența electrică a materialului se schimbă ca răspuns la distorsiune mecanică. Acest lucru face ca majoritatea traductoarelor cu efect-Hall să se comporte ca mărci tensometrice, ca răspuns la solicitările mecanice impuse lor prin ambalare și montare.

Figura 2-2: Offsetul ohmic rezultă din nealinierea contactelor de detecție și
neomogenitățile din material.

Deși offsetul este de obicei exprimat în termeni de tensiune de ieșire pentru un anumit set de condiții de polarizare, trebuie luat în considerare și în termeni de unități de câmp magnetic. De exemplu, compară un traductor cu 500 μV de offset și o sensibilitate de 100 μV/gauss cu un al doilea traductor cu 200 μV offset dar numai 10 μV/gauss de sensibilitate. Primul traductor are un offset de 5-gauss în timp ce ultimul are un offset de 20 gauss, în plus are o sensibilitate mult mai mică. Pentru aplicații în care există niveluri scăzute de câmp magnetic de măsurat, primul senzor ar tinde să fie mai ușor de utilizat, atât pentru că oferă o sensibilitate mai mare, cât și pentru că oferă o eroare de offset mai mică atunci când este luată în considerare cantitatea măsurată, și anume câmpul magnetic.

Coeficientul de temperatură al offsetului ohmic

Ca și sensibilitatea, offsetul unui traductor se va deplasa cu temperatura. Spre deosebire de sensibilitate, totuși, deviația offsetului va tinde să fie aleatoare, variind de la un dispozitiv la altul și nu este în general previzibilă. Unele deviații de offset rezultă din efectele piezorezistive ale traductorului. Pe măsură ce variază temperatura, dilatarea inegală a materialelor utilizate pentru fabricarea unui traductor va induce solicitări mecanice în dispozitiv. Aceste tensiuni mecanice sunt detectate de traductorul cu efect-Hall. În general, dispozitivele cu offset inițial mai mare tind, de asemenea, să aibă nivele mai ridicate de deviații offset. Deși există tehnici de minimizare a offsetului și a drift-ului său, aplicațiile de precizie necesită adesea ca fiecare traductor să fie individual caracterizat printr-un set de condiții de mediu și o schemă de compensare pentru acest traductor special.

Liniaritatea

Deoarece traductoarele cu efect-Hall sunt dispozitive fundamental pasive, la fel ca mărcile tensometrice, tensiunea de ieșire nu poate depăși tensiunea de intrare. Aceasta are ca rezultat un roll-off (gradient) al sensibilității, deoarece tensiunea de ieșire se apropie chiar la o mică parte din tensiunea de polarizare. În cazurile în care tensiunea Hall este mică în comparație cu tensiunea de polarizare a traductorului, senzorii Hall tind să fie foarte liniari, cu erori de liniaritate mai mici de 1% față de gama semnificativă de operare. Când se construiesc senzori de instrumentație, care se așteaptă să măsoare câmpuri foarte mari, cum ar fi 10 000 sau chiar 100 000 gauss, este de dorit să utilizați dispozitive cu sensibilitate scăzută, care nu se saturează cu ușurință.

Rezistențe de intrare și ieșire

Acești parametri sunt de interes special pentru proiectantul de circuit, deoarece ele influențează schema circuitelor de polarizare și amplificatorul interfață folosit pentru recuperarea semnalului de la traductor. Rezistența de intrare afectează schema circuitelor de polarizare, în timp ce rezistența de ieșire afectează schema amplificatorului utilizat pentru detectarea tensiunii Hall. Deși este posibil să se proiecteze un amplificator front-end cu o cunoaștere limitată a rezistenței sursei de semnal care îl va alimenta, acesta poate fi departe de a fi optim, atât din punctul de vedere al performanței, cât și al costurilor, comparativ cu un amplificator proiectat în lumina acestei informații.

Pentru aplicațiile cu zgomot redus, rezistența de ieșire este de interes deosebit, deoarece o sursă de zgomot, care urmează să fie discutată mai târziu, depinde de rezistența de ieșire a dispozitivului. Un model electric simplu care descrie un traductor cu efect-Hall din punct de vedere circuit-interfață este prezentat mai târziu în Capitolul 3.

Coeficient de temperatură al rezistenței

Coeficientul de temperatură al rezistențelor de intrare și de ieșire va fi fie identic, fie se va potrivi foarte strâns. Cunoașterea variației de temperatură a rezistenței de intrare este utilă atunci când se proiectează sursa de curent utilizată pentru a polariza traductorul. Pentru traductoarele polarizate cu o sursă de curent constant, tensiunea de polarizare va fi proporțională cu rezistența traductorului. Un circuit de polarizare conceput pentru a acționa un traductor, cu o anumită rezistență la temperatura camerei, poate să nu reușească să facă acest lucru la extreme fierbinți sau reci, dacă variațiile în rezistența traductorului nu sunt anticipate. Pentru traductoarele practice, coeficientul de temperatură al rezistenței poate fi destul de mare, deseori de 0,3%/⁰C. Pe gama de temperatură auto (-50⁰C până la +125⁰C) aceasta înseamnă că rezistențele de intrare și ieșire pot varia până la 30% din valorile temperaturii camerei.

