BG110879A - Трикомпонентен магнитометър - Google Patents

Abstract

Трикомпонентният магнитометър съдържа полупроводникова подложка (1) с n-тип проводимост, върху която е обособена правоъгълна п-полупроводникова област (2) чрез правоъгълен p-ринг (3). Формирани са шест омични контакта (4, 5, 6, 7, 8 и 9). До двете къси страни на n-областта (2) са разположени първият (4) и вторият (5) и съответно третият (6) и четвъртият (7) контакт. Контактите (8 и 9) са успоредни на едната къса страна, а (6 и 7) са перпендикулярни на срещуположната къса страна на n-областта (2). В средната част на n-областта (2) и успоредно на дългите й страни са разположени контактите (8 и 9). Контактите (4 и 5), както и контактите (6 и 7), през резистори (10, 11, 12 и 13) са свързани съответно към токоизточник (14). Магнитното поле (15) е с произволна ориентация спрямо подложката (1). Диференциални изходи (16 и 17) за двете перпендикулярни равнинни компоненти на магнитното поле (15) са оформени от омичните контакти (4 и 5) и съответно (6 и 7), а контактите (8 и 9) са изход (18) за ортогоналната към n-подложката (1) компонента на полето (15).

Description

ТРИКОМПОНЕНТЕН МАГНИТОМЕТЪР

ОБЛАСТ НА ТЕХНИКАТА

Изобретението се отнася до трикомпонентен магнитометър, измерващ едновременно и независимо трите взаимноперпендикулярни компоненти на вектора на магнитното поле, приложимо в областта на системното инженерство - включително биоинженерство и биопроцеси, слабополевата магнитометрия, сензориката, роботиката, микро- и нано-технологиите, електромобилите за определяне на енергийния им разход, пространственото позициониране на обекти - включително сателити и подводници, безконтактното измерване на ъглови и линейни премествания, комутиране на тока в трифазните микромотори, автоматичното управление, мехатрониката, контролноизмервателната технология включително вибрационни измервателни системи, • · • · ·· · • · · • · · • · · · · • · · · • · · · биомедицинските изследвания в това число Лоренцова спектроскопия, военното дело, сигурността, антитерористичната дейност и др.

ПРЕДШЕСТВАЩО СЪСТОЯНИЕ НА ТЕХНИКАТА

Известен е трикомпонентен магнитометър, съдържащ силициева (полупроводникова) подложка с «-тип проводимост, върху едната страна на която е обособена квадратна област със същата проводимост чрез имплантиране на обграждащ я у?-тип квадратен ринг. Върху тази квадратна птип силициева област са формирани осем омични контакти. Четири от тях 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 разположени по средите на всяка от четирите страни на квадратната «-тип област. Двойките срещуположни изходни контакти са диференциални изходи за двете взаимно перпендикулярни компоненти на магнитното поле, лежащи в равнината на «-полупроводниковата подложка. 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 ортогоналната на «подложката компонента на вектора на магнитното поле. Изходът на операционния усилвател е изход за третата, ортогонална на «-подложката компонента на магнитното поле, като посоката на измерваното магнитно поле е произволна спрямо трикомпонентния магнитометър, [1,2].

Недостатък на този трикомпонентен магнитометър -е усложнената конструкция, изискваща осем на брой контакти както и операционен усилвател за екстракция на сигнала за ортогоналната към «-полупроводниковата подложка 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 основно с едновременното използване на едни и същи омични контакти в два изходни канала на магнитометъра.

ТЕХНИЧЕСКА СЪЩНОСТ

Задача на изобретението е да се създаде трикомпонентен магнитометъра опростена конструкция чрез намаляване броя на омичните контакти, изходите за трите магнитни компоненти да са директни като отпадне необходимостта от допълнителна екстракция на сигналите чрез операционен усилвател и да е с редуцирано паразитно влияние между отделните изходни канали.

