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Sensores Integrados em Silício IE012

Sensores MagnéticosProfessor Fabiano Fruett

UNICAMP – FEEC - DSIFSala 207

www.dsif.fee.unicamp.br/~fabiano

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Referências• R. S. Popovic, Hall Effect Devices, Second Edition,

IoP , 2004, ISBN 0-7503-0855-9• S.M. Sze, "Semiconductor Sensors", John Wiley &

Sons, Inc, 1994• H. Baltes and R. S. Popovic, Integrated

Semiconductor Magnetic Field Sensors, Proceedingsof the IEEE, Vol. 74, N 8, August 1986.

• Ch. Schott, J.-M. Waser and R.S. Popovic, Single-chip 3-D silicon Hall sensor, Sensors and Actuators82 (2000)

• S. Middelhoek, S. A. Audet and P. J. French, "Silicon Sensors", Delft University of Technology, 2000

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A bússola já era utilizada a mais de 4.000 anos pelos

chineses

Sensor magnético mais conhecido

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Faixa de intensidade da indução magnética em que os diferentes sensores

são utilizados

Range: pT nT µµµµT mT T

Bobina

Sensor Fluxgate

Magnetoresistor

SQUID

Placa Hall Campo Magnético da Terra

20 µT a 70 µT

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Sensores magnéticos• Dispositivos Hall são sensores magnéticos bem populares. Podem ser

produzidos em grande escala através de processos microeletrônicos oque os torna baratos. Quando fabricados com tecnologiamicroeletrônica, nenhum processamento extra é necessário.

• Materiais magnetoresistivos mudam sua resistividade quandoexpostos a um campo magnético. Materiais ferromagnéticos tem umgrande efeito magnetoresistivo. Não são lineares mas tem umasensibilidade relativamente grande. O silício apresenta um baixo efeitomagnetoresistivo.

• Bobinas são dispositivos simples baseadas na indução. A tensãoinduzida é gerada apenas quando a indução magnética varia com otempo. A implementação em circuitos integrados não é usual.

• O Fluxgate consiste de duas bobinas (enrolamentos). São defabricação complexa e cara.

• SQUIDS (Superconductivity Quantum Interface Device), são sensoresbaseados no efeito da quantização de fluxo magnético e efeitoJosephson, ambos relacionados ao estado da supercondutividade.

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Aplicações dos sensores magnéticos

Diretas Indiretas• Medição do campo

magnético terrestre

• Leitura de fitas e discos magnéticos

• Cartões de crédito e de identificação

• Sensor Fusion com giroscópio e acelerômetros

• Detecção do fluxo de corrente (através do seu campo magnético)

• Sensores de deslocamento mecânico (linear e angular)

• Chaves sem contato

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Dr. Edwin Herbert Hall

Descobridor de efeito Hall em 1879

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Fluxo de elétrons sob o Efeito Hall8

Fonte: http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/0/01/Hall_effect.png

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Vantagens dos sensores Hall• Velocidade de resposta

• Robustez

• Durabilidade (tempo de vida)

• Variedade de formatos e sensibilidades

• Não necessita de encapsulamento especial

• Medição sem contato

Desvantagens dos sensores Hall• Não são apropriados para medir campos

magnéticos de baixa intensidade

• Offset

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Unidades MagnéticasGrandeza Símbolo Sistema

Gaussiano (CGS) Fator de

conversão Sistema

Internacional (SI)

Fluxo magnético ΦΦΦΦ Maxwell (Mx), Gb * cm2 (Gb - gilbert)

10-8 Weber (Wb)

Indução magnética B Gauss (G) 10-4 Tesla (T) Wb/m2 (Wb - weber)

Campo magnético H Oersted (Oe) 103/4ππππ A/m

Magnetização M emu/cm3 103 A/m

Permeabilidade no vácuo µµµµo adimensional 4ππππ * 10-7 Wb/(A . m)

Permeabilidade µµµµ adimensional 4ππππ * 10-7 µµµµo Wb/(A . m)

Força magnetomotiva U Gilbert (Gb) 10/4ππππ Ampere (A)

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Força de Lorentz

F qv B= � �

�

O vetor força magnética é perpendicular à velocidade da carga q e ao vetor indução magnética B.

