BG111840A - Интегрален 3d микросензор за магнитно поле - Google Patents

Abstract

Интегралният 3D микросензор за магнитно поле съдържа n-тип полупроводникова подложка (1), върху едната страна на която са формирани омични контакти - захранващи и регистриращи, всичките заобиколени с дълбок правоъгълен р-тип ринг (9), токоизточник (11), три изхода (13, 15 и 17) за измерване на взаимноперпендикулярните компоненти на магнитно поле (12) чрез три комбинации на свързване на регистриращите контакти. Магнитното поле (12) е с произволна посока спрямо подложката (1). Захранващите контакти са три (2, 3 и 4), два от тях контактите (2 и 3) са еднакви, с правоъгълна форма и са успоредни на дългите си страни. Между тях симетрично е разположен третият захранващ контакт (4), който е централен и е с квадратна форма. Между контактите (2 и 3), в близост до тях са разположени по една двойка еднакви контакти, които са регистриращите - първи (5) и втори (6) до единия захранващ контакт (2), и съответно третият (7) и четвъртият (8) до другия контакт (3). Двойките контакти (5 и 6), и (7 и 8) са симетрични спрямо централния контакт (4). Късите страни на р-ринга (9) са успоредни на дългите страни на правоъгълните контакти (2 и 3). Контактите (2 и 3) през тример (10) и токоизточника (11) са свързани със средния контакт (4). Изходът (13) за първа компонента (14) на магнитното поле (12) са третият (7) и четвъртият (8) контакт с комбинация на свързване на първия (5) и четвъртия (8), и съответно втория (6) и третия (7) контакт. Изходът (15) за втора компонента (16) са третият (7) и четвъртият (8) контакт с комбинация на свързване на първия (5) и третия (7), и съответно втория (6) и четвъртия (8) контакт. Изходът (17) за трета компонента (18) са вторият (6) и четвъртият (8) контакт с комбинация на свързване на първия (5) и втория (6), и съответно третия (7) и четвъртия (8) контакт. 1 претенция, 2 фигури

Description

Изобретението се отнася до интегрален З-D микросензор за магнитно поле, приложимо в областта на роботиката и мехатрониката, позиционирането на обекти в равнината и пространството, космическите изследвания, сензориката, безконтактното измерване на ъглови и линейни премествания, контролно-измервателната техника и слабополевата магнитометрия, когнитивните интелигентни системи, геомагнетизма, микро- и нано-технологиите, енергетиката и енергийната ефективност, биомедицината, военното дело, сигурността и др.

ПРЕДШЕСТВАЩО СЪСТОЯНИЕ НА ТЕХНИКАТА

Известен е интегрален З-D микросензор за магнитно поле, измерващ последователно трите компоненти на вектора на магнитното поле, съдържащ п-тип полупроводникова подложка, върху едната страна на която са формирани омични контакти, токоизточник, три изхода като с три последователни комбинации на свързване на тези контакти се измерват трите взаимноперпендикулярни компонентни на магнитното поле с произволна посока спрямо подложката. Подложката е с квадратна форма, по четирите края на едната й страна са формирани по часовниковата стрелка омичните контакти - първи, втори, трети и четвърти като първият и третият, и съответно вторият и четвъртият са разположени диагонално. Изходът за първата компонента на магнитното поле са вторият и третият омичен контакт, а първият и четвъртият са включени към токоизточника. Изходът за втората компонента са третият и четвъртият, а първият и вторият контакт са свързани с токоизточника и изходът за третата компонента са вторият и четвъртият контакт, а първият и третият са включени към токоизточника, [1,2].

Недостатък на този интегрален З-D микросензор за магнитно поле са високите стойности на паразитните напрежения на изходите в отсъствие на магнитното поле (офсетите) в резултат на неминуемия резистивен пад на напрежение при протичане на тока през съответните захранващи контакти.

Недостътък е също редуцираната точност при последователното измерване на трите компоненти на магнитния вектор в резултат на паразитните офсети на изходите в отсъствие на магнитно поле.

ТЕХНИЧЕСКА СЪЩНОСТ

Задача на изобретението е да се създаде интегрален З-D микросензор за магнитно поле с редуцирани офсети на трите изхода и с повишена точност при измерване на компонентите на магнитното поле.

