BG112109A - 2-d полупроводпиков магнитометър - Google Patents

Abstract

2-D полупроводников магнитометър съдържа n-тип полупроводникова подложка (1) с правоъгълна форма, върху едната равнина на която са формирани омични контакти, като откъм късите й страни и успоредно на тях има по един продълговат омичен захранващ контакт (2 и 3), токоизточник (7) и електронен ключ (10), свързващ омичните контакти. Измерваното магнитно поле (9) е с произволна посока. По средата в областта между захранващите контакти (2 и 3) и в близост до дългите страни на подложката (1) е формиран по един среден омичен контакт (4 и 5). Контактите (2 и 3) са съединени през високоомен товарен резистор (6) с токоизточника (7) и едновременно са свързани с високоомен тример (8). За измерване на първата ортогонална компонента на магнитното поле (9), успоредна на контактите (2 и 3), двата средни контакта (4 и 5) са свързани помежду си чрез ключа (10), като диференциалният изход (11) за тази магнитна компонента са средната точка на тримера (8) и точката на свързване на контактите (4 и 5). За измерване на втората ортогонална компонента на вектора на магнитното поле (9), перпендикулярна на равнината на подложката (1), диференциалният изход (12) са двата контакта (4 и 5).

Description

2-D ПОЛУПРОВОДНИКОВ МАГНИТОМЕТЪР

ОБЛАСТ НА ТЕХНИКАТА

Изобретението се отнася до 2-D полупроводников магнитометър, приложимо в областта на роботиката и мехатрониката, сензориката, когнитивните интелигентни системи, безпилотните летателни апарати, микро- и нано-технологиите, безконтактната автоматика и безконтактното измерване на ъглови и линейни премествания, позиционирането на обекти в равнината, енергетиката и енергийната ефективност, контролноизмервателната технология и слабополевата магнитометрия, военното дело и контратероризма, и др.

ПРЕДШЕСТВАЩО СЪСТОЯНИЕ НА ТЕХНИКАТА ’ *’ * ’ ’ * ’

Известен е 2-D полупроводников магнитометър, измерващ последователно две от трите взаимноперпендикулярни компоненти на вектора на магнитното поле, съдържащ и-тип полупроводникова подложка с правоъгълна форма, върху едната равнина на която откъм късите й страни и успоредно на тях са формирани по един продълговат захранващ омичен контакт - първи и втори. В областта между тях и в близост до двете дълги страни на подложката са формирани по два продълговати с еднакви размери омични контакти - първият и вторият са в близост до първия захранващ контакт, а третият и четвъртият - до втория захранващ контакт като първият и третият и съответно вторият и четвъртият са разположени откъм една и съща дълга страна на подложката. Захранващите контакти са свързани с токоизточник. Измерваното магнитно поле е с произволна посока спрямо подложката. За измерване на първата ортогонална компонента на магнитното поле, успоредна на първия, втория, третия и четвъртия контакт - първият и четвъртият, и съответно вторият и третият контакти са свързани помежду си чрез електронен ключ като диференциалният изход за тази магнитна компонента са третият и четвъртият контакт. За измерване на втората ортогонална компонента на вектора на магнитното поле, перпендикулярна на равнината на подложката - първият и третият, и съответно вторият и четвъртият контакт са свързани помежду си чрез електронния ключ като диференциалният изход за тази компонента са първият и вторият контакт, [1-3].

Недостатък на този 2-D полупроводников магнитометър е усложнената конструкция, изискваща общо шест омични контакта.

Недостатък е също редуцираната резолюция на отделните изходни канали при измерване на двете магнитни компоненти в резултат на увеличените габарити на магнитометъра от голямото количество контакти.

ТЕХНИЧЕСКА СЪЩНОСТ

Задача на изобретението е да се създаде 2-D полупроводников магнитометър с опростена конструкция и висока резолюция.