Тази задача се решава с трикомпонентен магнитометър, съдържащ полупроводникова подложка с «-тип проводимост, върху едната страна на която е обособена правоъгълна «-полупроводникова област чрез имплантиране на обграждащ я /?-тип правоъгълен ринг. Върху правоъгълната «-тип област са • •••••· · · · · • · · · · · · · · · ·· · · · · ·· ··· ··· формирани на разстояния шест правоъгълни омични контакти - първи, втори, трети, четвърти, пети и шести. В близост до двете къси страни на правоъгълната «-тип област са разположени два по два първият и вторият, и съответно третият и четвъртият омични контакти. Първият и вторият контакти са успоредни на едната къса страна, а третият и четвъртият са перпендикулярни на другата къса страна. В средната част на правоъгълната «-тип полупроводникова област, в близост и успоредно на дългите й страни са разположени съответно петият и шестият омични контакти. Двойките първи и втори както трети и четвърти контакти през четири еднакви по стойност товарни резистори са свързани съответно с двата извода на токоизточник. Измерваното външно магнитно поле е с произволна ориентация спрямо «-тип полупроводниковата подложка. Диференциалните изходи за двете взаимно перпендикулярни равнинни компоненти на магнитното поле са директни и се образуват от успоредните на тези векторни компоненти двойки омични контакти първи и втори, и съответно трети и четвърти, а пети и шести контакти са директният диференциален изход за ортогоналната към «-тип подложка компонента на магнитното поле.

Предимство на изобретението е опростената му конструкция поради намаления брой омични контакти и отпадане необходимостта от специална екстракция чрез операционен усилвател на сигнала за ортогоналната към «-тип подложка магнитна компонента.

Друго предимство е редуцираното паразитно междуканално влияние при измерване на отделните магнитни компоненти, поради регламентираната от конструкцията функция на всяка двойка омични контакти да регистрира само 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. _ч.

ПРИМЕРИ ЗА ИЗПЪЛНЕНИЕ

Трикомпонентният магнитометър съдържа полупроводникова подложка 1 с «-тип проводимост, върху едната страна на която е обособена правоъгълна «полупроводникова област 2 чрез имплантиране на обграждащ я р-тип правоъгълен ринг 3. Върху правоъгълната «-тип област 2 са формирани на разстояния шест правоъгълни омични контакти - първи 4, втори 5, трети 6, четвърти 7, пети 8 и шести 9. В близост до двете къси страни на правоъгълната п-тип област 2 са разположени два по два първият 4 и вторият 5, и съответно третият 6 и четвъртият 7 омични контакти. Първият 4 и вторият 5 контакти са успоредни на едната къса страна, а третият 6 и четвъртият 7 са перпендикулярни на другата къса страна. В средната част на правоъгълната цтип полупроводникова област 2, в близост и успоредно на дългите й страни са разположени съответно петият 8 и шестият 9 омични контакти. Двойките първи • · f»V» » • · · · · · t • « · · · ₉ и втори 5 както трети 6 и четвърти 7 контакти през четири еднакви по стойност товарни резистори 10, 11, 12 и 13 са свързани съответно с двата извода на токоизточник 14. Измерваното външно магнитно поле 15 е с произволна ориентация спрямо ц-тип полупроводниковата подложка 1. Диференциалните изходи 16 и 17 за двете взаимно перпендикулярни равнинни компоненти на магнитното поле 15 са директни и се образуват от успоредните на тези векторни компоненти двойки омични контакти първи 4 и втори 5, и съответно трети 6 и четвърти 7, а пети 8 и шести 9 контакти са директният диференциален изход 18 за ортогоналната към и-тип подложка 1 компонента на магнитното поле 15.

!,

Действието на трикомпонентния магнитометър, съгласно изобретението, е следното.

При включване на двойките омични контакти 4 и 5, и 6 и 7 през еднаквите по стойност товарни резистори R] 10, R₂ 11, R₃ 12 и R₄ 13 (R] = R₂ = R₃ = R4) към токоизточника 14, в правоъгълната и-тип област 2, вследствие структурната и електрическата й симетрия, протичат четири еднакви по стойност компоненти /₄, /₅, /₆ и /₇ на захранващия ток Z_supi, като /₄ + /₅ + Ц + /₇ ⁼ Z_supi. В зонита в обема под контакти 4, 5, 6 и 7, в отсъствие на магнитно поле В 15, В = 0, тези токове са перпендикулярни на горната повърхност на правоъгълната н-област 2. В останалата част от обема на областта 2 захранващият ток 7_supi е успореден на горната й повърхност. По причина на симетрията на този тримерен векторен сензор и в отсъствие на при поле В 15 на двата сензорни изхода C_X(F_X) 16 и И_у(2?_у) 17 отсъстват влошаващите метрологията офсети. В случай на офсет/офсети чрез подбор на един или два ότ товарните резистори R] 10, R₂ 11, R₃ 12 и R₄ 13 или чрез тримиране се постига пълно компенсиране на нежеланите паразитни напрежения на изходите 16 и 17 при поле В = 0. В резултат на симетрично разположените по отношение на надлъжната осова линия на правоъгълната н-област 2 контакти 8 и 9, протичането на тока /_supi в отсъствие на магнитно поле В 15, В = 0, не следва да генерира на изход 18 паразитно нопрежение (офсет). Възникналите офсети на трите сензорни изхода 16, 17 и 18 могат също да се компенсират и при последващата електронна обработка на сигналите.