Тази задача се решава с интегрален З-D микросензор за магнитно поле, съдържащ п-тип полупроводникова подложка, върху едната страна на която на разстояние един от друг са формирани два еднакви захранващи омични контакти с правоъгълна форма, успоредни на дългите си страни, между които симетрично е разположен още един централен захранващ омичен контакт с квадратна форма. Между правоъгълните захранващи контакти, в близост до тях и на едно и също разстояние са разположени по една двойка регистриращи омични контакти, които са еднакви - първи и втори до единия правоъгълен контакт, и съответно трети и четвърти до другия като двойките контакти са симетрични спрямо централния. При това първият контакт е срещу четвъртия, а вторият е срещу третия. Всичките контакти са заобиколени с дълбок правоъгълен /?-тип ринг, късите страни на който са успоредни на дългите страни на правоъгълните омични контакти. Захранващите правоъгълни контакти през тример и токоизточник са свързани със средния. Външното магнитно поле е с произволна посока спрямо /z-тип подложката. Изходът за първата компонента на магнитното поле са третият и четвъртият контакт с комбинация на свързване първи и четвърти, и съответно втори и трети контакт. Изходът за втората компонента са третият и четвъртият контакт с комбинация на свързване първи и трети, и съответно втори и четвърти контакт. Изходът за третата компонента са вторият и четвъртият контакт с комбинация на свързване първи и втори, и съответно трети и четвърти контакт.

Предимство на изобретението са силно редуцираните стойности на офсетите на трите изхода за компонентите на магнитното поле в резултат на симетрията на структурата по отношение на централния контакт както и компенсирането на офсетите чрез тримера.

Предимство е също повишената измервателна точност на изходите в резултат на компенсираните им офсети.

Предимство е още повишеното отношение сигнал/шум на изходните канали при измерване на компонентите, поради отпадане необходимостта от превключване на захранващия ток през различни контакти и редуцирането на паразитните офсети в отсъствие на магнитно поле.

ОПИСАНИЕ НА ПРИЛОЖЕНИТЕ ФИГУРИ

По-подробно изобретението се пояснява с приложените фигури, където:

Фигура 1 представлява конструкцията на интегралния 3-D микросензор за магнитно поле;

Фигура 2 - трите последователни комбинации на свързване на двойките регистриращи контакти за измерване на взаимноперпендикулярните компоненти на магнитното поле.

ПРИМЕРИ ЗА ИЗПЪЛНЕНИЕ

Интегралният З-D микросензор за магнитно поле съдържа /z-тип полупроводникова подложка 1, върху едната страна на която на разстояние един от друг са формирани два еднакви захранващи омични контакти 2 и 3 с правоъгълна форма, успоредни на дългите си страни, между които симетрично е разположен още един централен захранващ омичен контакт 4 с квадратна форма. Между захранващите контакти 2 и 3, в близост до тях и на едно и също разстояние са разположени по една двойка регистриращи омични контакти, които са еднакви - първи 5 и втори 6 до единия правоъгълен контакт 2, и съответно трети 7 и четвърти 8 до другия 3 като двойките контакти 5 и 6, и 7 и 8 са симетрични спрямо централния 4. При това първият контакт 5 е срещу четвъртия 8, а вторият 6 е срещу третия 7. Всичките контакти 2, 3, 4, 5, 6, 7 и 8 са заобиколени е дълбок правоъгълен /j-тип ринг 9, късите страни на който са успоредни на дългите страни на правоъгълните захранващи контакти 2 и 3. Захранващите правоъгълни контакти 2 и 3 през тример 10 и токоизточник 11 са свързани със средния 4. Външното магнитно поле 12 е е произволна посока спрямо /z-тип подложката 1. Изходът 13 за първата компонента 14 на магнитното поле 12 са третият 7 и четвъртият 8 контакт с комбинация на свързване първи 5 и четвърти 8, и съответно втори 6 и трети 7 контакт. Изходът 15 за втората компонента 16 са третият 7 и четвъртият 8 контакт е комбинация на свързване първи 5 и трети 7, и съответно втори 6 и четвърти 8 контакт. Изходът 17 за третата компонента 18 са вторият 6 и четвъртият 8 контакт с комбинация на свързване първи 5 и втори 6, и съответно трети 7 и четвърти 8 контакт.

