BG110739A - Интегрален тримерен сензор за магнитно поле - Google Patents

Abstract

Интегралният тримерен сензор за магнитно поле съдържа полупроводникова подложка с р-тип проводимост (1), върху едната страна на която е формиран n-тип епитаксиален слой (2), токоизточник (13) и магнитно поле (14) с произволна ориентация. Слоят (2) е съставен от две еднакви правоъгълни и взаимно перпендикулярни части, до двата края на които са формирани на равни разстояния един от друг по два еднакви планарни омични контакти - първи (3) и втори (4), и съответно трети (5) и четвърти (6), успоредни на късите страни на правоъгълния слой (2). Има още два омични контакта - пети (7) и шести (8), успоредни на дългите страни на слоя (2). Контактите (3 и 4) и съответно (5 и 6), през резистори (9, 10, 11 и 12), са свързани с по един от изводите на токоизточника (13), като изходи (15 и 16) за двете равнинни магнитни компоненти са омичните контакти (3 и 4), и (5 и 6). Контактите (7 и 8) са изходът (17) за ортогоналната към p-тип подложка (1), компонента на магнитното поле (14).

Description

ОБЛАСТ НА ТЕХНИКАТА

Изобретението се отнася до интегрален тримерен сензор за магнитно поле, измерващ едновременно трите взаимноперпендикулярни компоненти на магнитния вектор, приложимо в областта на системното инженерство включително биоинженерството, сензориката и микросистемите, • · • · · • *

безконтактното измерване на ъглови и линейни премествания, тримерното позициониране на обекти в пространството, комутиране на тока в трифазните микромотори, вибрационните измервателни системи, автоматичното управление, контролно-измервателната технология, биомедицинските изследвания и биопроцесите, слабополевата магнитометрия, военното дело и сигурността, и др.

ПРЕДШЕСТВАЩО СЪСТОЯНИЕ НА ТЕХНИКАТА

Известен е интегрален тримерен сензор за магнитно поле, съдържащ квадратна силициева област с w-тип проводимост, обособена в силициевата подложка чрез имплантирана зона с р-тип проводимост. Върху горната страна на квадратната «-тип силициева пластина са формирани осем омични контакти. Четири от тези контакти са захранващи и се намират по върховете на квадратната силициева област като двойките диагонално разположени контакти са свързани помежду си и всяка двойка е съединена съответно с двата извода на токоизточник. Останалите четири омични контакти са изходни, намират се между захарнаващите и са по средите на всяка от четирите страни на квадратната силициева област. Двойките срещуположни изходни контакти са диференциални изходи за двете взаимно перпендикулярни компоненти на магнитното поле, лежащи в равнината на «-силициевата пластина. Съответните двойки изходни контакти, разположени в съседство до четирите върха на квадратната област са свързани с входовете на операционен усилвател, който събира и разделя на две напреженията, генерирани върху тези контакти от ортогонално на силициевата пластина магнитно поле. Изходът на операционния усилвател е изход за третата, ортогонална на «-силициевата област компонента на вектора на магнитното поле, като посоката на измерваното магнитно поле е произволна спрямо силициевата подложка, [1,2].

Недостатък на този интегрален тримерен сензор за магнитно поле е усложнената му конструкция, изискваща операционен усилвател за екстракция на сигнала за ортогоналната към силициевата (полупроводниковата) област магнитна компонента.

Друг недостатък е паразитното междуканално влияние при измерване на отделните компоненти на магнитното поле, силно изразено при по-високи стойности на магнитната индукция, свързано с едновременното използване на едни и същи омични контакти в два отделни сензорни изхода.

• 9 · 9 9 ·

• 9

999 9

ТЕХНИЧЕСКА СЪЩНОСТ

Задача на изобретението е да се създаде интегрален тримерен сензор за магнитно поле с опростена конструкция и с минимизирано паразитно влияние между отделните изходни канали.

Тази задача се решава с интегрален тримерен сензор за магнитно поле, съдържащ полупроводникова подложка с р-тип проводимост, върху едната страна на която е формиран и-тип епитаксиален слой, съставен от две еднакви правоъгълни и взаимно перпендикулярни части. В близост до двата края на ц-тип епитаксиалния слой и върху него са формирани на равни разстояния един от друг по два еднакви омични контакти първи и втори, и съответно трети и четвърти, успоредни на късите страни на правоъгълния п-тип епитаксиален слой. На разстояние от тях и в посока към средата на взаимноперпендикулярните части на епитаксиалния слой има още два еднакви омични контакти пети и шести, успоредни на дългите страни на ц-тип слоя. Контакти първи и втори и съответно трети и четвърти през еднакви по стойност товарни резистори са свързани съответно с по един от изводите на токоизточник. Измерваното външно магнитно поле е с произволна ориентация спрямо р-тип полупроводниковата подложка като директните диференциални изходи за двете му взаимно перпендикулярни равнинни компоненти са двойките омични контакти първи и втори, и съответно трети и четвърти, а контакти пети и шести са директният диференциален изход за ортогоналната към р-тип подложка компонента на магнитното поле.