Zgomot

În plus față de furnizarea unei tensiuni de semnal, traductoarele cu efect-Hall prezintă și zgomot electric la ieșirile lor. Pentru moment, vom limita discuția noastră la sursele de zgomot generate de traductorul în sine, și nu pe cele din lumea exterioară sau dezvoltate în electronica amplificatoarelor.

Cele mai fundamentale și inevitabile surse de zgomot electric se numesc zgomot Johnson și sunt rezultatul mișcării induse termic a electronilor (sau alți purtători de sarcină) într-un material conductiv. Este numai funcție de rezistența dispozitivului și de temperatura de funcționare. Zgomotul Johnson este generat de orice rezistență (inclusiv cea găsită într-un traductor Hall) și este descris de:

unde
k = constanta lui Boltzmann (1,38 x 10^-23 K^-1)
T = temperatura absolută în ⁰K
R = rezistența în ohmi
B = lățimea de bandă în herți

Lățimea de bandă pe care este examinat semnalul este un factor important în cât de mult zgomot se vede. Cu cât este mai mare intervalul de frecvență pe care este examinat semnalul, cu atât va fi văzut mai mult zgomot.

Dezavantajul zgomotului Johnson este acela că definește limita inferioară a semnalului care poate fi recuperat de la traductor. Cele două aspecte pozitive sunt că poate fi redus la minimum prin alegerea impedanței traductorului și că nu are, de obicei, o magnitudine enormă. Un rezistor de 1KΩ, de exemplu, la temperatura camerei (300⁰K) va genera aproximativ 400 nanovolts RMS (rădăcină medie pătratică) de zgomot Johnson măsurat pe o lățime de bandă de 10 KHz.

Zgomotul Flicker, cunoscut și ca zgomot 1/f, este adesea o problemă mai importantă decât zgomotul Johnson. Acest tip de zgomot se găsește în multe sisteme fizice și poate fi generat de multe tipuri diferite de mecanisme independente. Factorul comun, totuși, este spectrul rezultat. Cantitatea de zgomot pe unitate de lățime de bandă este, la o primă aproximare, invers proporțională cu frecvența; acesta este motivul pentru care se mai numește zgomot 1/f. Deoarece multe aplicații ale senzorilor detectează semnale DC sau de joasă frecvență lângă DC, acest tip de zgomot poate fi deosebit de supărător. Spre deosebire de zgomotul Johnson, care este intrinsec oricărei rezistențe, indiferent de modul în care a fost construită, zgomotul flicker dezvoltat de un traductor este legat de materialele specifice și tehnicile de fabricare utilizate. Prin urmare, este posibil să se minimizeze prin materiale și procese îmbunătățite.

Următoarele secțiuni descriu construcția și caracteristicile mai multor tipuri de traductoare cu efect Hall care sunt în prezent în uz comun.

2.2 Traductoare bulk

Un traductor tip-bulk este în esență o placă de material semiconductor cu conexiuni pentru a furniza polarizare și cabluri de detecție la dispozitiv. Traductorul este tăiat și adus la dimensiunea și forma dorită, iar firele sunt atașate prin lipire sau sudare. Un avantaj al dispozitivelor tip bulk este acela că aveți o mare opțiune în selectarea materialelor.

Un alt avantaj este că dimensiunile mari ale traductoarelor bulk au ca rezultat un nivel mai scăzut al impedanței și, prin urmare, un nivel de zgomot mai mic decât cel oferit de multe alte procese.

Unele caracteristici cheie ale unui traductor indiu-arsenid bulk (F.W. Bell BH-200) sunt prezentate în Tabelul 2-1.

Tabelul 2-1. Caracteristicile cheie ale traductorului Hall BH-200

Nota 1: Acești parametri sunt estimați din datele producătorului

2.3 Traductoare cu peliculă subțire

Un traductor cu peliculă subțire este construit prin depunerea straturilor subțiri de materiale metal și semiconductor pe o structură suport izolantă, de obicei alumină (Al2O3) sau alte materiale ceramice. Fig. 2-3 oferă o vizualizare structural idealizată a unui "tipic" traductor cu efect-Hall cu peliculă subțire. Grosimea peliculelor utilizate pentru fabricarea acestor dispozitive poate fi de ordinul 1 μm sau mai mică.

Figura 2-3: Vederi schematice de sus (a) și secțiune transversală (b)
a traductorului cu efect-Hall cu peliculă subțire.

Principalele avantaje ale construcției cu peliculă subțire sunt:

• Flexibilitatea în alegerea materialului

• Dimensiuni mici ale traductoarelor realizabile

• Traductoarele cu efect-Hall subțiri furnizează mai mult semnal pentru curent de polarizare mai mic

• Prelucrarea fotolitografică permite producția în masă

Fiecare strat este adăugat la dispozitivul cu peliculă subțire printr-un proces care constă în acoperirea dispozitivului cu pelicula și înlăturarea selectivă a secțiunilor care nu sunt dorite, lăsând modelele dorite. Detaliile operațiilor de procesare pentru fiecare strat variază în funcție de caracteristicile materialelor utilizate.