Действието на интегралния З-D микросензор за магнитно поле, съгласно изобретението, е следното. Ключовата особеност, заложена в измерването на пълния магнитен вектор В 12 е нелинейната траектория на движение на токоносителите в полупроводникови структури 1 с планарно разположени захранващи контакти 2, 3 и 4. Токовите линии стартират, например, от контакт 4 към контакти 2 и 3, Фигура 1. В отсъствие на магнитно поле 12 контакти 2, 3 и 4 представляват еквипотенциални равнини. Ето защо в зоните под тях токовите линии I₂, h и Ц са вертикално насочени и носителите проникват дълбоко в обема на полупроводниковата подложка 1. В средните области между захранващите контакти 2-4 и съответно 3-4 симетричните и противоположно насочени в резултат на конструкцията траектории Ц,₂ и - /4,3 са успоредни на горната повърхност на подложката 1. Следователно дрейфовата скорост V под контакти 2, 3 и 4 е перпендикулярна на горната повърхност, а в обема между тях е успоредна на тази повърхност. Съгласно Фигура 1, за тези два крайни случая са в сила векторните релации V = V_y и V = V*. При наличие на магнитно поле 12, В 0, произходът на магниточувствителността се определя от възникването на сила на Лоренц F_L = qV х В, където q е товарът на електрона. Нейното действие в отделните части от двете криволинейни траектории, в зависимост от индивидуалните посоки на компонентите В* 14, В_у 16 и B_z 18 е различно (при фиксирана посока на тока /₄). Детектирането на изходни сигнали за всяка една от магнитните компонентите 14, 16 и 18 се постига чрез иновативната конструкция на интегралния микросензор и една от трите комбинации на свързване на регистриращите електроди 5, 6, 7, и 8, показани на Фигура 2. Тези регистриращи контакти са Холови, т.е. върху тях се генерират в магнитно поле В 12 напрежения на Хол У_н. Магниточувствителността по оста х, Фигура 1 и Фигура 2а, се определя от Лоренцовата дефлекция на токоносителите в равнината y-z: F_L = qV_y х В_х. В този случай върху регистриращите контакти 5 и 8, и съответно върху 6 и 7 се генерират в магнитно поле В_х 14 едновременно допълнителни потенциали с противоположен знак и с една и съща стойност. При свързването, показано на Фигура 2а на двойките контакти 5 и 8, и съответно 6 и 7, притежаващи потенциали с един и същ знак, на диференциалния изход 13 на сензора се екстрахира напрежение на Хол V_ti>x, представляващо информационния сигнал за компонентата В_х, (1₂ = 1з). Магниточувствителността по оста у, Фигура 1 и Фигура 26, се определя от Лоренцовата дефлекция на токоносителите в равнината x-z: F_t = qV_x х В_у. Така върху Холовите контакти 5 и 7, и съответно 6 и 8 в магнитно поле В_у 16 се генерират едновременно допълнителни потенциали с противоположен знак и с една и съща стойност. Информацията за компонентата В_у 16 се обуславя от напрежението на Хол У_н,у върху диференциалния изход 15. Магниточувствителността по оста z, Фигура 1 и Фигура 2в, се установява от Лоренцовата дефлекция на токоносителите в равнината х-у: F_L = qV_x х B_zи F_l = qVy хB_z, т.е. преобразувателната ефективност на сензора по оста z се определя едновременно от скоростите V_x и V_y. Това води до „свиване” и „разширяване” на двете симетрични токови траектории /_4;2 и /₄.₃. Върху Холовите контакти 5 и 6, и съответно 7 и 8 в магнитно поле B_z 18 се генерират едновременно допълнителни потенциали с противоположен знак и с една и съща стойност. Измерването на компонентата B_z 18 се дефинира от напрежението на Хол V_H.z на изхода 17. Разполагането на регистриращите контакти 5, 6, 7, и 8 в близост до захранващите 2 и 3 е свързано с по-високите стойности на Холовите потенциали, генерирани от вертикалните токови линии /₂ и /₃ в зоните под контакти 2 и 3. Чрез установяване на трите последователни конфигурации на свързване, представени на Фигура 2 чрез мултиплексорно устройство със съответна честота се получава пълната информация за вектора В 12. Стойността на параметъра В 12 се дава с релацията | В | = (В² + В² +Β²)^υ2.

Специален анализ изисква паразитното влияние в общия случай на генерираните сигнали от двете неизмервани компоненти върху изходния канал на регистрираната трета компонента. Използваното в нашия случай решение на този принципен проблем на векторната магнитометрия е симетрията на структурата по отношение на централния контакт 4, Фигура 1, и способите на свързване на съответните изходни контакти 5, 6, 7 и 8, показани на Фигура 2 с цел реализиране на диференциалните изходи 13, 15 и 17. Например, ако се измерва полето Β_ζ 18, Фигура 2в, едновременното действие на останалите две магнитни компоненти В_х 14 и В_у 16 води до синфазни допълнителни потенциали върху така свързаните електроди 5-6 и 7-8. Тези паразитни в случая потенциали се взаимно компенсират от диференциалния изход V_H,z 17. Аналогично е компенсирането на междуканалното паразитно влияние и за другите сензорни канали 13 и 15.