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Placa Hall em Si

VH

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Efeito galvanomagnético

Densidade de corrente em um semicondutor tipo n; no caso em que B=0

Desprezando a componente de difusão:

Densidade de corrente (elétrons) na direção y:

Campo elétrico transverso (EH)

(0)n n nJ E qD nσ= + ∇

nn

kTD

q

µ=

condutividade:

n nq nσ µ=

nn

v

Eµ =

( )( )ny n y n xJ B E B Eσ µ= + ×

0n∇ =

( )Hn x nB E v Bµ × = − ×

Hn n nrµ µ=

Mobilidade Hall:

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Efeito galvanomagnético

Efeito da magnetocondutividade

Mobilidade Hall

Fator de correção Hall para elétrons:1 ≤ rn ≤ 1,2

Hn n nrµ µ=

( )12

1nB n HnBσ σ µ−

= +

Considerando:

( ) ( ), ,0n nx nyJ B J J=

( ), ,0x yE E E=

( )0,0, zB B=

( )nx nB x Hn z yJ E B Eσ µ= +

( )ny nB y Hn z xJ E B Eσ µ= +

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Modo Hall

0nyJ =

•

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Deflexão de portadores0yE = ( )nx nB x Hn yJ E BEσ µ= +

•

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Comparação dos modos de operação

• Placa Longa• Contatos curtos

• Deflexão das equipotenciais

• Tensão Hall

• Placa Curta• Contatos longos

• Deflexão das linhas de corrente

• Corrente Hall

HH Hp

R IB WV V B

t Lµ= =

L Hp

WI I B

Lµ=

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Direções

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Perguntas:

1) Em qual condição o Campo Elétrico Hall se anula? 2) Em qual condição o mesmo campo pode ser maximizado?

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Constante Hall

( )( )

2 2

2

p n

H

n p

p nR

q n p

µ µ

µ µ

−=

+

A constante Hall é um parâmetro do material quecaracteriza a intensidade e o sinal do efeito Hall em umdeterminado semicondutor.

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IE012 21

Constante Hall do Si

-2,0E+08

-1,5E+08

-1,0E+08

-5,0E+07

0,0E+00

5,0E+07

1,0E+08

0,01 0,1 1 10 100 1000

n/n i

RH

A

B

C

Tipo-p Tipo-n

IE012 22

Constante Hall Mobilidade Hall

Tipo p (p >> n)

Tipo n (n >> p)

(elétrons)n

H

rR

nq= −

(lacunas)p

H

rR

pq=

Hn n nrµ µ=

Hp p prµ µ=

Si extrínseco (dopado)

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Mobilidades Hall

Hn n nrµ µ= Hp p prµ µ=

IE012 24

Magnetoresistividade

( )2nB nHn

n

Bρ ρ µ

ρ− =

( )2nB nHn

n

Bρ ρ µ

ρ− =

B [T] µn [cm2/Vs]

Si 1,02 1 1500 InSb 1,02 0,018 80000

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Disco de CorbinoW>>L e VH=0V

LR

Wtρ=

( )2nB nHn

n

Bρ ρ µ

ρ− =

Magnetoresistividade

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Materiais semicondutores e sua aptidão para sensores magnéticos

Semicondutor µn [cm2/Vs] Eg [eV] Si 1500 1.12 Ge 3900 0.67

GaAs 8500 1.42 InAs 40000 0.4 InSb 80000 0.2

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IE012 27

Não idealidades em uma placa Hall devido aos fatores geométricos

A) Contatos sensores não pontuaisB) Alinhamento das equipotenciais com os contatos de corrente

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Fatores geométricos em uma placa semicondutora operando no modo Hall

H XH

GR I BV

t⊥=

1.5L

W> 0,18

s

W<

2

16 21 exp 1

2 tan tanH H

H H

L sG

W W

θ θππ θ π θ

≅ − − −

Exemplo:

Fonte: Popovic

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IE012 29

Dispositivos Hall com diferentes geometrias

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Fator Geométrico – Método de Versnel

Ângulo Hall relativo:

sendo que c é ocomprimento total docontato eb é o perímetroexterno da placa.