Depunerea peliculei este realizată în mod obișnuit printr-o serie de mijloace, cele mai obișnuite fiind evaporarea și pulverizarea. La evaporare, substratul care trebuie acoperit și o probă din materialul de acoperire sunt ambele plasate într-o cameră cu vid, așa cum se arată în figura 2-4. Proba este apoi încălzită până la punctul în care începe să se evapore în vid. Vaporii se condensează apoi pe orice obiect rece din cameră, cum ar fi substratul care urmează să fie acoperit. Deoarece vaporii fierbinți vor reacționa chimic în multe cazuri cu toate moleculele de gaze rătăcite, este necesar un vid în mod substanțial bun pentru a pune în aplicare această tehnică. Pentru acest tip de proces este necesar, în mod obișnuit, vid de 10^-6 până la 10^-7 torr (760 torr = 1 atmosferă). Grosimea peliculei depuse este controlată de timpul de expunere.

Figura 2-4: Desen schematic al procesului de film subțire evaporat.

Pulverizarea este o altă metodă pentru acoperirea substraturilor cu pelicule subțiri. La pulverizare, materialul de acoperire a probei nu este încălzit direct. În schimb, un gaz inert, cum ar fi argonul, este ionizat într-o plasmă de către o sursă electrică. Viteza ionilor din plasmă este suficientă pentru a scoate atomii din proba de acoperire (țintă), în acest moment se pot depune pe substratul care urmează să fie acoperit. Ca și în cazul unui sistem de acoperire prin evaporare, grosimea peliculei este controlată de timpul de expunere. Figura 2-5 prezintă o vedere schematică a unui sistem de pulverizare.

Figura 2-5: Metoda de pulverizare a depunerilor de peliculă subțire.

Principalul avantaj oferit de pulverizare față de evaporare este faptul că, deoarece materialul de acoperire nu trebuie încălzit până aproape de punctul de evaporare, este posibil să se facă pelicule subțiri cu o varietate mult mai largă de materiale decât este posibil prin evaporare.

Odată ce un material a fost așezat într-o peliculă subțire, acesta este apoi acoperit cu un material photoresist, expus la o placă fotografică care poartă modelul dorit, iar photoresist este apoi developat, lăsând zonele substratului expuse în mod selectiv. Substratul este apoi gravat, adesea prin imersare într-un solvent lichid adecvat sau acid. În mod alternativ, substratul poate fi gravat cu plasmă printr-un procedeu legat de pulverizare. În ambele cazuri, după terminarea etapei de gravare, reziduul photoresist rămas este îndepărtat și substratul este pregătit să primească următorul strat de peliculă sau pregătit pentru prelucrare finală. Secvența de operații necesare procesării unui strat de peliculă subțire este rezumată în Figura 2-6.

Figura 2-6: Secvența de procesare a filmului subțire.

HS-100 este un exemplu de traductor Hall cu peliculă subțire, fabricat de FW Bell. Acest dispozitiv este realizat cu două straturi de peliculă subțire, un strat metalic pentru a asigura contacte cu elementul cu efect-Hall și o peliculă subțire de indiu-arsenid care formează traductorul cu efect-Hall. În plus, zonele de lipit sunt depuse pe cupru pentru a oferi puncte de conectare la lumea exterioară. Firele pot fi lipite la aceste elemente, sau dispozitivul poate fi plasat cu fața în jos pe o placă de circuite imprimate sau pe un circuit hibrid ceramic, iar pasta de lipit este sudată în poziție.

Specificațiile cheie pentru traductorul HS-100 sunt prezentate în Tabelul 2-2. Imbunătățirile majore asupra dispozitivelor bulk sunt în zona sensibilității și curentului de alimentare; dispozitivul cu peliculă subțire este aproape la fel de sensibil ca dispozitivul bulk descris anterior (BH-200) și obține acest nivel de sensibilitate cu un ordin de mărime mai mic de curent de alimentare necesar. Dispozitivul bulk BH-200, totuși, este superior în zonele erorii de offset și driftului cu temperatura. Principalul avantaj al dispozitivului cu peliculă subțire este costul potențial mai mic. Tehnicile de prelucrare a peliculelor subțiri permit unui număr mare de dispozitive să fie fabricate simultan și separate în unități individuale la sfârșitul procesării.