Когато се измерва външно магнитно поле В 15 с произволна ориентация спрямо полупроводниковата подложка 1, двете му равнинни взаимноперпендикулярни компоненти В_х и В_у чрез съответните сили на Лоренц F_Lx - qVd_rB_x и F_Ly = <7 F'drZJy отклоняват странично движещите се със скорост F_dr електрони, където q е елементарният електрически товар, а Кф е дрейфовата скорост на токоносителите, [3]. Магнитният вектор В_х отклонява електроните в равнината y-z, а вакторът В_у - в равнината x-z. Тези латерални отклонения са към повърхностните зони, където са разположени двойките контакти 4 и 5, и съответно 6 и 7. Именно там се генерира ефект на Хол, т.е. формират се електрически товари с противоположен знак, и възниква поле на Хол F_H, което се стреми да компенсира силата на Лоренц F_L. В нашия случай, обаче напрежението на Хол К_н е възможно да се регистрира само при наличие на товарните резистори Rj 10, R₂ 11, R₃ 12 и R| 13. Ако резисторите отсъстват, ефектът на Хол ще бъде във формат ток на Хол /_н, а не напрежение на Хол Рц, [3]. Стойността на тези резистори трябва да бъде най-малко на порядък по- • · · · · · · ·· · • · · · ♦ ···« • · · · · · ·« ······· V · ·· ···· ···· ·· • · ·· ·· ·· ··· ··· голяма от съпротивлението между омичните контакти 4 и 5, 6 и 7. В резултат върху изходни контакти 4 и 5, и съответно 6 и 7 се развиват линейните и нечетни напрежения на Хол F_Hx(B_x) 16 и И_Ну(Б_у) 17. Тези два Холови сигнала формират двата директни диференциални изхода К_Х(В_Х) 16,,и V_y(B_y) 17 на магнитометъра. Успоредността на контакти 4 и 5, и съответно 6 и 7 спрямо взаимноперпендикулярните равнинни магнитни компоненти В_х и В_у обезпечава максимално по стойност регистриране на Ходовите напрежения У_Х(В_Х) 16 и V_y(B_y) 17.

Ортогоналната на и-тип подложка 1 магнитна компонента B_z на полето В 15, в зависимост от посоката си, чрез силата на Лоренц F_Lz = qVd_TB_z отклонява странично токоносителите в равнината х-у на и-тип областта 2, т.е. между контакти 8 и 9 се генерират товари с противоположен знак и на изход 18 възниква напрежение на Хол F_Hz(B_z) от компонента B_z. Следователно този изход 18 е директен за измерване на компонента B_z.

Неочакваният положителен ефект на предложеното техническо решение се заключава в необичайната приборна конструкция на магнитометъра. Без да се търсят специални геометрични форми или пълно ограничаване чрез CMOS технология на активната w-сензорна област 2, само с помощта на оригинално разположените омични контакти 4, 5, 6, 7, 8 и 9 се постига едновременно и независимо измерване на всичките три компоненти В_х, В_у и B_z на магнитния вектор В 15. Структурата е опростена - контактите са намалени с два спрямо известното решенение и отпада необходимостта от операционен усилвател за компонентата B_z. Директните диференциални изходи 16, 17 и 18 намаляват значително паразитното междуканално влияние, което подобрява метрологичното качество на сигналите и като цяло точността на сензора. Не ни е известна друга приборна конструкция на 3D магнитометър, която да отстранява съществуващите недостатъци и да има такъв опростен вид като брой контакти и минимизирано паразитното междуканално влияние. Новото решение запазва също обемната, т.е. възможно най-високата стойност на подвижността на електроните в полупроводниците - ключовият фактор за максимална магниточувствителност, [3]. Това предимство е в резултат от факта, че долната страна на ефективната и-тип сензорна област 2 не е ограничена с рринга 3, а по естествен начин е част от обема на и-подложката 1. Абсолютната стойност на вектора на магнитното поле В 15 се дава с израза: |ZJ| = (В_х + В_у + B_z) . Стойностите на компоненти В_х, В_у и В₇в мерни единици [Т (Тесла)] се получават чрез разделяне на съответните изходни напрежения V_X(B_X) 16, К_У(Л_У) 17 и V_Z(B_Z) 18 в единици [V (Волт)] на абсолютната волтова магниточувствителност за дадения канал S_x, S_y и S_z в единици [V/T (Волт/Тесла)].