Неочакваният положителен ефект на новото техническо решение се заключава от една страна във възможността съществено да се минимизират офсетите на така формираните изходи 13, 15 и 17 от симетрията на 3-D микросинзора спрямо централния контакт 4, и от друга - иновативното свързване на изходните електроди 5, 6, 7 и 8, формирайки три диференциални изходи 13, 15 и 17, Фигура 2. Предложеното ново решение е развитие на метода за последователно измерване на компонентите на магнитното поле В 12 е една и съща преобразувателна област в структурата 1. Фактически метрологичната задача е разширена не в пространството, а във времето, което е съществен иновативен подход във векторната магнитометрия, повишавайки драстично сензорната резолюция, т.е. регистриране на полето В 12 практически в „точка” Ролята на дълбокия р-тип ринг 9, заобикалящ омичните контакти 2, 3, 4, 5, 6, 7 и 8 е да отдели ефективната сензорна зона от останалия обем на подложката 1. По този начин в дълбичина се формират ограничителни повърхности за протичащите в структурата 1 захранващи токове, подложени на въздействието на Лоренцовите сила Fl. Повърхностното разтичане на токовете се ограничава също чрез р-ринга 9.

Интегралният З-D микросензор за магнитно поле може да се реализира е добре апробираните IC технологии. Магнитометърът допуска интегриране заедно с обработващата сигналите от него периферна електроника. Действието му е в широк температурен диапазон.

ПРИЛОЖЕНИЕ: две фигури с

ЛИТЕРАТУРА

[1] Ч.С. Руменин, С.В. Лозанова, “Микросистема за измерване на трите компоненти на магнитното поле”, Патент за изобретение № BG 65970 В1/09.09.2010 г., per. № 109952/12.09.2007 г.

[2] S. Lozanova, Ch. Roumenin, Four-contact Hall microdevice for subsequent 3-D magnetic field-measurement, Proc, of the EUROSENSORS XXII Conf., Dresden, Germany, 2008, pp. 239-242.

Claims (1)

1. < Интегрален З-D микросензор за магнитно поле, съдържащ /г-тип полупроводникова подложка, върху едната страна на която на разстояния един от друг са формирани омични контакти - захранващи и регистриращи, всичките заобиколени с дълбок правоъгълен р-тип ринг, токоизточник, три изхода за измерване на взаимноперпендикулярните компоненти на магнитното поле чрез три комбинации на свързване на регистриращите контакти, а магнитното поле е с произволна посока спрямо подложката, ХАРАКТЕРИЗИРАЩ СЕ с това, че захранващите контакти са три (2), (3) и (4), два от тях (2) и (3) са еднакви, с правоъгълна форма и са успоредни на дългите си страни, между тях симетрично е разположен третият захранващ контакт (4), който е централен и е с квадратна форма, между захранващите контакти (2) и (3), в близост до тях и на едно и също разстояние са разположени по една двойка еднакви контакти, които са регистриращите - първи (5) и втори (6) до единия захранващ контакт (2), и съответно трети (7) и четвърти (8) до другия (3), двойките контакти (5) и (6), и (7) и (8) са симетрични спрямо централния (4) като първият контакт (5) е срещу четвъртия (8), а вторият (6) е срещу третия (7), късите страни на р-ринга (9) са успоредни на дългите страни на правоъгълните контакти (2) и (3), захранващите контакти (2) и (3) през тример (10) и токоизточника (11) са свързани със средния (4), изходът (13) за първата компонента (14) на магнитното поле (12) са третият (7) и четвъртият (8) контакт с комбинация на свързване първи (5) и четвърти (8), и съответно втори (6) и трети (7) контакт, изходът (15) за втората компонента (16) са третият (7) и четвъртият (8) контакт с комбинация на свързване първи (5) и трети (7), и съответно втори (6) и четвърти (8) контакт, а изходът (17) за третата компонента (18) са вторият (6) и четвъртият (8) контакт с комбинация на свързване първи (5) и втори (6), и съответно трети (7) и четвърти (8) контакт.