Тази задача се решава с 2-D полупроводников магнитометър, измерващ последователно две от трите взаимноперпендикулярни компоненти на вектора на магнитното поле, съдържащ п-тип полупроводникова подложка с правоъгълна форма, върху едната равнина на която откъм късите й страни и успоредно на тях са формирани по един продълговат омичен захранващ контакт. По средата в областта между тях и в близост до дългите страни на подложката е формиран по един среден омичен контакт. Захранващите контакти са съединени през високоомен товарен резистор с токоизточник и едновременно са свързан^ “ό високоомен тример. Измерваното магнитно поле е с произволна посока спрямо подложката. За измерване на първата ортогонална компонента на магнитното поле, успоредна на захранващите контакти, двата средни контакта са свързани помежду си чрез електронен ключ, като диференциалният изход за тази магнитна компонента са средната точка на тримера и точката на свързване на средните контакти. За измерване на втората ортогонална компонента на вектора на магнитното поле, перпендикулярна на равнината на подложката, диференциалният изход за тази компонента са двата средни контакта.

Предимство на изобретението е опростената конструкция поради отпадането на необходимостта от два омични контакта.

Предимство е също високата резолюция на отделните изходни канали при измерване на магнитното поле поради намалените габарити на магнитометъра от редуцирания брой контакти.

Предимство е още намаленото паразитно междуканално влияние при последователното измерване на двете магнитни компоненти в резултат на опростената конструкция и подобрената структурна и електрическа симетрия на 2-D магнитометъра.

ОПИСАНИЕ НА ПРИЛОЖЕНИТЕ ФИГУРИ

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

ПРИМЕРИ ЗА ИЗПЪЛНЕНИЕ

2-D полупроводниковият магнитометър, измерващ последователно две от трите взаимноперпендикулярни компоненти на вектора на магнитното поле, съдържа и-тип полупроводникова подложка 1 с правоъгълна форма, върху едната равнина на която откъм късите й страни и успоредно на тях са формирани по един продълговат омичен захранващ контакт 2 и 3. По средата в областта между тях и в близост до дългите страни на подложката 1 е формиран по един среден омичен контакт 4 и 5. Захранващите контакти 2 и 3 са съединени през високоомен товарен резистор 6 с токоизточник 7 и едновременно са свързани с високоомен тример 8. Измерваното магнитно поле 9 е с произволна посока спрямо подложката 1. За измерване на първата ортогонална компонента на магнитното поле 9, успоредна на захранващите контакти 2 и 3, двата средни контакта 4 и 5 са свързани помежду си чрез електронен ключ 10, като диференциалният изход 11 за тази магнитна компонента са средната точка на тримера 8 и точката на свързване на контакти 4 и 5. За измерване на втората ортогонална компонента на вектора на магнитното поле 9, перпендикулярна на равнината на подложката 1, диференциалният изхОД 12 за тази компонента са двата контакта 4 и 5.

Действието на 2-D полупроводниковия магнитометър, съгласно изобретението, е следното. При включване на двата контакта 2 и 3 през високоомния товарен резистор R 6 към токоизточника 7, между тях през обема на подложката 1 протича постоянен захранващ ток /₂₃ = const, т.е. функционирането на магнитометъра по причина на резистора R 6 е в режим генератор на ток. Ефективната траектория на тока Дз ^е криволинейна, тъй като тя стартира и завършва върху планарните захранващи контакти 2 и 3. Те представляват еквипотенциални равнини и в отсъствие на външно магнитно поле В 9 токвите линии 7₂,з са винаги перпендикулярни в зоните под тях. В останалата част от обема на подложката 1 ефективната траектория на тока /₂,з е успоредна на горната й страна. Предвид избраната структурна симетрия на всички омични контакти 2, 3, 4 и 5 по отншение на центъра на правоъгълната подложка 1 (точката на пресичане на диагоналите на тази правоъгълна област), траекторията на тока /₂,з е също симетрична спрямо този център в равнината y-z, Фигура 1. Фактически токовите линии са във висока степен симетрични спрямо двата средни контакта 4 и 5.