Реализацията на трикомпонентния магнитометър е най-лесно осъществима със силициева планарна технология на основата на и-Si пластини със специфично съпротивление р = 7.5 D.cm като формирането на самата микроелектронна структура, подобно на описаната в [2], изисква четири маски. Първата обуславя омичността (ниското съпротивление) на п⁺ контакти 4, 5, 6, 7, 8 и 9 с правоъгълната w-област 2 чрез метода на йонна имплантация. Втората маска е предназначена за обособяване на ограждащия правоъгълната w-област 2 /7-тип правоъгълен ринг 3 чрез съответна йонна имплантация като се формират ·*·· ·« 4· • · · · · ·♦·« • · · ··· 99

9 9 9 9 9 9 9 9 «« • · · · ···· ·· • · · ♦ · · 9 9 999 9 99 вертикалните страни в обема на и-подложката 1 около активната преобразувателна зона 2 на магнитометъра. Третата маска структурира метализираните шини, свързващи п⁺ области 4, 5, 6, 7, 8 и 9 с контактните площадки за бондиране върху чипа. Четвъртата маска дефинира контактните отвори в повърхностния окисен слой SiO2 за електрическото свързване чрез бондиране на контактните площадки с микропроводник. Готовите чипове, съдържащи триконтактния магнитометър се скрайбират и се фиксират в немагнитни шестизводни корпуси. Покриват се с непроводящо епоксидно лепило или пластмасов компаунд за елиминиране негативното влияние на външните фактори върху силициевия чип, в това число и на светлината. Чрез интегрална технология или в хибридно изпълнение може да се реализират електронните схеми и модулите за последваща обработка на сигналите от трите сензорни канала.

Проведените експерименти с образци на новия магнитометър, съгласно изобретението, потвърждават предимствата на предложеното решение. Практическият ефект е апробиран при изследване влиянието на магнитната индукция за повишаване добива на биоетанол като автомобилно гориво от възобновяеми енергийни източници. В това актуално приложение водещата идея е, че положението на трикомпонентния (3D) магнитометър по отношение източника на въздействащото върху биоетанола поле В 15 не е критично както това е в случаите на 1D и 2D магниточувствителни сензори.

ПРИЛОЖЕНИЕ: една фигура

ЛИТЕРАТУРА [1] Ch. Schott, Three Dimensional Magnetic Field Sensor, United-States Patent, No US 6,278,271 B1/21 Aug. 2001.

[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.

[3] Ch.S. Roumenin, Solid State Magnetic Sensors, Elsevier, Amsterdam, New York, 1994.

Claims (1)

1. ПАТЕНТНИ ПРЕТЕНЦИИ

   /.Трикомпонентен магнитометър, съдържащ полупроводникова подложка с «-тип проводимост, върху едната страна на която е обособена пполупроводникова област чрез имплантиране на обграждащ я /з-тип ринг, в обособената «-област са формирани на разстояния омични контакти като измерваното външно магнитно поле е с произволна ориентация спрямо «-тип полупроводниковата подложка, ХАРАКТЕРИЗИРАЩ СЕ с това, че обособената «-полупроводникова област (2) и /?-тип ринга (3) са правоъгълни, омичните контакти са правоъгълни и са шест - първи (4), втори (5), трети (6), четвърти (7), пети (8) и шести (9), в близост до двете къси страни на «-тип областта (2) са разположени два по два първият (4) и вторият (5), и съответно а третият (6) и четвъртият (7) омични контакти, първият (4.) и вторият (5) ^w контакти са успоредни на едната къса страна, а третият (6) и четвъртият (7) са перпендикулярни на другата къса страна, в средната част на правоъгълната «тип полупроводникова област (2) в близост и успоредно на дългите й страни са разположени съответно петият (8) и шестият (9) омични контакти, двойките първи (4) и втори (5) както трети (6) и четвърти (7) контакти през четири еднакви по стойност товарни резистори (10), (11), (12) и (13) са свързани съответно с двата извода на токоизточник (14), директните диференциални изходи (16) и (17) за двете взаимно перпендикулярни равнинни компоненти на магнитното поле (15) са успоредните на тези векторни компоненти двойки омични контакти първи (4) и втори (5), и съответно трети (6) и четвърти (7), а пети (8) и шести (9) контакти са директният диференциален изход (18) за ортогоналната към «-тип подложката (1) компонента на магнитното поле (15).