Tabelul 2-2: Caracteristicile cheie ale traductorului Hall HS-100

2.4 Traductoare Hall integrate

Realizarea unui traductor cu efect-Hall din siliciu, folosind tehnici standard de procesare a circuitelor integrate, permite construirea unor sisteme complete de senzori pe un cip. Circuitul de polarizare a traductorului, amplificatorul interfață, și în multe cazuri, procesarea semnalului specific-aplicației pot fi combinate într-o singură unitate de cost redus. Adăugarea de electronică la traductorul gol permite producătorilor de senzori să furnizeze un nivel foarte ridicat de funcționalitate și valoare utilizatorilor finali, pentru un preț modest. Prin fabricarea simultană a mii de dispozitive identice pe o singură plăcuță, este posibil să se producă din punct de vedere economic un număr mare de senzori de înaltă calitate. Figura 2-7 prezintă un exemplu de câteva sute de senzori cu efect-Hall pe o placă de siliciu, înainte de a fi separate și ambalate individual.

Figura 2-7: IC-uri senzor cu efect-Hall pe o placă de siliciu. (Melexis USA.)

Deși există multe straturi și structuri disponibile în procese cu circuite integrate moderne care pot fi exploatate pentru fabricarea traductoarelor cu efect Hall, vom ilustra elementele de bază luând în considerare un caz particular. Datorită complexității proceselor de fabricare a circuitelor integrate, nu vom încerca nici măcar să le descriem aici. Cititorii interesați vor găsi descrieri bune ale modului în care sunt realizate circuitele integrate de siliciu în [GRAY84]. Pentru acest exemplu, vom lua în considerare ceea ce este cunoscut ca un traductor cu efect-Hall epitaxial. Vom începe prin a lua în considerare structura unui dispozitiv asociat, rezistorul epitaxial.

Figura 2-8 prezintă vederi de sus și laterale ale unui rezistor epitaxial realizat cu un proces bipolar tipic. Dispozitivul este denumit astfel deoarece este construit în strat de siliciu epitaxial de tip-N. Placa brută este, de obicei, un material de tip-P, iar stratul epitaxial este depus pe suprafața plăcii printr-un proces de depunere chimică de vapori (CVD) și poate fi dopat independent de placa brută. Pereții de izolare de tip-P sunt apoi implantați sau difuzați în suprafața superioară a stratului epitaxial pentru a forma insule izolate de material de tip-N. Menținerea fiecărei insule la o tensiune pozitivă în raport cu substratul de tip-P face ca joncțiunile P-N să fie polarizate invers, deci izolate electric una de cealaltă. Prin asigurarea izolării joncțiunii se pot construi componente independente ale circuitului, cum ar fi rezistoare, tranzistoare și traductoare cu efect-Hall, într-o singură piesă monolit de siliciu, folosind insulele ca puncte de plecare. Adâncimea totală a straturilor epitaxiale poate varia de la 2-30 μm pentru procesele IC disponibile în mod obișnuit.

Figura 2-8: Structura rezistorului epitaxial care prezintă diferite straturi.

În cazul unui rezistor epitaxial, insula definește corpul componentei. Materialul de tip-N utilizat are o rezistență de aproximativ 2-5 kΩ măsurată pe marginile opuse ale unei secțiuni pătrate. Aceasta permite construirea cu ușurință a rezistoarelor cu valori de până la aproximativ 100 kΩ, prin construirea unor structuri rezistive lungi și înguste. Întreg IC-ul este apoi acoperit cu un strat izolator de SiO2 (sticlă de siliciu) și apoi sunt gravate găuri, numite ferestre de contact, prin acest strat de sticlă la puncte specifice, pentru a permite contactul electric cu siliciu de dedesubt. În cele din urmă, un strat de aluminiu este modelat pe partea de sus a SiO2 pentru a forma "cablaj" pentru IC, cu metal care se extinde în jos prin ferestrele de contact pentru conectarea la siliciu. Pentru a obține un bun contact electric cu aluminiu, o mufă de material de tip-N de concentrație ridicată este condusă în rezistorul epitaxial chiar sub zonele de contact înainte ca SiO2 să crească peste dispozitiv.

Rezistoarele "Epi", așa cum sunt ele numite în mod obișnuit, sunt ușor de realizat într-un proces bipolar, deoarece nu necesită pași de proces suplimentari celor pentru a face tranzistoare NPN. Caracteristicile lor de performanță, totuși, sunt destul de îngrozitoare, în comparație cu rezistențele discrete pe care le folosesc în mod obișnuit cei mai mulți proiectanți electroniști. Toleranța lor absolută este de ordinul a ±30%, și au coeficienți de temperatură de până la 0,3%/^oC. În plus, grosimea efectivă a joncțiunii P-N polarizate invers, care izolează un rezistor epi de substrat variază cu tensiunea aplicată. Aceasta are ca efect de a face valoarea rezistorului dependentă de tensiunea aplicată la terminalele sale.

În ciuda dezavantajelor utilizării stratului epitaxial la realizarea rezistoarelor, este destul de utilă pentru realizarea traductoarelor cu efect-Hall. Deoarece stratul epitaxial este relativ subțire (5 μm este subțire dintr-o perspectivă macroscopică) și, de obicei, obținut din siliciu dopat ușor (N = 10¹⁵/cm³), este posibil să se facă traductoare cu efect-Hall rezonabil de sensibile, care au cerințe modeste de putere.