Предимство на изобретението е опростената му конструкция поради отпадане необходимостта от специална екстракция чрез операционен усилвател на сигнала за ортогоналната към р-тип подложка магнитна компонента.

Друго предимство е силно минимизираното паразитно междуканално влияние при измерване на отделните магнитни компоненти, поради регламентираната от конструкцията функция всеки един омичен контакт да регистрира една от трите взаимноперпендикулярни компоненти на вектора на магнитното поле.

• · ···· ··· • · · · · ·· · · ··· · ·

ОПИСАНИЕ НА ПРИЛОЖЕНИТЕ ФИГУРИ

По-подробно изобретението се пояснява с едно негово примерно изпълнение, дадено на приложената фигура 1.

ПРИМЕРИ ЗА ИЗПЪЛНЕНИЕ

Итегралният тримерен сензор за магнитно поле съдържа полупроводникова подложка с р-тип проводимост 1, върху едната страна на която е формиран «-тип епитаксиален слой 2, съставен от две еднакви правоъгълни и взаимно перпендикулярни части. В близост до двата края на «-тип епитаксиалния слой 2 и върху него са формирани на равни разстояния един от друг по два еднакви омични контакти първи 3 и втори 4, и съответно трети 5 и четвърти 6, успоредни на късите страни на правоъгълния «-тип епитаксиален слой 2. На разстояние от тях и в посока към средата на взаимноперпендикулярните части на епитаксиалния слой 2 има още два еднакви омични контакти пети 7 и шести 8, успоредни на дългите страни на «-тип слоя 2. Контакти първи 3 и втори 4 и съответно трети 5 и четвърти 6 през еднакви по стойност товарни резистори 9, 10, 11 и 12 са свързани съответно с по един от изводите на токоизточник 13. Измерваното външно магнитно поле 14 е с произволна ориентация спрямо /?-тип полупроводниковата подложка 1 като директните диференциални изходи 15 и 16 за двете му взаимно перпендикулярни равнинни компоненти са двойките омични контакти първи 3 и втори 4, и съответно трети 5 и четвърти 6, а контакти пети 7 и шести 8 са директният диференциален изход 17 за ортогоналната към р-тип подложка 1 компонента на магнитното поле 14.

Действието на итегралния тримерен сензор за магнитно поле, съгласно изобретението, е следното.

При включване на двойките омични контакти 3 и 4, и 5 и 6 през еднакви по стойност товарни резистори Ri 9, R₂ 10 и съответно R₃ 11 и R4 12 (Ri = R₂ = R₃ - R4) към токоизточника 13, в «-слоя 2 вследствие структурната и електрическата симетрия на сензора протичат четири еднакви по стойност компоненти /₃, /₄, /₅ и /₆ на захранващия ток Z_supl, /3 + /4 + /5 + /0 = /_supi· В областите под контакти 3, 4, 5 и 6 тези токови компоненти са перпендикулярни на горната повърхност на структурата 1. В останалата част на «-тип епитаксиалния слой 2 захранващият ток 7_supl е успореден на съответните дълги страни на епитаксиалния слой 2. По причина на електрическата симетрия на интегралния тримерен сензор в отсъствие на външно магнитно поле В 14, В — 0, на двата сензорни изхода V_X(B_K) 15 и • · ·» · • 9

7_у(В_у) 16 отсъстват влошаващите метрологията офсети. В случай на офсет/офсети чрез подбор на един или два от товарните резистори R] 9, R₂ 10, R₃ 11 или R4 12 се постига пълно компенсиране на нежеланите напрежения на изходи 15 и 16 при поле В = 0. Симетричното местоположение на успоредните на дългите страни на w-тип слоя 2 контакти 7 и 8 по отношение на осовата линия на w-тип областта 2, протичането на тока 7_supi няма да генерира на изход 17 в отсъствие на магнитно поле В 14 офсет.

Когато се приложи външно магнитно поле В 14 с произволна ориентация спрямо подложката 1, двете му равнинни ортогонални компоненти В_х и В_у чрез съответните сили на Лоренц F_Lx ⁼ Ч^ВХ и FLy - qFdrBy отклоняват странично движещите се със скорост Kdr електрони в двете взаимно перпендикулярни части на епитаксилния слой 2, където q е елементарния електрически товар. Тези отклонения са към зоните, където са формирани контакти 3 и 4, и съответно 5 и 6 като там се генерира ефектът на Хол. В резултат върху контакти 3 и 4, и съответно 5 и 6 се развиват линейни и нечетни напрежения на Хол Рнх(Д<) ^и FHy(B_y). Именно тези два Холови сигнала формират двата диференциални изхода 15 и 16 на интегралния микросензор. Успоредността на контакти 3, 4, 5 и 6 на късите страни на правоъгълния «-тип епитаксиален слой 2 обезпечава максимално по стойност регистриране на Холовите напрежения У_Х(В_Х) и 7_у(В_у) в резултат на страничното Лоренцово отклонение на движещите се токоносители.