Fonte: Versnel W, Analysis of symmetrical Hall plates with finite contacts J. Appl. Phys. 52 4659- 4666, 1981

2Hm

θπ

=

c

bλ =

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IE012 31

Seção transversal comparando um transistor NPN com uma placa Hall em um processo bipolar

Fonte: Adaptado de Middelhoek e Audet (1989)

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Dispositivos Hall microeletrônicos

CMOS Bipolar

xj [µm] n[cm-3] p-epi 1015 n-well 4 1015~1016

xj [µm] n[cm-3] n-epi 5~10 1015~1016

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Placa Hall vertical

Fonte: Schott, Waser e Popovic

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Sensor Hall 3-D

Fonte: Schott, Waser e Popovic

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Condicionamento do sinal de um Sensor Hall 3-DA tensão em cada contato sensor é dada por:

2 2x z

a

V VV = +

2 2y z

b

V VV = −

2 2x z

c

V VV = − +

2 2y z

d

V VV = − −

Extração do sinal:

x a cV V V= −y d bV V V= −

2a b c d

z

V V V VV

− + −=

Fonte: Schott, Waser e Popovic

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Principais fontes de offset

• Desalinhamento dos contatos (fator geométrico)

• Efeito piezoresistivo (stress mecânico)

• Variação da dopagem (processo)

• Efeito Seebeck

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DesalinhamentoModelo em ponte de

uma placa Hall

Offset

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Contato Hall potenciométrico

• Potenciômetro off ou on-chip

• Calibração individual

• Ineficiente contra desvios ao longo do tempo

• Ocupa o dobro da área

• Depende do casamento (gradientes podem dificultar)

Casamento de dispositivos “idênticos”

Métodos de redução do offset

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IE012 39

Dispositivo Hall simétrico com chaveamento ortogonal

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Spinning Hall plate

Fonte: Delft University of Technology

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IE012 41

Spinning Hall plate

Fonte: Delft University of Technology

Offset medido experimentalmente Chip completo

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Transistores Hall bipolar

Fonte: Delft University of Technology

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Transistores Hall MOS

Fonte:Popovic

H Hch D

WV GV B

Lµ ⊥=

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Split-Drain MOS devices

Placa Hall curta (deflexão de Lorentz)

Fonte:Popovic

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IE012 45

Estudos de Caso

Sensor Hall com sensibilidade maximizadaIEEE Sensors Journal, V. 3, N.6, December 2003

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Fonte: IEEE Sensors Journal, V. 3, N.6, December 2003

Sensor Hall com sensibilidade maximizada

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IE012 47

Placa Hall Convencional

Fonte: IEEE Sensors Journal, V. 3, N.6, December 2003

IE012 48

Placa Hall com múltiplos contatos de corrente

Fonte: IEEE Sensors Journal, V. 3, N.6, December 2003

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IE012 49

Fonte: IEEE Sensors Journal, V. 3, N.6, December 2003

Layout da placa Hall com múltiplos contatos de corrente

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Fonte: IEEE Sensors Journal, V. 3, N.6, December 2003

Circuito de condicionamento em tecnologia CMOS

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Fonte: IEEE Sensors Journal, V. 3, N.6, December 2003

Resultado experimental da placa Hall com múltiplos contatos de corrente

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Sensores Magnéticos Alternativos

Fonte: L. Latorre et al, Design, Characterization & Modelling of a CMOS Magnetic Field Sensor

Conversões de energia entreDomínios do sinal

Magnético Mecânico Elétrico

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Sensores magnéticos CMOS alternativos

Fonte: L. Latorre et al, Design, Characterization & Modelling of a CMOS Magnetic Field Sensor

O sensor é composto por uma “trave” microfabricada que sofre a ação da força de Lorentz.

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Sensores magnéticos CMOS alternativos

• Estrutura suspensa: óxido de silício

• Condutor de Corrente: Alumínio

• Piezoresistores em polisilício

Fonte: L. Latorre, Design, Characterization & Modelling of a CMOS Magnetic Field Sensor

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Integração

• Área: 5mm2

• Processo CMOS 0.8um (CMP services)

• Estágio amplificador de ganho

• Sensibilidade 50 mV/mT

Fonte: L. Latorre, Design, Characterization & Modelling of a CMOS Magnetic Field Sensor

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Resultados experimentais

+ experimental

- teórico

Comportamento no domínio da freqüência

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MEMS Magnetic Sensor in Standard CMOSB. Eyre et al

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FIM