Deoarece producătorii de IC văd detaliile exacte ale proceselor lor ca secrete comerciale și, deci, nu sunt înclinați să le difuzeze în lume, vom prezenta un exemplu de dispozitiv Hall construit cu un proces "generic" bipolar. Aceasta va oferi o idee generală despre performanța pe care o puteți aștepta de la un astfel de dispozitiv. Figura 2-9 prezintă detaliile acestui dispozitiv.

Figura 2-9: Forma traductorului epitaxial integrat cu efect-Hall.

Rețineți că conexiunile terminalelor de detecție sunt realizate prin scoaterea "urechilor" materialului epitaxial din corpul dispozitivului și realizarea contactului metalic în aceste puncte, în loc să se pună pur și simplu contactele senzorilor direct pe traductor. Există două motive pentru a face acest lucru: primul este de a maximiza sensibilitatea prin asigurarea că tot curentul de polarizare circulă între terminalele de detecție, iar al doilea este de a minimiza offset-urile ohmice. Deoarece "urechile" sunt fabricate în același pas cu procesul ca și restul traductorului, un nivel ridicat de aliniere este menținut natural. Metalizarea și ferestrele de contact, pe de altă parte, sunt fabricate în etape separate de fabricație, sporind astfel posibilitățile de nealiniere a contactelor.

Pentru acest traductor, parametrii fizici critici sunt:

• Lungimea = 200 μm

• Lățime = 100 μm

• Grosimea (stratului epi) = 10 μm

• Concentrația purtătorului = 3 x 10¹⁵/cm³ (3 x 10²¹/m³)

• Rezistivitatea bulk σ = 2 Ω-cm (0,02 Ω-m)

Sensibilitatea pe unitate de curent și câmp poate fi calculată utilizând ecuația 1-10, rezultând:

pentru 1 tesla la 1 amper de polarizare sau 20,8 mV/G-A în unități cgs. Acesta este un nivel uimitor de ridicat al sensibilității. Acest senzor, totuși, nu va funcționa niciodată la un amper; 1 miliamper este un curent de polarizare mai realist. Chiar și la 1 miliamper, acest traductor va oferi totuși 20 μV/gauss.

Următoarea întrebare majoră este cea a rezistenței de intrare și ieșire. Deoarece curentul de polarizare curge într-o manieră substanțial uniformă între contactele de polarizare, deoarece contactele se extind peste lățimea traductorului, putem face o estimare destul de bună a rezistenței de intrare prin:

Prin urmare, necesită 4V pentru a polariza traductorul cu 1 mA.

Din cauza factorilor geometrici, rezistența de ieșire nu poate fi atât de ușor de calculat ca rezistența de intrare. Dacă s-ar aplica o tensiune între bornele de ieșire, liniile fluxului de curent nu ar fi paralele și uniforme (și, prin urmare, justificabilă o analiză grosieră). În scopul proiectării unui amplificator interfață compatibil și a calculelor de zgomot, se poate presupune că rezistența de ieșire se situează într-un factor de doi sau trei din cea a intrării.

Deoarece estimarea sensibilităților la temperatură și a offset-ului ohmic este foarte dificilă (dacă nu chiar imposibilă) chiar și atunci când lucrăm cu un proces complet caracterizat, trebuie să le ignorăm. Este suficient să spunem, totuși, că traductoarele integrate cu efect-Hall pot fi realizate cu performanțe substanțial bune în aceste zone. Din motive de comparație cu exemplele anterioare, Tabelul 2-3 prezintă câteva dintre caracteristicile prezise și "estimative" ale traductorului nostru ipotetic integrat.

Tabelul 2-3: Caracteristicile cheie ale traductorului integrat cu efect-Hall, din siliciu, ipotetic.

Este, de asemenea, posibil să se construiască traductoare integrate cu efect-Hall din galiu-arsenid, germaniu și alte materiale semiconductoare pentru o performanță chiar mai bună. Procesele integrate bazate pe aceste alte materiale, totuși, nu oferă bogăția de tipuri de dispozitive electronice care pot fi co-fabricate pe procese cu siliciu.

Procesele cu siliciu au un alt avantaj: disponibilitatea. Traductoare de înaltă calitate cu efect-Hall pot fi fabricate cu multe procese de circuite integrate bipolare și CMOS, cu modificări puține sau deloc. O serie de companii de semiconductori produc în prezent o gamă largă de circuite integrate cu efect-Hall.

Fig. 2-10 prezintă un exemplu de IC cu efect-Hall din siliciu, care conține un traductor cu efect-Hall și un număr de alte componente, cum ar fi tranzistoare și rezistoare. Traductorul cu efect-Hall este obiectul în formă de pătrat din centru. Dimensiunea acestui IC este de aproximativ 1,5 mm x 2 mm.

Figura 2-10: IC Senzor siliciu cu efect-Hall cu electronică suport.

2.5 Geometria traductorului

În acest moment, am ignorat în mare măsură rolul geometriei în construirea unui traductor cu efect-Hall. Geometria specifică utilizată de fabricarea dispozitivului, totuși, poate avea un impact mare asupra performanței sale și asupra adecvării acesteia ca componentă.