Външното магнитно поле В 9, което е с произволна ориентация спрямо подложката 1 чрез двете си взаимноперпендикулярни компоненти В_х и B_z води до възникване на две латерално отклоняващи движещите се електрони /₂,з сили на Лоренц, F_L = gV_dr х В, където q е елементарният товар на електрона, a V_dr е векторът на средната дрейфова скорост на носителите по осите у и z, [3]. В резултат на тази Лоренцова дефлекция на токовите линии, в повърхностната зона на средните контакти 4 и 5, където те са разположени, се генерират допълнителни електрически товари от ефекта на Хол, Фигура 1. Това води до поява на съответни потенциали на Хол върху тези контакти от двете взаимно ортогонални компоненти В_х и B_z на вектора на магнитното поле В 9, V/sC^x) и ±ν₄,₅(Β_ζ). Последователното във времето свързване по определен начин на Холовите контакти 4 и 5 чрез електронния ключ 10 цели селективно извличане на метрологична информация за двете отделни компоненти В_х и B_z на магнитния вектор В 9.

Магнитно поле В_х въздейства върху латералната дрейфова скорост V_dr>y и вертикалната компонента на скоростта V_dr,_z, Фигура 1. Така съответната сила на Лоренц F_L премества траекторията /_2?3 в средната област на подложката 1 в равнината z-y или към горната повърхност или към обема (в зависимост от посоките на тока /₂,з^и магнитното поле В_х), т.е. силата на Лоренц F_L “свива” или “удължава” ефективната токова траектория /₂₎з в равнината z-y. В резултат върху горната повърхност на чипа 1, респективно върху контакти 4 и 5 едновременно се генерират Холови потенциали с един и същ знак и стойност, които носят информация за посоката и стойността на магнитната компонента В_х. Върху контакти 4 и

5, освен линеен и полярен (нечетен) Холов потенциал ± V₄,5(^_XJ се гене*{5йр’<Г и квадратичен и четен от магнитното поле В_х магниторезистивен сигнал MR ~ В _х. Пълното компенсиране на паразитното, в нашия случаи, геометричното квадратично магнитосъпротивление (квадратичното напрежение V (В_х) върху Ходовите контакти 4 и 5 от магнитната индукция В_х) се осъществява с включения към захранващи контакти 2 и 3 високоомен тример г 8. Чрез тримера г 8 квадратичното магниторезистивно напрежение У₂,з(А) ~ В² _Х върху контакти 2 и 3 се разпределя така, че потенциалът върху средната точка на тримера г 8 да съвпада с генерирания в поле В_х квадратичен потенциал У_4>5 върху непосредствено свързаните контакти 4 и 5. Върху тях също възниква квадратично напрежение от ефекта на магнитосъпротивление. Тримерът г 8 е високоомен с цел да не шунтира протичащия през подложката 1 захранващ ток /₂,з- Пълната компенсация на това паразитно квадратично напрежение се постига с нулиране на изхода 11 в отсъствие на магнитно поле В_х = 0, т.е. с компенсирането на паразитния офсет. Тогава на диференциалния изход 11, формиран от средната точка на тримера г 8 и точката на свързване чрез ключа 10 на контакти 4 и 5 остава само линейното и полярно (нечетно) напрежение на Хол V₄-5(B_X) ~ В_х. То е носител на метрологичната информация за ортогоналната магнитна компонента В_х, успоредна на контакти 2 и 3.

В поле B_z силата на Лоренц F_L = gVdr,_y х B_z въздейства върху компонентата V_dr._v на дрейфовата скорост V_dr на електроните, Фигура 1. Осъществява се латерална дефлекция на токовите линии в равнината х-у. Така върху дългите страни на подложката 1 и съответно върху контакти 4 и 5 едновременно се генерират равни по стойност, но противоположни по знак Холови потенциали Vh4(B_z) и -V_H5(F_z). Именно те обуславят диференциалния Холов изход ν₄,5(Β_ζ) 12 на 2-D магнитометъра, даващ метрологичната информация за ортогоналната магнитна компонента Β_ζ.

Важна особеност е, че всяка една от двете последователни във времето конфигурации на контактите 4 и 5, Фигура 1, осъществява потискане върху изходите 11 и 12 на напрежение от другата „паразитната” в случая компонента на вектора В 9. Тези сигнали в изходи 11 и 12 се явяват синфазни добавки и там се компенсират, минимизирайки паразитното междуканално влияние. Абсолютната стойност на вектора на магнитното поле В 10 се дава с израза:|В| = ψ² +В²У'², [3].