Ортогоналната на силициевия чип 1 компонента B_z на магнитното поле В 14, в зависимост от посоката си, чрез Лоренцовата сила F_Lz = qK_drZ?_z отклонява токоносителите в равнината на «-тип епитаксиалния слой 2 или към вътрешните дълги страни на правоъгълните части на «-слоя 2 или към външните, т.е. върху външните и вътрешните страни най «-слоя 2 възниква ефект на Хол и напрежение Ι4_Ιζ(β_ζ). Успоредните на дългите страни на правоъгълния w-тип слой 2 контакти 7 и 8 измерват напрежението на Хол ΜΛ) - Δ ₈(β_ζ). Двойката контакти 7 и 8 може да се разположи и от страна на другите контакти 5 и 6, без това да промени резултата на изхода 17 на сензорния канал за компонента В_г.

Неочакваният положителен ефект на предложеното техническо решение се заключава във възможността да се “извадят” от обема на необичайната по форма за сензориката на ефекта на Хол активна преобразувателна зона 2 чрез двойки контакти 3 и 4, 5 и 6, и съответно 7 и 8 генерираните в w-тип епитаксиалния слой 2 диференциални напрежения на Хол. В новия интегрален тримерен сензор за магнитно поле оппада необходимостта от операционен усилвател за компонента Β_ζ, което го опростява съществено. Освен това всеки контакт е предназначен да предоставя сензорна информация, за съответна магнитна компонента, • ·

9 · • 99 tf

противно на известното решение. Ето защо силно се минимизира паразитното междуканално влияние в този интегрален тримерен сензор за магнитно поле. Абсолютната стойност на вектора на магнитното поле В 14 се дава с израза: |Л| = (В²Х + В²у + В²z)^1/2. Стойностите на компоненти В_х, В_у и B_z се получават чрез разделяне на съответните напрежения И_Х(В_Х), И_У(В_У) и C_Z(B_Z) на абсолютната волтова магниточувствителност за дадения канал S_x, S_y и S_z.

Проведените експерименти с образци на новия интегрален сензор на Хол, реализирани на основата на стандартна CMOS технология, съгласно изобретението, показват: 1. контакти 7 и 8 дават висококачествена метрологична информация за ортогоналната B_z компонента с изхода 17; 2. чрез напреженията от другите два изхода 15 и 16 се измерват равнините магнитни компоненти В_х и В_у на полето В 14. В рамките на експерименталната грешка паразитното междуканално влияние е по-малко от 1-2 % при индукция В < 1.2 Т, което е важно предимство за новия микросензор.

ПРИЛОЖЕНИЕ: една фигура ©

ЛИТЕРАТУРА [1] Ch. Schott, Swiss Patent Application No 1998 0760-98; European Patent EP 0947846.

[2] Ch. Schott, R.S. Popovic, Integrated 3-D Hall Magnetic Field Sensor, Proc, of the Transducers’ 99 Conference, June 7-10, Sendai, Japan, v. 1, 1999, pp. 168-171.

Claims (1)

1. ПАТЕНТНИ ПРЕТЕНЦИИ

   Итегрален тримерен сензор за магнитно поле, съдържащ полупроводникова подложка с р-тип проводимост, върху едната страна на която е формиран w-тип епитаксиален слой, токоизточник, магнитно поле с произволна ориентация спрямо полупроводниковата подложка и осем омични контакти, ХАРАКТЕРИЗИРАЩ СЕ с това, че епитаксиалният «-тип слой (2) е съставен от две еднакви правоъгълни и взаимно перпендикулярни части, в близост до двата края на «-тип слоя (2) и върху него са формирани на равни разстояния един от друг по два еднакви омични контакти първи (3) и втори (4), и съответно трети (5) и четвърти (6), успоредни на късите страни на правоъгълния «-тип слой (2), на разстояние от тях и в посока към средата на взаимноперпендикулярните части на слоя (2) има още два еднакви омични контакти пети 7 и шести 8, успоредни на дългите страни на «-тип слоя 2, контакти първи (3) и втори (4) и съответно трети (5) и четвърти (6) през еднакви по стойност товарни резистори (9), (10), (11) и (12) са свързани съответно с по един от изводите на токоизточника (13), като директните диференциални изходи (15) и (16) за двете взаимно перпендикулярни равнинни компоненти на магнитното поле (14) са двойките омични контакти първи (3) и втори (4), и съответно трети (5) и четвърти (6), а контакти пети (7) и шести (8) са диференциалният изход (17) за ортогоналната към р-тип подложка (1) компонента на магнитното поле (14).