Principalii factori care pot fi optimizați prin geometria traductorului sunt sensibilitatea, offsetul și consumul de energie. Să examinăm forma plăcii dreptunghiulare ca punct de plecare pentru îmbunătățiri.

În forma traductorului rectangular (fig. 2-11a), o foaie de curent uniform este constituită de electrozii de polarizare de pe lățimea dispozitivului. Deoarece sensibilitatea este proporțională cu curentul total care trece între electrozii de detecție, la prima vedere ar părea că, fie făcând senzorul mai larg sau mai scurt, mai mult curent de polarizare ar putea fi condus prin dispozitiv pentru o anumită tensiune de polarizare. În aceste cazuri, curge mai mult curent de polarizare, dar electrozii de polarizare lați formează o cale de rezistență redusă pentru scurtcircuitarea tensiunii-Hall. Din motive similare, înlănțuirea traductoarelor Hall multiple, astfel încât terminalele de polarizare să fie conectate în paralel și terminalele de ieșire sunt în serie, nu măresc semnificativ sensibilitatea la ieșire. Pentru un traductor dreptunghiular, sensibilitatea maximă pentru o anumită cantitate de disipare a puterii este atinsă atunci când raportul dintre lungime și lățime este de aproximativ 1,35 [Baltes94].

O metodă de evitare a scurtcircuitării la capătul terminal este utilizarea unui model încrucișat (fig. 2-11 b). Deoarece rezistența de intrare crește rapid cu prelungirea crucii, această geometrie nu este una deosebit de bună de utilizat atunci când se încearcă optimizarea sensibilității.

O altă metodă de reducere a scurtcircuitării la capătul terminal este prin utilizarea unui traductor în formă de diamant (fig. 2-11c). În acest dispozitiv, toate terminalele sunt în esență puncte, iar curentul se împrăștie prin dispozitiv în mod neuniform. Deși forma diamant nu este optimă din punct de vedere al sensibilității, aceasta oferă alte avantaje; unul dintre avantajele majore este că terminalele de detecție ies la marginile polarizării cu curent ale traductorului. În acest sens, forma de diamant funcționează bine; deoarece debitul de curent la colțurile de detecție ale diamantului este scăzut, gradientul de tensiune în colțuri va fi, de asemenea, scăzut. Acest lucru tinde să reducă offsetul ohmic din efectele de nealiniere a contactelor.

Figura 2-11: Forme comune ale traductorului Hall: dreptunghi (a), cruce (b), diamant (c),

2.6 Celula Quad

În traductoarele integrate cu efect-Hall, unde caracteristicile pot fi definite cu rezoluții foarte mici (submicron), defectele geometrice pot fi o sursă minoră de tensiune offset la ieșire. Trei surse suplimentare și semnificative de offset sunt:

• Variația procesului pe dispozitiv

• Gradienți de temperatură în timpul funcționării dispozitivului

• Solicitarea mecanică impusă de ambalare.

Variațiile de proces, cum ar fi cantitatea și adâncimea dopajului, pot varia ușor pe suprafeței unei plăci, ceea ce duce la foarte mici neuniformități între dispozitivele individuale. În cazul anumitor componente, cum ar fi rezistoare, acest efect este foarte ușor văzut ca un grad de nepotrivire între două dispozitive apropiate și identice. Într-un dispozitiv, cum ar fi un traductor cu efect-Hall, acest efect se manifestă ca erori de tensiune de offset. Dacă traductorul este considerat ca o punte rezistivă echilibrată, după cum se arată în Figura 2-12, inconsecvențele apar ca ΔR în unul sau mai multe brațe.

Figura 2-12: Erorile de offset ale traductorului modelate ca punte rezistivă dezechilibrată.

Când un circuit integrat funcționează, puterea disipată în dispozitiv determină încălzirea matriței de siliciu. Deoarece majoritatea circuitelor disipă mai multă putere în unele părți decât în ​​altele, încălzirea nu este uniformă. Diferențele de temperatură rezultate pot determina comportament diferit al dispozitivelor identice, în funcție de locul în care se află și de temperatura reală de funcționare. În unele cazuri, pe lângă faptul că sunt sensibile la temperatura absolută, un dispozitiv poate prezenta un comportament diferit ca răspuns la gradientul de temperatură care apare pe el. Deși poate fi dificil să se creadă că gradientul de temperatură pe o structură microscopică poate fi semnificativ, considerați că o pereche potrivită de dispozitive cu coeficienți de temperatură ai rezistenței de ordinul de 0,3%/^oC trebuie doar să difere în funcție de temperatură cu aproximativ 1/3^oC pentru a crea o nepotrivire de 1%.