Неочакваният положителен ефект на новото техническо решение се заключава във възможността само с четири омични контакта, един и същ захранващ ток /₂,з> един токоизточник 7 и две състояния на изходни контакти 4 и 5 да се извлече пълна метрологична информация за двете равнинни компоненти на вектора В 9. Фактически процедурата е разширена във времето, а не в пространството. Така конструкцията се опростява като омичните контакта са общо четири. Понеже габаритите* редуцирани, резолюцията на новия 2-D магнитометър е също повишена.

2-D магнитометърът се реализира със стандартна CMOS технология, BiCMOS или микромашининг процеси и може да се интегрира върху общ силициев чип заедно с обработващата сигналите от него периферна електроника. Последователното реализиране във времето на двете конфигурации с контакти 4 и 5 се осъществява с честота f на мултиплексиране (превключване) по-висока от евентуални изменения на стойността и посоката на магнитното поле В 9. Чрез формиране на дълбок р-ринг около омичните контакти 2, 3, 4 и 5 се постига минимизиране на повърхностното разтичане на тока /2,3· Освен това токовите линии /2,3 проникват по-дълбоко в обема на полупроводниковата подложка 1 и върху тях по-ефективно действат отклоняващите сили на Лоренц. Следователно въздействието на компоненти В_х и В_г на магнитното поле В 10 чрез силите на Лоренц F_L върху тока /₂,з е значително повишено, и чувствителността на сензорните канали също. Функционирането на този 2-D мултисензор е възможно в широк температурен диапазон, включително при криогенни температури. За приложения в слабополевата магнитометрия 2-D микросензорът може да се интегррира с концентратори на магнитното поле 9 от ферит или μ-метал, увеличавайки така чувствителностите на каналите.

ПРИЛОЖЕНИЕ: една фигура

ЛИТЕРАТУРА

[1] S.V. Lozanova, S.A. Noykov, A.J. Ivanov, G.N. Velichkov, C.S. Roumenin, 3-D silicon Hall device with subsequent magnetic-field components measurement, Procedia Engineering, 87 (2014), pp. 1107-1110.

[2] S. Lozanova, S. Noykov, C. Roumenin, Three-dimensional magnetometer based on subsequent measurement principle, Sensors and Actuators, A 222 (2015), pp. 329-334.

[3] Ch. Roumenin, “Microsensors for magnetic field”, Ch. 9, in „MEMS - a practical guide to design, analysis and applications”, ed. by J. Korvink and O. Paul, William Andrew Publ., USA, 2006, pp. 453-523; ISBN: 0-8155-1497-2.

Claims (1)

1. ПАТЕНТНИ ПРЕТЕНЦИИ

   4- 2-D полупроводников магнитометър, съдържащ и-тип полупроводникова подложка с правоъгълна форма, върху едната равнина на която са формирани омични контакти като откъм късите й страни и успоредно на тях има по един продълговат омичен захранващ контакт, токоизточник и електронен ключ, свързващ омични контакти, а измерваното магнитно поле е с произволна посока спрямо подложката, ХАРАКТЕРИЗИРАЩ СЕ с това, че по средата в областта между захранващите контакти (2) и (3) и в близост до дългите страни на подложката (1) е формиран по един среден омичен контакт (4) и (5), контакти (2) и (3) са съединени през високоомен товарен резистор (6) с токоизточника (7) и едновременно са свързани с високоомен тример (8), за измерване на първата ортогонална компонента на магнитното поле (9), успоредна на контакти (2) и (3), двата средни контакта (4) и (5) са свързани помежду си чрез ключа (10) като диференциалният изход (11) за тази магнитна компонента са средната точка на тримера (8) и точката на свързване на контакти (4) и (5), за измерване на втората ортогонална компонента на вектора на магнитното поле (9), перпендикулярна на равнината на подложката (1), диференциалният изход (12) са двата контакта (4) и (5).