În cele din urmă, siliciul este un material foarte piezorezistiv, ceea ce înseamnă că rezistența lui se schimbă atunci când îl deformați mecanic. În timp ce acest efect este util atunci când se realizează mărci tensometrice, este o problemă atunci când se fac senzori magnetici. Solicitările mecanice ale unei IC provin dintr-o serie de surse, dar rezultă în primul rând din ambalaj. Matrița de siliciu, suportul metalic de conexiune, și carcasa din material plastic au toate coeficienți termici de dilatare ușor diferiți. Deoarece temperatura IC ambalat este variată, poate duce la aplicarea unor presiuni enorme de compresiune și de forfecare pe suprafața chipului IC. În cazuri extreme, acest lucru poate duce de fapt la deteriorarea chip-ului IC, chiar și la fractură. În plus, procedeele utilizate pentru turnarea carcaselor de "plastic" în jurul IC-urilor tind să lase tensiuni reziduale considerabile în carcasă după ce materialul de topire se răcește și se fixează.

Tehnica "Quadding" [Bate79] oferă imunitate substanțială pentru efecte offset din cele trei surse de offset de mai sus. În timp ce aceste efecte se comportă într-un mod foarte complicat, dacă se presupune că se comportă fie uniform, fie liniar în regiuni foarte mici ale unui IC, cum ar fi traductorul, se pot folosi offset-urile induse într-un singur dispozitiv pentru a anula cele induse într-un dispozitiv adiacent.

Figura 2-13: Forma traductorului" "Quad" determină offseturile identice să se anuleze reciproc.

Figura 2-13 prezintă un traductor cu efect-Hall utilizând o dispunere în patru puncte. Dacă se presupune că efectul care provoacă offsetul va crea offset în mod egal în cele patru traductoare separate, atunci ΔR va apărea în același braț fizic al fiecărui dispozitiv și va duce la un ΔV în plus față de tensiunea Hall de la acel dispozitiv. Tensiunile individuale văzute la ieșirile dispozitivelor individuale vor fi:

Traductoarele sunt apoi cablate astfel încât semnalele acestora să fie mediate. Acest lucru are ca rezultat un semnal de ieșire de doar VH, fără o eroare de offset, cel puțin în teorie. În practică, veți obține însă o tensiune de offset cu un traductor quad, dar va fi un ordin de mărime mai mic decât cel obținut de la un singur dispozitiv. Figura 2-14 arată modul în care dispozitivele pot fi cablate în paralel. Scheme similare de conexiuni au fost adesea folosite deoarece firele nu se încrucișează, ceea ce înseamnă că traductorul poate fi ușor implementat în procesele IC care oferă doar un singur strat de metal pentru interconectarea componentelor.

Figura 2-14: Structura cablajului paralel pentru traductorul Hall quad.

2.7 Variații ale traductorului de bază cu efect-Hall

Deși cele mai multe dispozitive comerciale cu efect-Hall utilizează tipurile de traductoare descrise anterior în acest capitol, s-au dezvoltat mai multe variante ale tehnologiei de bază care oferă performanțe și capabilități suplimentare. Cele mai importante dintre aceste tehnologii sunt traductorul vertical Hall și încorporarea concentratoarelor integrate de flux.

Una dintre limitările fundamentale ale traductoarelor tradiționale cu efect-Hall este că ele oferă sensibilitate într-o singură axă - una perpendiculară pe suprafața IC pe care sunt fabricate. Aceasta înseamnă că, pentru a identifica componentele câmpului în mai multe axe, trebuie să utilizați mai multe IC senzor, iar acele circuite IC trebuie să fie montate și aliniate separat. De exemplu, pentru a realiza un senzor magnetic cu trei axe, cu traductoare tradiționale cu efect-Hall, trebuie să fie utilizate trei dispozitive separate, iar proiectantul trebuie să încerce să le alinieze de-a lungul axei de detectare dorite, încercând să mențină proximitatea fizică apropiată. În timp ce acest lucru nu este imposibil, poate fi dificil și scump pentru implementarea unui astfel de senzor, mai ales dacă traductoarele trebuie să fie apropiate fizic.

Traductorul vertical cu efect-Hall [Baltes94] este un mijloc de a furniza capacitatea de detectare pe multe axe pe o singură matriță de siliciu. Figura 2-15 prezintă structura de bază a acestui dispozitiv.

Figura 2-15: Traductor cu efect-Hall vertical (după Baltes et al.).

În traductorul vertical cu efect-Hall, curentul de polarizare este injectat într-o insulă-N de la un terminal central 3 și este colectat simetric de terminalele de masă 1 și 5. Calea de curent coboară din terminalul central și arcuiește peste IC și înapoi la terminalele de masă. În absența unui câmp magnetic aplicat, această distribuție de curent are ca rezultat potențiale egale la terminalele de detectare 2 și 4.

Când un câmp magnetic este aplicat pe fața cipului, perpendicular pe căile de curent, forțele Lorentz provoacă o ușoară deviere a căilor de curent, așa cum o fac într-un traductor tradițional cu efect-Hall. Aceasta, la rândul său, determină o diferență de tensiune care se dezvolte la bornele de detecție, care apoi poate fi amplificată și ulterior prelucrată într-un nivel de semnal utilizabil.

Deoarece traductorul vertical cu efect-Hall, ca și vărul său mai tradițional, este sensibil la câmp pe o singură axă, este posibilă fabricarea unui senzor cu două axe prin plasarea unei perechi de aceste dispozitive pe o singură matriță de siliciu prin alinierea structurilor lor la un unghi de 90^o între ele. În sfârșit, se poate adăuga un traductor convențional cu efect-Hall în aceeași matriță pentru a obține o a treia axă de sensibilitate. În acest fel, devine posibil să se creeze un traductor magnetic cu trei axe pe o singură matriță de siliciu.

Un dezavantaj al structurii Hall verticale este că nu are simetrie în patru direcții. Așa cum se poate observa în capitolul următor, simetria traductorului poate fi exploatată la nivelul sistemului pentru a reduce efectele erorilor de tensiune ale offset-ului ohmic.

O altă structură care oferă avantaje semnificative este traductorul cu efect-Hall cu concentratoare de flux magnetic integrate (IMC) [Popovic01]. Concentratorul de flux magnetic este o bucată de material feros, cum ar fi oțelul, care este utilizat pentru a direcționa sau intensifica fluxul magnetic spre un element de detectare. Concentratoarele de flux extern au fost utilizate mult timp pentru a direcționa și concentra fluxul magnetic în aplicațiile cu efect-Hall. Noul aspect al IMC este în fabricarea concentratorului de flux pe suprafața matriței de siliciu în extrem de aproape de traductorul cu efect-Hall, așa cum se arată în fig. 2-16.

Figura 2-16: Concentrator de flux magnetic integrat, vedere de sus (a) și vedere laterală (b).

Concentratorul de flux arătat în figura 2-16 ar fi în mod normal pus în aplicare ca un strat subțire al unui aliaj magnetic cu permeabilitate ridicată, cum ar fi permalloy (oțel nichel-fier), care ar fi așezat pe suprafața IC cu un proces de evaporare sau pulverizare. În configurația arătată, există patru traductoare cu efect-Hall, dispuse în jurul periferiei concentratorului de flux. Concentratorul efectuează două funcții.

Prima este să se concentreze câmpul în apropierea sa (Figura 2-16b). Acesta intensifică câmpul văzut de traductoare și are efectul de a crește sensibilitatea efectivă a traductoarelor. A doua funcție efectuată de concentrator este de a redirecționa axa câmpului aplicat de la orizontală la verticală lângă traductoare. De exemplu, un câmp X aplicat orizontal este mapat într-o componentă Z pozitivă la traductorul X1 și o componentă negativă la traductorul X2. Rețineți, totuși, că traductoarele vor rămâne sensibile la câmpurile aplicate în axa Z, în ciuda prezenței concentratorului fluxului. Prin scăderea ieșirilor traductoarelor (X2-X1, Y2-Y1), efectele oricăror componente de câmp-Z pot fi ignorate. O microfotografie a unui traductor IMC cu efect-Hall poate fi văzută în Figura 2-17.

Figura 2-17: Microfotografia traductorului cu efect-Hall IMC. (Melexis SUA.)

Produsele disponibile în comerț care utilizează traductoare IMC cu efect-Hall au fost dezvoltate de Sentron AG. Două dispozitive tipice sunt CSA-1V-SO și 2SA-10. CSA-1V-SO este un dispozitiv cu o singură axă într-un pachet SOIC-8, în timp ce dispozitivul 2SA-10 este un dispozitiv cu două axe. Ambele dispozitive incorporează circuite amplificatoare pe cip în plus față de elementele traductorului. CSA-1V-SO oferă un nivel foarte ridicat de sensibilitate, de obicei ieșire de 30 mV per gauss de câmp aplicat și poate sesiza câmpuri pe o gamă de aproximativ ±75 mV. Datorită senzitivității ridicate a dispozitivului și a unei axe de detectare paralele cu fața pachetului SOIC, acest dispozitiv are potențialul de a înlocui senzorii magneto-rezistivi în multe aplicații. De asemenea, 2SA-10 este furnizat într-un pachet SOIC-8 și oferă o mai mică sensibilitate (ieșire de 5 mV per gauss de câmp aplicat), dar oferă și două axe de detectare, ambele paralele cu fața SOIC. Aplicația principală pentru acest dispozitiv este de a detecta poziția rotativă, unde se măsoară simultan puterea câmpului în două axe și rezolvă cele două măsurători în grade de rotație.

2.8 Exemple de traductoare cu efect de Hall

Tabelul 2-4 prezintă câteva exemple de traductoare cu efect-Hall disponibile în comerț. Rețineți că aceste dispozitive sunt destinate unei varietăți de aplicații, astfel încât sensibilitatea în sine nu ar trebui utilizată pentru a determina dacă traductorul este adecvat pentru o anumită utilizare.

Tabelul 2-4: Exemple de traductoare comerciale cu efect-Hall

Nota 1: Acest produs a fost întrerupt cu mult timp în urmă și este menționat aici numai pentru a oferi un exemplu de sensibilitate "tipică" a traductorului cu efect-Hall din siliciu.